La Universidad Técnica de Múnich (TUM) estudia la combinación única del láser de fibra AFX-1000 de nLIGHT y la unidad de deflexión óptica AM Module Next GEN de Raylase

La formación del rayo láser mejora la calidad y la producción de la fusión del lecho de polvo láser en la fabricación aditiva

Redacción Interempresas15/03/2022

La combinación de un láser de fibra programable que puede alternar entre el modo único y el modo de anillo en cuestión de milisegundos y una unidad de desviación óptica con un eje de zoom de Raylase está revolucionando la fabricación aditiva. Tal y como ha demostrado la investigación de la Universidad Técnica de Múnich, los dos productos resuelven muchos de los problemas conocidos de la fusión del lecho de polvo por láser (LPBF) en la impresión 3D, como la falta de homogeneidad en el baño de fusión y la reducción de la velocidad de producción. Gracias al acceso altamente dinámico a una amplia gama de calidades de haz y al control de haz de alta precisión, la combinación de ambos mejora varias veces la calidad y la producción en los procesos de fabricación aditiva con metales basados en láser y en lecho de polvo.

El ritmo de la innovación en la fabricación aditiva se acelera constantemente. El uso de la tecnología láser de vanguardia forma parte de esta tendencia desde hace años. Como pionero en la fabricación, el láser en modo de anillo se ha hecho un nombre en todo lo relacionado con la soldadura. Pero se necesita aún más para el proceso LBPF (Laser Powder Bed Fusion) en la impresión 3D. En este ámbito, un nuevo láser que puede alternar de forma flexible entre el modo simple y el modo de anillo ofrece una gama de calidades de haz que va de lo estrecho a lo ancho. Y recientemente se le ha unido un nuevo compañero en el campo del procesamiento de materiales por láser en la fabricación aditiva. La forma en que estos dos láseres trabajan juntos es tan única y está tan llena de potencial que los resultados están causando una especie de sensación en la fabricación aditiva.

De izquierda a derecha: Wolfgang Lehmann (jefe de gestión de Productos, Raylase); Christian Schröter (director de Ventas de Optoprim Germany GmbH); Philipp Schön (director general, Raylase); Marc Schinkel (ingeniero de Aplicaciones, Raylase); Jan Bernd Habedank (jefe de TCC, Raylase); Katrin Wudy (TUM); y Jonas Grünewald (investigador asociado, TUM).

Katrin Wudy, experta y profesora de fabricación aditiva basada en láser en la cátedra de Fabricación Aditiva Basada en Láser (LBAM) de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), está estudiando actualmente la combinación única del láser de fibra AFX-1000 de nLIGHT y la unidad de deflexión óptica AM Module Next GEN de Raylase. Su investigación se centra en la influencia del perfil del haz en la formación de microestructuras. “Cortamos las piezas que produce este proceso, antes de examinar la estructura del grano en las microsecciones bajo el microscopio”, dice Wudy. “Debido a la alteración de las geometrías de las pistas de fusión cuando se utilizan perfiles de haz alternativos, también se modifica la regulación de la temperatura. En los primeros resultados de la microscopía observamos diferentes tamaños y texturas de grano. Sin embargo, el tamaño y la textura del grano son esenciales para el comportamiento de los componentes, por ejemplo, su resistencia a la tracción o su deformación final. ”Por tanto, si podemos controlar estratégicamente el crecimiento del grano seleccionando parámetros de proceso y perfiles de haz específicos, las propiedades de los componentes resultantes pueden ajustarse con precisión; por ejemplo, podemos hacer que determinadas partes de un componente sean especialmente rígidas o flexibles sin necesidad de un posprocesamiento adicional. Las propiedades también pueden variarse dentro de un mismo componente utilizando sofisticadas estrategias de exposición", explica Wudy, haciendo hincapié en las enormes ventajas que ofrece la conformación del haz láser basada en un láser de fibra y una unidad de deflexión.

“La Universidad Técnica de Múnich, Optoprim —el distribuidor alemán del fabricante estadounidense de láseres nLight— y Raylase han unido sus fuerzas para superar las limitaciones críticas del proceso de las aplicaciones de LPBF por láser, como la falta de homogeneidad en el baño de fusión y la reducción de la velocidad de producción”, afirma Wolfgang Lehmann, director de Producto de Raylase, destacando las ventajas de esta colaboración. Con los procesos convencionales de AM que utilizan un láser monomodo, pueden producirse una serie de defectos, como la formación de agujeros debido al sobrecalentamiento, una profundidad inadecuada de la pista de fusión, una zona de denudación de polvo (zona sin polvo) alrededor de la potencia de fusión solidificada o la formación de bolas en el baño de fusión. Estos problemas son cosa del pasado con la combinación de productos que comprende el láser de fibra AFX-1000 programable de nLIGHT y la unidad de desviación AM Module Next GEN con eje de zoom de Raylase.

Es importante destacar que, con el láser de fibra AFX-1000, la distribución de la intensidad de las fuentes del haz, que consiste en un haz central monomodo y un haz anular, puede conmutarse instantáneamente desde un perfil Gauss típico hasta seis perfiles anulares diferentes. Las distintas potencias de los dos haces láser superpuestos generan una entrada de energía extremadamente atractiva y homogénea, evitando al mismo tiempo las salpicaduras y las grietas de calor. Esto es crucial para el ‘hatching’, es decir, el movimiento del láser en un patrón de meandro basado en las geometrías que se van a exponer en la fabricación aditiva. El objetivo aquí es construir cuadros específicos en la superficie como los cuadros de un tablero de ajedrez. Cuanto más ancha sea la pista del rayo láser, más rápido se podrán rellenar y, a su vez, más rápido será el proceso de fabricación de componentes. Los bordes de la pieza deben estar lo más limpios posible y se pueden posprocesar de forma muy eficaz con el estrecho haz monomodo de la fibra central del láser. El uso variable del modo único y del modo anillo aumenta la productividad en un factor de alrededor de 2,8. Sin embargo, si se utilizan juntos, no tienen rival. El zoom del Module aumenta la anchura de la pista de fusión en un factor de 5,5.

La profesora Wudy de la TUM/LMA con una pieza producida mediante fabricación aditiva. La innovadora combinación de un láser de fibra y una unidad de deflexión aumenta la productividad al tiempo que mejora la microestructura de los componentes metálicos y aumenta la resistencia a la tracción y la deformación final.

Las variantes son muchas. Aunque el láser de fibra programable ya tiene mucho que ofrecer, las posibilidades se duplican cuando se utiliza en combinación con la lente de zoom de la unidad de desviación. Como explica Wolfgang Lehmann: “Podemos posicionar las pistas de láser con un grado de precisión muy alto en función del tamaño del campo de procesamiento, con una precisión de menos de 5 µm. La anchura ideal de las pistas de fusión depende en gran medida del tamaño del grano de las partículas de polvo. Normalmente está entre 15 µm y 100 µm. Lo que significa que el tamaño del punto debe adaptarse en consecuencia. Con el AM Module Next GEN, el diámetro del punto puede ajustarse de forma infinita y duplicarse dinámicamente durante el proceso. Con sus espejos de desviación altamente dinámicos, la unidad de desviación es capaz de desviar haces alrededor de las esquinas a velocidades muy altas. Para el proceso de eclosión, la unidad de desviación ofrece un colimador de fibra integrado, un ”sistema de eje de zoom" inteligentemente diseñado para la configuración dinámica del tamaño del punto y numerosas opciones de supervisión del proceso para el control de calidad. Esto garantiza tamaños de punto y densidades de potencia consistentes en cada punto del campo de proceso.

Además de mejorar en gran medida la cadena de valor de la AM para la fusión de metales por lecho de polvo láser, estos innovadores productos también amplían los límites de la producción en serie tal y como la conocemos. Al fin y al cabo, el objetivo último de la fabricación aditiva es organizar el proceso de construcción de un componente de la forma más eficiente posible en cuanto a tiempo y manteniendo los más altos estándares de calidad.

Los fabricantes de máquinas están utilizando la conformación flexible del haz que permiten los dos productos para ampliar el espectro de la fusión del lecho de polvo láser (LPBF). Fuente: TUM/LBAM.