Fabricación aditiva en el punto de mira

Fabricación aditiva en el punto de mira

Una cámara montada en el equipo de fusión de lecho de polvo láser permite medir la temperatura del baño derretido. Fuente: Universidad Carnegie Mellon, Facultad de Ingeniería

Las técnicas de fabricación aditiva (FA) son tan fuertes como las partes más débiles que producen. A pesar de que se considera una tecnología AM madura, la fusión de lecho de polvo por láser se basa en gran medida en la prueba y el error. Para garantizar la calidad, los científicos deben monitorear parámetros como la temperatura del polvo que se derrite durante el proceso de construcción. Pero, ¿cómo pueden medir la temperatura del polvo metálico cuando la piscina se mueve hasta un metro por segundo?

Nueva investigación publicada en Producción adicional, presenta un método experimental para medir la temperatura del baño de fusión usando una sola cámara a color comercial. Las mediciones precisas de la temperatura del baño de fusión se pueden usar para predecir e identificar firmas de defectos, como agujeros de cerradura, que pueden provocar grietas y porosidad, lo que puede dar como resultado piezas inadecuadas.

“Estas técnicas de medición de campo de la temperatura de la piscina fundida y las mediciones mismas son completamente únicas”, dijo Jack Beuth, profesor de ingeniería mecánica.

“Nuestra metodología se puede aplicar a cualquier cámara a color para monitorear y comprender mejor los charcos de fusión que producen piezas de alta calidad para una amplia gama de procesos de fabricación aditiva”, agregó Jon Malen, profesor de ingeniería mecánica.

Para detectar los colores visibles, el equipo utilizó una cámara a color comercial que tiene un filtro Bayer integrado en el sensor con dos filtros de píxeles verdes para cada filtro de píxeles rojo y azul. Dado que cada píxel solo detecta la luz de un color, el equipo obtiene medidas únicas para cada píxel. Usando una técnica llamada demostración, el equipo reconstruye una imagen a todo color y mide la relación entre cada uno de sus colores para calcular la temperatura.

Este nuevo enfoque radiométrico evita complicaciones relacionadas con las propiedades de la superficie y los factores de visualización que presentan desafíos para la aplicación de imágenes infrarrojas convencionales a los procesos AM.

“Sin analizar las temperaturas de estos metales líquidos, son interesantes, pero no explican directamente la física en un lago fundido”, explicó el Dr. Alex Myers. Un candidato asesorado por Malen y Beuth. “Determinamos parámetros desconocidos en un modelo de dinámica de fluidos computacional, utilizando los resultados de los experimentos para contarnos más sobre lo que está sucediendo en la microescala del grupo de aleación”.

Las temperaturas máximas en el baño de fusión ayudan a los científicos a comprender la vaporización del material durante la producción, mientras que la pendiente hacia la cola del baño de fusión les ayuda a comprender la microestructura de la pieza final. Comprender la física del baño de fusión es fundamental para garantizar piezas de alta calidad porque si se evapora demasiado material o el baño de fusión se vuelve inestable, los fabricantes pueden terminar con propiedades y defectos del material completamente diferentes que inutilizan la pieza.

“Ahora podemos ver la ciencia de la AM, no solo monitorear el proceso”, dijo la Dra. Guadalupe Quirarte. candidato en el laboratorio de Malen.

Los materiales complementarios están disponibles con el artículo que permiten a los investigadores de cualquier empresa o universidad replicar este sistema en sus propias máquinas.

En el futuro, los investigadores de Carnegie Mellon planean usar la técnica para comprender varios procesos, como la fabricación aditiva de un arco de alambre y la deposición de energía dirigida.

“Estas mediciones y simulaciones análogas abren la puerta a una comprensión más completa y fundamental de cómo los parámetros del proceso afectan la física del baño de fusión, que es un tema central en el desarrollo del proceso AM”, dijo Beuth.

Más información:
Alexander J. Myers et al., Imágenes térmicas de alta resolución de un grupo de fusión de metal aditivo de dos colores con una cámara a color, Producción adicional (2023). DOI: 10.1016/j.addma.2023.103663

Proporcionado por Carnegie Mellon University Ingeniería Mecánica


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