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El láser en técnicas de fabricación rápida y tratamientos superficiales

A. Gasser, C. Over, W. Meiners, G. Vitr, E. Willenborg, C. Johnigk, N. Pirch, I. Kelbassa, K. Wissenbach
Fraunhofer Institute Lasertechnik
15/10/2003

Actualmente, el tratamiento superficial con técnicas láser abarca diversos procesos cómo el revestimiento, la limpieza y el pulido. Las investigaciones actuales se centran en aplicaciones tales como la protección al desgaste y la corrosión de los componentes de turbinas de vapor y en reacondicionar herramientas y piezas de motor.

Otro desarrollo en revestimientos mediante láser se dirige a un nivel más alto de automatización para optimizar el rendimiento, conseguir mayor flexibilidad y un ahorro de tiempo.

Se avanza en la simulación del proceso de revestimiento láser, que ayudará a entender la correlación entre los parámetros del proceso, el calentamiento y el flujo material.

La limpieza es otro campo de aplicación interesante del láser. Los últimos avances se orientan a la limpieza de dispositivos electrónicos: lacas soldables, contaminaciones, residuos de polímeros y capas de óxido tienen que ser eliminados de la superficie. Se utiliza radiación láser pulsada, con pulsos de 10 a 250 ns de duración.Debido a la alta intensidad y al corto intervalo de la interacción, los recubrimientos no metálicos se evaporan sin que se afecte la superficie metálica del substrato.

Otro campo de aplicación de los láseres es el pulimento de superficies. Derritiendo una pequeña capa del material las asperezas superficiales se alisan. Los usos potenciales de este proceso se orientan a pulimentar los moldes de inyección y los dispositivos médicos.

Para la fabricación directa de piezas de metal a partir de materiales en serie se puede utilizar el proceso de sinterizado selectivo por láser (SLM). Gracias a una metodología de fundido completo del material en polvo se pueden obtener densidades de aproximadamente un 100%.

Los materiales bajo investigación son el acero inoxidable 1.4404, el acero de herramienta 1.2343 y el titanio TiAl6V4. La fabricación de prototipos funcionales fuera de los materiales en serie permite un ahorro de tiempo frente a los procesos convencionales. Otro objetivo es la aplicación del SLM para la fabricación de pequeñas series como por ejemplo la producción individual para implantes médicos, ya que permite una alta flexibilidad.

figura1. Principio del revestimiento láser

Revestimiento por láser

Desde el desarrollo de láser de alta potencia, uno de los objetos de estudio ha sido el revestimiento. Durante los últimos quince años, la investigación básica y aplicada ha conducido a una comprensión profunda del proceso de revestimiento, así como a una gama de aplicaciones potenciales [1-6]. Sin embargo, la industria era algo reticente a adoptar esta tecnología, entre otros motivos debido a la alta inversión y costes de mantenimiento que suponían su implantación.

Desde que se desarrollaron e introdujeron al mercado los láseres de diodo de alta potencia y los láseres Nd:YAG bombeados por diodos la situación ha cambiado. También se ha progresado en la automatización y en el plan de proceso de revestimiento con láser.Esta serie de progresos condujeron a una demanda de láser para la reparación de herramientas [5] y de piezas del motor de turbina [6].
Durante el revestimiento láser, el material aportado y una fina capa del substrato se funden por medio del haz láser (figura 1). El pre-recubrimiento, por ejemplo mediante proyección térmica o deposición galvánica, requiere más tiempo y es más costoso, al mismo tiempo que es eficiente sólo para el revestimiento de áreas extensas. El suministro "in-situ" supone inyectar el material aportado en la zona de la interacción del haz láser y del sustrato en la forma de alambre o de polvo. Puesto que el uso de éste limita la variedad de materiales, la inyección en polvo es el método que presenta más ventajas. Los polvos usados para el revestimiento por láser deben tener un tamaño de partícula entre 20 µm y 200 µm. Las características más destacables de alimentación se alcanzan con una forma esférica de las partículas, típica de los polvos atomizados.

Limpieza y pulido

Numerosos procesos de limpieza y activación son necesarios para la fabricación y el montaje final de dispositivos electrónicos. Además la tendencia a la miniaturización requiere a menudo procesos de la limpieza de alta precisión.

Las lacas soldables, las contaminaciones, los residuos de polímeros y las capas del óxido tienen que ser eliminados de la superficie, especialmente en los procesos subsecuentes como el ensamblaje y el recubrimiento, que requieren una superficie limpia.

Hasta el momento, las técnicas convencionales de limpieza se han basado en procesos químicos o mecánicos, unos métodos que resultan bastante costosos en comparación con el tratamiento de láser. Para evitar estas desventajas, se aconseja utilizar las técnicas de radiación de láser.

Debido a la alta intensidad y a la corta interacción temporal, las capas de recubrimiento se evaporan mientras que la superficie metálica del sustrato no se ve afectada..

Fundición selectiva con láser

Durante los últimos años se ha alcanzado un alto grado de desarrollo de los procesos de manufactura generativa (los llamados procesos de prototipado rápido, rapid prototyping) [7-11]. De forma general, estos procesosutilizan materiales o composiciones de materiales específicos. Para superar la limitación de un material específico, Fraunhofer ILT y Trumpf están desarrollando un proceso de láser que permita fundir de forma selectiva (SLM, Selective Laser Melting). El punto de partida, igual que todos los procesos de fabricación generativos, es un modelo 3D de CAD, que se subdivide en capas de un grosor definido. La pieza real es generada por un proceso de repetición de nuevas capas de material y de transfusion del área y la información del contorno de cada capa en el material usando un haz láser. En comparación a otros procesos generativos del metal, se precisan dos diferencias importantes. Por una parte, el material usado es un sólo componente de metal en polvo como el acero inoxidable 1.4404, el acero de herramienta 1.2343 o el titanio TiAl6V4. Por otra parte, el proceso físico es una refundición completa de la capa del polvo con una vinculación metalúrgica entre las capas que rinden densidades de aproximadamente. 100% en un paso.

Estas características aumentan el campo de aplicación para esta tecnología de Prototipado rápido a la Fabricación Rápida de piezas funcionales y de herramientas en serie. La aspereza y la exactitud dimensional son factores decisivos para el uso y la aceptación industrial del proceso SLM.

Conclusiones

Los ejemplos expuestos demuestran el potencial del tratamiento superficial láser. Un factor importante es la mejora de la calidad del haz y del desarrollo de nuevos láseres, que ayudará a abrir nuevos usos y a reducir costes.

La investigación futura se centrará en la automatización y el control del proceso que aumentará la fiabilidad del proceso.

El uso de materiales de serie en el SLM ofrece nuevas posibilidades en la creación de prototipos y además en la fabricación directa de piezas. La posibilidad de fabricar piezas con nuevas características geométricas suplementa los métodos de la fabricación convencional en diversos campos de uso como la fabricación de implantes médicos, los usos aeroespaciales y la fabricación de herramientas y moldes. La investigación adicional en cooperación con varios socios industriales se llevará a cabo con los objetivos de alcanzar geometrías más complejas y la extensión de la gama del materiales y de materiales compuestos.

Los objetivos con respecto a las herramientas y moldes serán una mayor reducción de tiempos de manufactura, un aumento de la calidad por enfriado conformal y de los ciclos de vida.

Referencias

Schürmann B., Vitr G., Wissenbach K., Randschichtbehandlung mit Hochleistungs- Diodenlasern, LaserOpto 1, 1999
Richter A., Nowotny S., Naumann T., Beyer E., "Auftragschweißen mit dem Hochleistungs-Diodenlaser". LaserOpto, 1, 1999,
Beyer, E., Wissenbach, K. (Eds.), Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung, Springer Verlag, 1998
Richter A., Nowotny S., Naumann T., Beyer E., Auftragschweißen mit dem Hochleistungs-Diodenlaser, LaserOpto, 1, 1999
Eimann, K., Instandsetzung von Werkzeugen mit Laserstrahlung, Proc. AKL 2000, 169-180
Stimper, B., Verlängern von Verdichterschaufeln durch Laser-Pulver- Auftragschweißen, ILA 2000, Technikberichte MTU, www.mtu.de
Gebhardt, A.: Rapid Prototyping-Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung, Carl Hanser Verlag München, Wien, 2000
Meiners, W.: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe, Dissertation RWTH Aachen, 1998
Meiners W., Over C., Wissenbach, K., Poprawe R.: Direct generation of metal parts and tools by Selective Laser Powder Remelting (SLPR), Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin Texas 1999
CRAFT Project BE S2 5412 "Direct generation of tools and functional prototypes", Final report, Aachen, 2001
Meiners W., Over C., Wissenbach, K., Poprawe R.: Herstellung von Werkzeugteilen mittels Selective Laser Melting (SLM), 10. Würzburger Werkzeugtage, Proceedings, Sept. 27 –28. 2000, Würzburg, Germany