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La ablación láser ultrarrápida se caracteriza por la ausencia de conducción térmica, lo que provoca que la energía se concentre en una región más pequeña y, por lo tanto, se produzca una expulsión del material más rápida. Este tipo de ablación se distingue por ofrecer una definición más nítida en las formas de la superficie afectada. La falta de efectos térmicos significa que el volumen abladido está determinado de manera precisa por el perfil espacial del láser y la profundidad de penetración óptica, mientras que el material circundante permanece intacto. Esto limita la formación de una zona afectada por el calor (HAZ, por sus siglas en inglés). Además, los pulsos más cortos requieren menos energía que los pulsos más largos para alcanzar la intensidad necesaria para iniciar el colapso óptico. Esta reducción en la deposición de energía disminuye el riesgo de daños no deseados.
Los mecanismos que intervienen en el proceso de ablación láser ultrarrápida ocurren aproximadamente 100 ps después de la irradiación del pulso. Entre los mecanismos principales de ablación se incluyen la espallación, la fusión y la vaporización, la explosión de fase, la separación de fase en el punto crítico y la explosión de Coulomb. En este proceso, los materiales reaccionan de forma distinta dependiendo de la duración del pulso y su interacción con la energía del láser.
Cuando se irradián pulsos de duración nanosegundos o más largos, hay suficiente tiempo para que la onda térmica se propague y caliente el material en su totalidad, lo que se conoce como procesamiento fototérmico. Si la intensidad del láser supera un valor umbral, induce la fusión, vaporización y posterior expulsión del material de la superficie. En el procesamiento con pulsos de nanosegundos, se observan tres regiones distintas de ablación. La primera se encuentra por encima de la superficie irradiada, donde se forma una mezcla en expansión rápida de gas y gotas líquidas. En esta región, se debe considerar el movimiento hidrodinámico de la mezcla, la disminución de la temperatura del vapor debido a la expansión y el flujo de retorno de las especies evaporadas. Si la intensidad del láser es relativamente alta, se produce la evaporación, y la velocidad de la frente de evaporación se debe tener en cuenta.
La segunda región corresponde a la superficie, donde se observan burbujas de gas que se nucleán homogéneamente dentro de una capa de fusión que se expande lentamente. La profundidad de la capa fundida suele ser del orden de varias decenas de micrómetros. La observación directa y el monitoreo de la formación de la capa de fusión son difíciles debido a su pequeño tamaño y las altas temperaturas involucradas. Finalmente, por debajo de la capa fundida, los defectos crecen de forma heterogénea en la región sólido-líquido, fenómeno particularmente notable en materiales débilmente absorbentes.
En todos los casos, la eliminación del material va acompañada de la expulsión de un chorro de partículas dirigido desde la zona irradiada, que se expande rápidamente en la atmósfera circundante. Si la intensidad del láser es lo suficientemente alta, una parte del chorro puede ionizarse, formando un plasma. Este plasma puede generarse mediante un colapso óptico inducido por láser o ionización de los gases atmosféricos, siendo el primer método preferido debido a la mayor densidad electrónica inicial. La ionización del plasma ocurre a través de un proceso colisional llamado "inverse bremsstrahlung" (IB) o mediante fotoionización no colisional. En el proceso IB, los electrones libres colisionan con partículas cargadas, transfiriendo energía a estas últimas.
Cuando el plasma se expande rápidamente dentro del canal del rayo láser, su energía térmica se convierte en energía cinética durante una expansión cuasi-adiabática inicial. Los plasmas de alta densidad pueden reflejar una porción significativa de la luz incidente. Durante esta expansión, la densidad y la temperatura del plasma disminuyen rápidamente. Este fenómeno es particularmente relevante en la creación de ondas de absorción soportadas por láser (LSAW) cuando la densidad crítica del plasma se alcanza. A medida que el plasma se expande, puede devolver una parte de la energía del láser al punto de origen, alterando la eficiencia del proceso.
La formación de nanopartículas también es una consecuencia importante de la ablación láser. El material irradiado, especialmente a intensidades más bajas, se encuentra compuesto por una mezcla de iones atómicos, cúmulos de iones y monómeros. La generación de nanopartículas sigue los principios de la teoría de colisión-coalescencia, un proceso que ocurre dentro del chorro de ablación. Cuando las partículas se agrupan a temperaturas elevadas, se forman partículas ligeramente más grandes. Al enfriarse el chorro, el proceso de coalescencia se detiene y las partículas se agregan, formando lo que se conoce como cúmulos. La irradiación láser facilita una velocidad de enfriamiento extremadamente rápida, lo que favorece una mayor uniformidad en el tamaño de las partículas en comparación con los reactores de llama.
La ablación láser es una técnica ampliamente utilizada para la síntesis de nanopartículas. Al focalizar el rayo láser de manera precisa sobre el material objetivo, el riesgo de contaminación por partículas externas se reduce significativamente. Además, el tamaño y la uniformidad de las partículas generadas pueden controlarse con gran precisión mediante la manipulación de la energía y la frecuencia de los pulsos.
En entornos líquidos, la formación de nanopartículas se vuelve particularmente notable. La expansión del chorro de ablación es relativamente moderada en estos medios, lo que permite que los cúmulos de 2 a 10 átomos se mantengan cercanos a la superficie del material objetivo debido a la desaceleración causada por las partículas líquidas. En condiciones de vacío, la generación de cúmulos más pequeños requiere mayores intensidades. Sin embargo, el uso de pulsos femtosegundos en un objetivo de silicio sólido ha demostrado ser efectivo en la producción y recolección de nanopartículas de silicio en entornos controlados.
Por último, la fusión de materiales bajo la irradiación láser ocurre cuando la intensidad del láser supera el umbral necesario para fundir el material. Si la duración del pulso se prolonga, se puede producir una conducción térmica excesiva dentro del material irradiado, disipando el calor y dificultando la fusión. A medida que la intensidad aumenta, la capa fundida experimenta la influencia de fuerzas termocapilares o hidrodinámicas, lo que puede alterar la forma y distribución del material en la superficie.
¿Cómo afecta la vibración ultrasónica al proceso de rectificado y la morfología de la superficie del trabajo?
El proceso de rectificado por vibración ultrasónica permite obtener una morfología de la superficie del trabajo que varía significativamente respecto al rectificado convencional. El primer paso en este tipo de simulaciones es calcular la altura residual después de que una sola partícula abrasiva muele una porción del trabajo. Este valor se obtiene al recorrer la superficie de la pieza de trabajo, permitiendo identificar las profundidades de interferencia de todas las partículas abrasivas. Suponiendo que el material interferente de la pieza de trabajo sea completamente eliminado, la altura residual se actualiza según la ecuación (3.43), lo que permite obtener la morfología de la superficie del trabajo tras el rectificado con vibración ultrasónica.
El número de partículas abrasivas, N, presentes en la superficie de la muela, juega un papel crucial en la simulación de la morfología de la pieza de trabajo. En el proceso de simulación, una superficie de trabajo de 1,5 mm de longitud fue procesada por 1880 partículas abrasivas. El flujo de la topografía de la superficie y el cálculo de la distribución del espesor de corte no deformado (UCT) se puede ver reflejado en el algoritmo de la Figura 3.34, el cual ilustra cómo se generan y distribuyen estas características en la pieza.
El diámetro de cada grano, dg, sigue una distribución normal con media μ y desviación estándar σ, mientras que el desplazamiento de cada grano, δi, sigue una distribución uniforme entre dos límites c y d. Esta distribución aleatoria de los granos sobre la superficie permite modelar con mayor precisión cómo interactúan las partículas abrasivas con la pieza de trabajo durante el proceso de rectificado ultrasónico.
La verificación experimental del modelo propuesto para predecir la morfología de la superficie de la pieza de trabajo se llevó a cabo mediante un conjunto de pruebas de rectificado ultrasónico. En estas pruebas, el manipulador ultrasónico se instaló sobre el husillo, y el generador ultrasónico produjo señales eléctricas que se transmitieron al transductor piezoeléctrico. Este transductor convirtió las señales eléctricas en vibraciones mecánicas de alta frecuencia, las cuales fueron amplificadas por un cuerno de ultrasonido. La amplitud máxima alcanzada por las vibraciones fue de 4 μm, con una frecuencia de 35 kHz. Se utilizó como material de prueba el acero para rodamientos GCr15SiMn, en forma de bloques rectangulares de 20 mm x 15 mm x 10 mm.
Los resultados experimentales mostraron que la topografía de la superficie del trabajo es un indicador directo de la calidad de la superficie tratada. Las figuras experimentales compararon la morfología medida mediante microscopía con la simulada, mostrando cómo diferentes amplitudes ultrasónicas alteran la forma y densidad de los surcos en la superficie del trabajo. Con amplitudes ultrasónicas de 0 μm, 2 μm y 4 μm, se observó que la morfología de la superficie pasaba de tener surcos lineales paralelos en el rectificado convencional a una textura más ondulada y densa, especialmente cuando la amplitud de ultrasonido aumentaba.
A medida que la amplitud del ultrasonido se incrementa, la trayectoria sinusoidal de las partículas abrasivas se traduce en una textura de onda más pronunciada sobre la superficie de la pieza, formando un patrón más complejo de surcos y una mayor interacción entre los granos abrasivos. Este efecto repetitivo mejora la calidad de la superficie, creando una topografía más plana y con menos acumulación plástica a los lados de los surcos, lo que ocurre típicamente en el rectificado tradicional. Las simulaciones confirmaron estos resultados experimentales, mostrando que el rectificado ultrasónico produce una superficie más homogénea y suave, especialmente cuando la amplitud de las vibraciones es mayor.
Además de la morfología superficial, otro aspecto crucial del rectificado ultrasónico es la evaluación de los esfuerzos residuales inducidos en la pieza de trabajo. Los esfuerzos residuales, que son fundamentales para la fabricación anti-fatiga, se pueden predecir a través de modelos que consideran tanto el estrés mecánico como el térmico. En particular, la combinación de esfuerzo cortante y esfuerzo de arrastre, junto con el estrés térmico generado por las vibraciones ultrasónicas, afecta la formación de esfuerzos residuales en el material, lo que puede influir en su durabilidad y resistencia.
Los esfuerzos residuales en procesos de vibración ultrasónica longitudinal-torsional (LTUM) fueron modelados considerando tanto el esfuerzo cortante como el esfuerzo térmico inducido por el proceso. Esto permitió generar un modelo teórico que predice cómo los esfuerzos residuales afectan a la pieza de trabajo, especialmente en materiales como la aleación de titanio Ti–6Al–4V, que son comunes en aplicaciones aeroespaciales y biomédicas. Este modelo ha sido validado mediante experimentos y constituye una herramienta crucial para entender los impactos del rectificado ultrasónico en la integridad estructural de las piezas.
Es fundamental que los lectores comprendan que la vibración ultrasónica no solo mejora la morfología superficial de la pieza de trabajo, sino que también puede modificar significativamente las propiedades mecánicas del material, influyendo en su resistencia al desgaste, fatiga y otros factores críticos para su desempeño en condiciones extremas. Además, la comprensión de la relación entre los parámetros del proceso (como la amplitud de ultrasonido, la velocidad de la muela y la velocidad de avance de la pieza) es esencial para optimizar tanto la calidad superficial como las propiedades mecánicas del producto final.