Modelado de red de ingeniería láser

La formación de polvo con láser, también conocida por su nombre de propiedad (conformación de red diseñada por láser) es una tecnología de fabricación aditiva desarrollada para fabricar piezas de metal directamente a partir de un modelo sólido de diseño asistido por computadora (CAD) mediante el uso de un polvo de metal inyectado en una piscina fundida creada por Un rayo láser enfocado y de alta potencia. Esta técnica también es equivalente a varias técnicas de marca registrada que tienen el nombre de depósito de metal directo (DMD) y consolidación por láser (LC). En comparación con los procesos que utilizan lechos de polvo, como los objetos de fusión por láser selectivo (SLM) creados con esta tecnología, pueden ser sustancialmente más grandes, incluso de hasta varios pies de largo.

El Laser Engineered Net Shaping o LENS es un prototipo rápido de tecnología desarrollado por Sandia National Laboratories que permite fabricar componentes de metal directamente a partir de un modelo CAD depositando alambres metálicos o polvo metálico en una lechada generada por la acción de un rayo láser de alta potencia en el Superficie superior de un sustrato metálico previamente depositado sobre una plataforma.

El rayo láser usualmente viaja a través del centro de la cabeza y está orientado a un punto pequeño usando una o más lentes. La superficie XY mueve el bit (gráficos de trama) para producir cada capa del objeto individualmente. La cabeza se mueve verticalmente hacia arriba cada vez que se hace una sola capa. El polvo metálico se excreta y se distribuye alrededor de la periferia de la cabeza por medio de la gravedad o el gas portador a presión. El gas inerte se utiliza para proteger la acumulación de solventes del oxígeno atmosférico, para un mejor control de las capas, ya que la superficie es más húmeda.

Podemos usar varios materiales diferentes, como acero inoxidable, inkonel, cobre, aluminio, etc. Especialmente interesantes son los materiales reactivos, como el titanio. La composición de los materiales puede ser constante y dinámicamente cambiante, lo que lleva a objetos cuyas propiedades se excluyen mutuamente con el uso de métodos de fabricación convencionales.

La ventaja del proceso es que con él podemos producir piezas de metal completamente sólidas con buenas propiedades metalúrgicas y en un futuro previsible. Los artículos fabricados tienen un diseño final casi completo, sin embargo, es necesario al final del proceso de mecanizado. Tienen una buena estructura de granulación y propiedades similares o incluso mejores que los materiales intrínsecos. La sinterización selectiva por láser es actualmente el único proceso comercial para la creación rápida de prototipos, que puede producir directamente piezas metálicas. La soldadura láser selectiva tiene menos restricciones de material que la sinterización láser selectiva y no requiere operaciones de disparo secundario como algunos procesos.

Método
Se utiliza un láser de alta potencia para fundir el polvo metálico suministrado coaxialmente al foco del rayo láser a través de un cabezal de deposición. El rayo láser normalmente viaja a través del centro de la cabeza y se enfoca a un punto pequeño con una o más lentes. La tabla XY se mueve de forma ráster para fabricar cada capa del objeto. La cabeza se mueve verticalmente hacia arriba después de completar cada capa.

Los polvos metálicos se entregan y distribuyen alrededor de la circunferencia de la cabeza, ya sea por gravedad o mediante un gas portador presurizado. A menudo se usa un gas de protección inerte para proteger el conjunto de fusión del oxígeno atmosférico para un mejor control de las propiedades, y para promover la adhesión de capa a capa proporcionando una mejor humectación de la superficie.

Etapas del proceso
Un sustrato metálico se deposita sobre una plataforma.
Un rayo láser de alta potencia, enfocado apropiadamente a través de un sistema de lentes, golpea el sustrato y funde la superficie, produciendo una suspensión fundida
A través de un cabezal de deposición con gráficos de trama colocados coaxialmente sobre el rayo láser, se depositan cables de metal o polvo metálico en la pulpa para aumentar el volumen
Una tabla movida en el plano XY dibuja los contornos de la sección para cada capa
Una vez que la capa se ha solidificado, la tabla se mueve verticalmente hacia arriba y el ciclo comienza de nuevo

El gas inerte se utiliza para proteger la pulpa del oxígeno en la atmósfera y para promover la adhesión entre la capa y la capa, lo que también permite un control de las características del material en la solidificación.

Otras tecnicas
Este proceso es similar a otras tecnologías de fabricación 3D en su enfoque, ya que forma un componente sólido mediante el método aditivo de capa. El proceso LENS puede ir desde metal y polvo de óxido metálico a piezas metálicas, en muchos casos sin operaciones secundarias. La LENTE es similar a la sinterización por láser selectiva, pero el polvo metálico se aplica solo cuando se agrega material a la pieza en ese momento. Puede producir piezas en una amplia gama de aleaciones, incluyendo titanio, acero inoxidable, aluminio y otros materiales especiales; así como materiales compuestos y funcionalmente graduados. Las aplicaciones principales para la tecnología LENS incluyen reparación y revisión, creación rápida de prototipos, fabricación rápida y fabricación limitada para los mercados aeroespacial, de defensa y médico. Los estudios de microscopía muestran que las partes de la LENTE son completamente densas sin degradación de la composición. Las pruebas mecánicas revelan propiedades mecánicas sobresalientes.

El proceso también puede hacer que las partes con forma de red «cerca» cuando no es posible hacer un artículo con las especificaciones exactas. En estos casos, el proceso de postproducción, como el mecanizado ligero, el acabado de superficies o el tratamiento térmico, puede aplicarse para lograr el cumplimiento final. Se utiliza como operaciones de acabado.

Aplicaciones
A través de LENS es posible obtener una amplia gama de componentes metálicos de densidad completa en cobre, aluminio, acero inoxidable, titanio, como piezas para aviones, prótesis médicas y herramientas para moldeo por inyección. También es interesante la posibilidad de modificar dinámicamente la composición del material, produciendo, al final, piezas con características que serían mutuamente excluyentes utilizando los métodos de fabricación tradicionales.

Los productos obtenidos por LENS son «de forma casi neta», es decir, casi productos terminados, que aún requieren tratamiento posterior.