¿Cómo se modelan los campos de temperatura en la simulación numérica de procesos de irradiación láser?

En el estudio de la simulación numérica de campos térmicos, es crucial considerar de manera precisa los factores de transferencia de calor, la interacción del láser con la pieza de trabajo y otros elementos que influyen en el proceso. El proceso de transferencia de calor involucra la energía térmica proveniente del láser, con especial énfasis en la fuente de calor concentrada sobre la superficie de la pieza. El modelo de fuente de calor es una representación matemática de la distribución temporal y espacial de la energía térmica sobre la superficie de la pieza de trabajo. Durante las simulaciones numéricas que involucran la irradiación láser, se pueden incorporar la radiación térmica y la transferencia de calor por convección como condiciones interactivas dentro de posiciones específicas del modelo. De este modo, el modelo abstracto de la fuente de calor se formula como una ecuación matemática y se incorpora como una carga térmica en los modelos de elementos finitos.

En el caso de un modelo de fuente térmica plana gaussiana, los resultados de la investigación indican que, cuando la profundidad de fusión es poco profunda, la densidad del flujo térmico sobre la superficie calentada exhibe una distribución gaussiana característica. Esta distribución se puede describir de manera precisa mediante una función de distribución gaussiana. En la ecuación, $q(r)$ representa la densidad de flujo térmico en una distancia radial $r$ desde el eje central de la fuente de calor; $q_m$ es la densidad máxima de flujo térmico en el centro de la fuente; $C$ es el coeficiente de concentración que controla el flujo térmico; y $r$ es la distancia radial medida desde el eje central de la fuente de calor. De acuerdo con el principio de conservación de energía, la energía efectiva $\Phi$ transferida a la pieza de trabajo se puede representar matemáticamente mediante la integración de la función que denota la densidad de flujo térmico.

Otro modelo volumétrico utilizado es el modelo de fuente de calor elipsoidal. Este modelo exhibe una forma espacial elipsoidal, y su función de distribución de calor puede representarse matemáticamente mediante tres semiejes $a$, $b$ y $c$, que corresponden a las direcciones de un cuerpo elipsoidal. Los resultados de simulaciones numéricas de la función de distribución de temperatura del cuerpo elipsoidal se compararon con resultados experimentales, observándose una discrepancia en la tasa de cambio de temperatura entre la mitad anterior y la posterior del elipsoide. Esta diferencia se resolvió mediante la propuesta de un modelo de fuente de calor volumétrica doble elipsoidal.

En el caso de procesos de mecanizado asistido por láser, el láser generalmente se posiciona sobre la superficie de la pieza de trabajo, lo que permite llevar a cabo el análisis de simulación utilizando un modelo de fuente de calor gaussiana plana. Este tipo de modelo es adecuado para escenarios donde la irradiación térmica no penetra profundamente en la pieza, y se enfoca en la distribución superficial del calor.

La ley de Fourier, que describe la conducción del calor, establece la relación entre la temperatura ($T$) en un punto, el tiempo ($t$), el coeficiente de conductividad térmica ($K$), la capacidad calorífica específica ($c$), la densidad ($\rho$) y la densidad de flujo térmico ($q$). Además, durante el proceso de calentamiento por láser, los flujos de gas sobre la superficie de la pieza de trabajo inducen transferencia de calor por convección, lo que se modela mediante una ecuación para determinar la densidad de flujo térmico convectivo. A su vez, la transferencia de calor radiativo, que ocurre cuando un objeto alcanza el equilibrio térmico con su entorno, también juega un papel importante. La ley de Stefan-Boltzmann describe cómo la densidad de flujo térmico radiativo ($q_r$) está relacionada con la temperatura de la superficie del objeto.

Es fundamental entender que, aunque los modelos de fuente de calor pueden simplificarse en procesos donde se desestiman algunos factores, como la absorción inicial del láser por el material, la precisión en la representación de la geometría y las condiciones de frontera en las simulaciones es vital para obtener resultados realistas y aplicables. Además, en la práctica, es común combinar varios modelos de fuente de calor según el tipo de proceso y las características de la pieza de trabajo, como su espesor, propiedades térmicas y la geometría de la irradiación.

¿Cómo influye el enfriamiento criogénico en el desgaste de herramientas y la calidad de la superficie en el mecanizado de metales?

El estudio de la rugosidad superficial ha demostrado ser uno de los aspectos más significativos al evaluar el rendimiento de las herramientas en el mecanizado de metales. Uno de los factores determinantes en este proceso es el enfriamiento criogénico, que, al emplear nitrógeno líquido (LN2) u otros agentes criogénicos, contribuye notablemente a la reducción del desgaste de las herramientas, lo que también influye positivamente en la calidad de la superficie obtenida.

Otro aspecto crucial observado por Das et al. [97] fue la estrategia híbrida que combinaba LN2 con un refrigerante basado en aceite vegetal (MQL). Este enfoque, utilizado en el torneado de alta velocidad de latón sin plomo, no solo extendió la vida útil de la herramienta, sino que también mejoró la calidad del mecanizado. Por otro lado, Laghari et al. [98] confirmaron que el uso de MQL y CO2 en el fresado de SiCp/Al (un compuesto de aluminio reforzado con partículas de carburo de silicio) permitió reducir significativamente el desgaste de la herramienta y mejorar la eficiencia del proceso de corte.

La mejora en la durabilidad de las herramientas gracias al enfriamiento criogénico no solo se limita a las operaciones de torneado y fresado. En el caso del taladrado de apilamientos de CFRP-Ti–6Al–4V, Rodríguez et al. [102] encontraron que el uso de CO2 criogénico ayudó a mantener la integridad de la superficie del CFRP, redujo la temperatura de la punta de la herramienta y disminuyó el desgaste de la herramienta. Esta reducción en la temperatura de corte, confirmada por Kumar et al. [104], permitió disminuir la temperatura de mecanizado en un 33-50% durante el taladrado de titanio, lo que resulta en un proceso más estable y con menos posibilidades de fallos prematuros de las herramientas.

El uso de energías asistidas por electricidad, como en la electroquímica y la descarga de alta energía, facilita la remoción de material sin necesidad de fuerzas de corte macroscópicas, lo que minimiza el desgaste de las herramientas. Este fenómeno ha sido ampliamente investigado en la electroquímica de mecanizado por Fu et al. [107], quienes modelaron y simularon el comportamiento de la corriente en los procesos de mecanizado electroquímico, obteniendo así parámetros más precisos para el diseño de herramientas. Estas tecnologías no solo permiten un mayor control sobre las características del material procesado, sino que también mejoran la eficiencia de los procesos de mecanizado, especialmente al tratar materiales difíciles de cortar.

Es importante destacar que, además de la elección del tipo de enfriamiento y las técnicas de corte avanzadas, la selección de los parámetros de corte adecuados también juega un papel crucial en la optimización del proceso de mecanizado. La temperatura en la zona de corte, la lubricación, la velocidad de corte y la estrategia de enfriamiento deben ser cuidadosamente combinados para maximizar la vida útil de las herramientas y minimizar los defectos en la superficie procesada. Así, un enfoque integral que contemple tanto las propiedades del material como las condiciones de trabajo puede llevar a un mecanizado más eficiente y rentable.