¿Cómo afectan las fuerzas hidrodinámicas y la irradiación láser a la topografía superficial y estructura del material?

Las fuerzas hidrodinámicas, por otro lado, se originan a partir de los gradientes de presión dentro del plasma inducido por el láser, alcanzando su mayor magnitud hacia la periferia del punto irradiado, mientras interactúan con la atmósfera circundante. Dentro de la capa de fundido, las variaciones radiales en la temperatura dan lugar al desarrollo de corrientes de convección. Estas corrientes, impulsadas por las fuerzas termocapilares, inducen la circulación del material fundido, lo que impacta en la tasa de transferencia de calor y altera las dimensiones de la capa de fundido. Este fenómeno, conocido como el efecto Marangoni, desempeña un papel crucial en la formación de las características superficiales del material.

Además, la presencia de una capa de fundido sujeta a tensión superficial puede contribuir a la formación de una superficie notablemente lisa. Por lo tanto, el efecto Marangoni tiene una influencia significativa en la topografía resultante. Cuando se aplican intensidades más altas a la superficie del material, las tasas de calentamiento aumentan, lo que lleva a la evaporación y la formación de un penacho de ablación. La fuerza de retroceso ejercida por el material eyectado en el penacho impacta en la capa de fundido, lo que provoca la salpicadura del material fundido. La fuerza ejercida desempeña un papel clave en la determinación de los patrones de salpicadura y, por ende, en la morfología superficial. Cabe señalar que la deposición de productos ablatados, o escombros, se considera generalmente altamente indeseable en la mayoría de las técnicas de micro y nano procesamiento, ya que puede comprometer la calidad de la superficie y la precisión de la forma. Para mitigar este problema, se pueden tomar varias medidas, como seleccionar un nivel de intensidad adecuado y mínimo o introducir un flujo de gas o líquido para transportar eficazmente los escombros lejos de la región irradiada, evitando así su deposición.

En el procesamiento láser, es crucial minimizar el tamaño de la HAZ para mejorar la calidad general del proceso. La generación de la HAZ está directamente relacionada con el estado térmico de la red cristalina. En términos generales, una menor duración del pulso resulta en menos energía residual en el material, lo que lleva a una HAZ más pequeña. Sin embargo, en ciertos materiales no metálicos, con tiempos de relajación electrónica más largos y menores difusividades térmicas, la difusión térmica hacia el material a granel sigue siendo limitada, incluso con pulsos de nanosegundos, lo que resulta en una HAZ relativamente pequeña. Es importante señalar que las propiedades degradadas de la HAZ pueden ser ventajosas en procesos láser asistidos para el mecanizado de materiales duros y quebradizos. La HAZ suele exhibir una menor dureza, lo que facilita la eliminación de esta región mediante métodos mecánicos con una fuerza de corte mínima y un desgaste de la herramienta insignificante.

Por otro lado, cuando la tasa de enfriamiento es alta, los materiales cristalinos pueden experimentar cambios en su estructura cristalina o volverse amorfos debido al desordenamiento de la red. Esto suele dar lugar a la formación de una capa de material con una estructura alterada. Esta capa puede presentar una estructura bastante compleja, con grados variables de cristalinidad a medida que aumenta la profundidad desde la superficie.

Es fundamental diferenciar entre la ablación láser reactiva y no reactiva. En la ablación láser no reactiva, el material experimenta fusión o evaporación seguida de recondenación o solidificación, sin cambios en su estado químico. Sin embargo, es poco probable que tales procesos ocurran en materiales no inertes en un entorno no inerte. Incluso pequeñas cantidades de gases reactivos, como el oxígeno, pueden iniciar reacciones químicas. La irradiación láser tiene el potencial de no solo alterar la estructura cristalina de una superficie, sino también influir en su composición química. Las reacciones químicas inducidas por irradiación láser pueden clasificarse en fotográficas o termoquímicas. En las reacciones fotográficas, las transiciones electrónicas o las excitaciones vibratorias de los átomos impulsan las reacciones, mientras que las reacciones termoquímicas implican el calentamiento del material objetivo para activar una reacción. Por ejemplo, en la irradiación láser del silicio, el calentamiento localizado puede inducir la difusión en estado sólido, lo que da lugar a cambios en la concentración de dopantes. La descomposición térmica completa del material irradiado también es posible. Por ejemplo, cuando el nitruro de boro cúbico es irradiado con láser en presencia de agua, puede experimentar descomposición térmica, produciendo ácido bórico o -N.

¿Cómo las tecnologías de corte asistido por energía están revolucionando la fabricación de materiales difíciles de mecanizar?

Las tecnologías de corte asistido por energía han sido desarrolladas con el propósito de mejorar la eficiencia y la calidad en el mecanizado de materiales difíciles de cortar. Entre estas tecnologías se incluyen el corte asistido por vibración, láser, energía eléctrica, energía magnética, y enfriamiento criogénico y químico. Cada una de estas metodologías presenta características y aplicaciones que las hacen particularmente útiles en industrias avanzadas, como la aeroespacial, donde la precisión y la capacidad de trabajar con materiales extremadamente duros son esenciales.

El corte asistido por vibración implica la aplicación de vibraciones de baja frecuencia o ultrasonido en diversas direcciones a la herramienta o pieza de trabajo. Esta técnica transforma el mecanizado convencional, que es continuo, en un proceso de contacto intermitente e instantáneo. La ventaja principal de este método radica en la reducción de las fuerzas de corte y las temperaturas generadas durante el proceso, lo que también minimiza el desgaste de la herramienta y mejora la calidad superficial de la pieza trabajada. Sin embargo, a pesar de estos beneficios, la implementación de este proceso implica costos adicionales para los sistemas de mecanizado y exige nuevas demandas tecnológicas sobre las herramientas utilizadas, que deben ser compatibles con las vibraciones ultrasónicas. La optimización de los equipos de vibración y el desarrollo de herramientas innovadoras son esenciales para satisfacer las crecientes demandas de procesamiento.

El corte asistido por energías múltiples no tradicionales (MNEAM, por sus siglas en inglés) combina varios campos de energía no convencional, adaptándolos a las características del material y de la pieza a procesar. Al integrar múltiples fuentes de energía, este método aprovecha las ventajas de cada una de ellas, aunque la complejidad de los equipos y la falta de investigaciones profundas sobre los mecanismos de acoplamiento entre estos campos de energía siguen siendo desafíos importantes que limitan su aplicación.

El corte asistido por energía eléctrica (EAM) utiliza el calor instantáneo generado por la corriente eléctrica para degradar y remover el material de manera eficiente y con un desgaste mínimo de la herramienta. El fresado asistido por descarga eléctrica (EDAM) combina la tecnología de descarga eléctrica con el fresado convencional, usando los bordes de corte afilados para eliminar el material metamórfico formado bajo el efecto de las chispas eléctricas. Esto reduce el desgaste de la herramienta, mejora la calidad del mecanizado y aumenta la eficiencia del proceso.

El corte asistido por energía magnética (MEAM) emplea un campo magnético para ejercer una fuerza sobre un fluido magnetizable, reduciendo la vibración del mecanizado y mejorando la precisión de la operación. Esta técnica tiene ventajas significativas en términos de calidad del mecanizado y respeto al medio ambiente, pero los dispositivos para generar campos magnéticos y los fluidos magnetizados son costosos, lo que dificulta su implementación masiva. El corte asistido por energía magnética utiliza efectos como la magnetostricción, que mejora la disipación del calor en la zona de corte y permite controlar los cambios de fase en el material, lo que facilita el proceso de remoción del material y mejora la fluidez del mismo.

Por último, el corte asistido por energía química (CAMC) tiene la ventaja de ofrecer una buena calidad de mecanizado y un desgaste mínimo de las herramientas. No obstante, su aplicación requiere soluciones químicas complejas que pueden tener efectos negativos sobre el medio ambiente. El enfriamiento asistido por bajas temperaturas, como el enfriamiento con nitrógeno líquido (LN2), puede mejorar significativamente la estabilidad del corte, pero las dificultades en el control de la temperatura y el desgaste acelerado de la herramienta debido a los cambios en las propiedades mecánicas del material siguen siendo desafíos.