El uso de técnicas de fresado asistido por láser ha revolucionado el proceso de mecanizado, especialmente en materiales difíciles de cortar como cerámicas, aleaciones y materiales compuestos. Al integrar el láser con los procesos de fresado, se consigue mejorar la eficiencia y la precisión, reduciendo el desgaste de las herramientas y mejorando la calidad superficial de los productos finales. El láser facilita la modificación térmica y oxidativa de los materiales, lo que puede transformar su estructura y comportamiento frente a las herramientas de corte.

Un ejemplo claro de estas aplicaciones es el fresado asistido por láser de cerámicas de nitruro de silicio (Si₃N₄), donde se han observado mejoras notables en la reducción de los defectos de bordes y el aumento de la vida útil de las herramientas. Al combinar la energía térmica del láser con el fresado, se mejora la maquinabilidad de materiales tradicionalmente difíciles de procesar, como los cerámicos basados en ZnO y los compuestos SiC/Al. El proceso también permite el control preciso de la temperatura en el área de corte, lo cual es fundamental para evitar la formación de microfisuras o la pérdida de propiedades mecánicas del material.

La oxidación inducida por láser es otra técnica clave que ha sido ampliamente estudiada. Este proceso facilita la creación de microestructuras en materiales como aleaciones de Inconel 718 y titanio Ti6Al4V, mejorando la capacidad de los materiales para formar micro-surcos de alta relación de aspecto, lo que es esencial para aplicaciones en la industria aeroespacial y de precisión. La oxidación no solo afecta la superficie del material, sino que también modifica la estructura interna, mejorando la resistencia a la fatiga y la durabilidad de los componentes.

Sin embargo, para aprovechar al máximo estas técnicas, es necesario comprender los desafíos asociados con la implementación del fresado asistido por láser. Uno de los principales obstáculos es el control de la temperatura en la zona de corte. Un calentamiento excesivo puede provocar la deformación térmica de los materiales, mientras que un enfriamiento insuficiente puede resultar en un desgaste prematuro de las herramientas. La implementación de estrategias de enfriamiento adecuadas, como la refrigeración con gas criogénico o la lubricación mínima, ha demostrado ser eficaz para optimizar la eficiencia y la calidad del proceso.

En cuanto a la integración del fresado asistido por láser con otras técnicas, como la vibración ultrasónica y el mecanizado por chorro de gas, se han obtenido resultados prometedores. La vibración asistida, por ejemplo, ayuda a reducir el efecto de "ploughing" (raspado) en materiales como el titanio Ti6Al4V, lo que mejora el acabado superficial y disminuye el esfuerzo de corte. Además, la combinación de la tecnología láser con la refrigeración criogénica permite una mayor precisión en el fresado de materiales compuestos, como el SiC/Al, reduciendo el desgaste de las herramientas y mejorando la calidad superficial.

Es importante destacar que el mecanizado asistido por láser no solo mejora la eficiencia del proceso, sino que también extiende la vida útil de las herramientas, reduce el tiempo de ciclo y minimiza el impacto ambiental al reducir la necesidad de refrigerantes tradicionales. Sin embargo, para aprovechar todos estos beneficios, los investigadores continúan estudiando la interacción compleja entre el láser, las propiedades del material y las condiciones de corte, para poder predecir y controlar con mayor precisión los resultados del proceso.

La aplicación de estas tecnologías en la industria no se limita solo al sector aeroespacial. El fresado asistido por láser ha demostrado su efectividad en una variedad de otros campos, incluyendo la fabricación de componentes electrónicos, automotrices y biomédicos. Cada uno de estos sectores requiere características específicas de los materiales y las técnicas de mecanizado, lo que hace que el fresado asistido por láser sea una solución versátil y adaptable para una amplia gama de aplicaciones industriales.

En resumen, el fresado asistido por láser se ha consolidado como una tecnología avanzada que optimiza el mecanizado de materiales complejos y difíciles de procesar. La clave para su éxito radica en la capacidad de controlar y manipular las propiedades del material a nivel microscópico, lo que permite obtener piezas de alta calidad y precisión. La investigación y desarrollo continuo en este campo prometen aún mayores avances, ampliando las posibilidades de su implementación en diversas industrias.

¿Cómo se distribuye la temperatura en materiales bajo irradiación láser?

Durante el calentamiento por láser, el calor intercambiado a través de la radiación térmica puede cuantificarse utilizando la siguiente ecuación cuando una pieza de trabajo a temperatura T experimenta un enfriamiento en un ambiente con temperatura ambiente Tf. Cuando la temperatura de la superficie de la pieza de trabajo se mantiene por debajo de los 600 K, la transferencia de calor por convección predomina como el modo principal de disipación del calor. Sin embargo, a temperaturas más altas, la radiación térmica se convierte en el mecanismo predominante para la pérdida de calor. Por ejemplo, cuando la temperatura supera los 1200 K, la radiación térmica representa aproximadamente el 85 % del calor disipado en total. El modelo transitorio de transferencia de calor tridimensional bajo irradiación láser puede ser representado matemáticamente mediante las ecuaciones (2.15-2.18).

El objetivo de este estudio es simular la distribución de temperatura en la superficie del material Ti–6Al–4V durante la irradiación láser, teniendo en cuenta su difícil maquinabilidad como una característica representativa. El diagrama de flujo del análisis de elementos finitos para el campo de temperatura superficial en piezas de trabajo bajo irradiación láser se ilustra en la figura correspondiente. Para iniciar la configuración del modelo en COMSOL, se accede al Asistente de Modelos y se opta por dimensiones espaciales tridimensionales. Luego, se navega a Transferencia de Calor en Sólidos dentro del módulo de Transferencia de Calor y se selecciona Estudio Transitorio. Los parámetros del láser, como la potencia, el radio del haz láser y la velocidad de escaneo del láser, se configuran en la tabla de parámetros.

Es importante señalar que el material debe seleccionarse de la biblioteca de materiales (tomando Ti–6Al–4V como ejemplo ilustrativo). Después, es imperativo verificar si los parámetros del material elegido coinciden con las especificaciones requeridas. En caso de inconsistencias, se pueden realizar ajustes según los parámetros seleccionados para el material. Los estudios de simulación numérica precisos y confiables dependen en gran medida de los parámetros del material, que juegan un papel crucial al proporcionar una descripción completa de los diversos fenómenos que ocurren durante el proceso de fabricación. En el caso del material Ti–6Al–4V, sus parámetros termodinámicos determinan la distribución de temperatura bajo el calentamiento por láser, siendo la conductividad térmica y la capacidad calorífica específicos dos factores vitales. Al igual que otros materiales metálicos, tanto la conductividad térmica como la capacidad calorífica de Ti–6Al–4V exhiben dependencia con la temperatura.

Los parámetros adicionales de Ti–6Al–4V y Inconel 718 se presentan en tablas específicas. El modelo de fuente térmica se establece mediante la adición de una función analítica en la definición y la fórmula del modelo de fuente de calor en la expresión correspondiente. Tomando la fuente de calor superficial Gaussiana como ejemplo, se configuran los argumentos, unidades e intervalos pertinentes. Posteriormente, se establece el modelo de transferencia de calor sólido, introduciendo un flujo de calor generalizado para representar la fuente de calor. Se selecciona la superficie superior como la frontera donde se debe incorporar la tasa absorbida de energía láser por la pieza de trabajo como un parámetro de corrección para la adición de calor. Además, se considera el flujo térmico convectivo introduciendo un flujo de calor adicional y configurándolo en todas las superficies, excepto en la superficie inferior que permanece térmicamente aislada por defecto.

El modelo está caracterizado por dimensiones de 20 mm × 10 mm × 2 mm (longitud × ancho × altura) y emplea elementos hexaédricos de transferencia de calor lineales para la malla. La estrategia de división de la malla considera tanto la precisión de la solución como el tiempo computacional, utilizando una técnica de refinamiento de malla local. En particular, el modelo se divide en dos partes, con la sección central de 20 mm × 3 mm siendo la principal afectada por el calentamiento láser y mostrando un aumento significativo de temperatura. Por lo tanto, se emplea una malla fina y densa en esta área específica para asegurar una representación precisa. En contraste, las secciones restantes experimentan aumentos de temperatura relativamente menores durante el calentamiento láser; por lo tanto, una configuración de malla más dispersa es suficiente para estas áreas.

Después de asignar las propiedades del material a la pieza de trabajo, se aplican la transferencia de calor por convección y la radiación térmica en la superficie de la pieza de trabajo según las condiciones reales de trabajo. Posteriormente, se impone una carga de flujo de calor sobre la superficie calentada. La temperatura inicial del modelo se establece en 20 °C, correspondiente a la temperatura ambiente. La fuente de calor láser en movimiento se implementa en el software COMSOL utilizando una función analítica. Dentro de esta función, se definen la posición inicial del láser, la densidad de energía, la velocidad de movimiento y la función de distribución Gaussiana para lograr una carga precisa de calor láser sobre las piezas de trabajo de aleación de titanio. Una vez completados estos pasos de preprocesamiento, se puede proceder con el cálculo.

En el procedimiento de procesamiento láser, varios parámetros del proceso, como la potencia del láser y el diámetro del punto, ejercen una influencia significativa en el resultado del procesamiento láser. Estos parámetros de proceso se correlacionan principalmente con la densidad de energía del láser, como se demuestra en la ecuación correspondiente. Cuando se considera una potencia láser de 500 W, una velocidad de escaneo de 40 m/min y un diámetro de punto de 0.8 mm, se ilustra la distribución de los campos de temperatura. Es evidente que la temperatura más alta se observa en el punto focal del haz láser, con un importante gradiente térmico a su alrededor.

Para validar la fiabilidad del modelo de simulación de elementos finitos para la distribución de temperatura en materiales bajo irradiación láser, este estudio realiza un análisis comparativo entre las mediciones experimentales de temperatura y los resultados de simulación. Se emplea el método de termometría infrarroja en este experimento, utilizando una cámara térmica infrarroja con un rango máximo de 1500 °C y una precisión del sistema de ±2 °C. Teniendo en cuenta el grosor de la pieza de trabajo probada, la transferencia de calor desde su superficie hasta la parte inferior se reduce algo durante la irradiación láser. Por lo tanto, se considera que el uso de una cámara térmica infrarroja para la prueba de la pieza de trabajo es factible.

¿Cómo mejora el mecanizado de aleaciones difíciles de cortar con el uso de láser?

Las aleaciones difíciles de mecanizar, como las superaleaciones a base de níquel y las aleaciones basadas en titanio, presentan un desafío considerable debido a su alta dureza y tendencia al endurecimiento por trabajo durante el proceso de mecanizado. Estos materiales, que incluyen aleaciones como el Inconel 718, tienen un gradiente térmico pronunciado y una notable resistencia a la deformación plástica cuando se les somete a procesos de corte. Sin embargo, la asistencia de láser durante el torneado y el fresado ofrece una solución para mejorar la maquinabilidad de estos materiales, al proporcionar un efecto de ablandamiento térmico que reduce la dureza y, por ende, facilita su corte.

En el caso específico del Inconel 718, un tratamiento de solución o recocido junto con el calentamiento por láser puede reducir significativamente la dureza base del material. Tras el proceso de torneado asistido por láser (LAT), la dureza final del Inconel 718 disminuye en un 41,2% en comparación con el mecanizado convencional, acercándose a la dureza de una aleación de Inconel 718 recocida. Este ablandamiento térmico hace que el material sea más fácil de mecanizar, lo que resulta en una menor fuerza de corte y menor desgaste de la herramienta. El proceso también mitiga los efectos del endurecimiento por trabajo, lo que mejora la eficiencia general del corte. Es importante destacar que, aunque el proceso de torneado asistido por láser no siempre mejora la eficiencia de manera significativa sobre el torneado convencional, el potencial de mejora en términos de desgaste de la herramienta y calidad de la superficie es considerable.

En el fresado asistido por láser (LAMill), el principio de funcionamiento es similar, utilizando el láser para calentar localmente la zona de trabajo antes de que el corte ocurra. Este calentamiento reduce la resistencia del material, lo que facilita el proceso de corte y mejora el rendimiento del fresado. En particular, el fresado asistido por láser puede reducir la fuerza de corte, prolongar la vida útil de la herramienta y mejorar la tasa de eliminación de material, al tiempo que disminuye el consumo de energía y los costos de fabricación. Este proceso es especialmente eficaz en materiales de alta temperatura, como las aleaciones de titanio y níquel, y materiales con un alto contenido abrasivo, como las aleaciones de aluminio.

En el campo del micro-mecanizado, el fresado asistido por láser se combina con técnicas avanzadas, como el fresado micro-mecánico asistido por láser (LAMM), para abordar los desafíos planteados por la dureza de las aleaciones difíciles de cortar y la baja rigidez de las herramientas de corte a microescala. Este enfoque no solo mejora la precisión dimensional de las características de corte, sino que también extiende la vida útil de las herramientas, lo que permite un aumento significativo en la tasa de eliminación de material.

Una variante más reciente en el micro-mecanizado asistido por láser es el fresado micro-mecánico asistido por oxidación inducida por láser (LOMM), que utiliza un láser de pulso nanosegundo para inducir una reacción de oxidación en la superficie del material, formando una capa de óxido que puede ser removida con menos fuerza de corte y menor desgaste de la herramienta. Este método ha mostrado ser efectivo en la fabricación de micro-grooves en aleaciones de titanio y otros materiales difíciles de cortar, proporcionando una mejor calidad superficial y reduciendo el tamaño de las rebabas.

La relación entre la temperatura del material y la fuerza de corte es crítica en estos procesos. El calentamiento del material con láser disminuye su resistencia al corte, lo que reduce la cantidad de energía necesaria para la deformación plástica del material. La cantidad de suavizado del material depende de varios factores, como la potencia del láser, la velocidad de escaneo y la distancia entre el láser y la herramienta de corte. Al aumentar la potencia del láser, se intensifica el suavizado del material, lo que disminuye la temperatura de flujo de corte y, por lo tanto, reduce la fuerza de corte. Sin embargo, una mayor velocidad de escaneo puede disminuir el tiempo de calentamiento del material y, por lo tanto, limitar el efecto de suavizado, lo que resulta en un aumento en las fuerzas de corte y un desgaste mayor de la herramienta.

La investigación muestra que en el fresado asistido por láser de materiales como el acero AISI 1045 y el Inconel 718, las fuerzas de corte pueden reducirse considerablemente. En el caso del acero AISI 1045, se observó una disminución de hasta un 82% en la componente de fuerza de corte en la dirección Z en comparación con el mecanizado convencional. De manera similar, en el caso del Inconel 718, la componente de fuerza de corte en la dirección Y se redujo en un 38%, lo que evidencia la efectividad del proceso en la disminución de las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta.

A pesar de las ventajas que ofrece el fresado y torneado asistido por láser, la investigación en la mejora de estos procesos sigue siendo limitada. La optimización de la eficiencia en el mecanizado asistido por láser, especialmente en términos de tiempos de procesamiento y costos, sigue siendo un área activa de estudio. Aunque el uso del láser para reducir las fuerzas de corte y mejorar la calidad de la superficie es evidente, hay aún mucho por explorar para hacer estos procesos más eficientes y aplicables a una gama más amplia de materiales y condiciones de trabajo.

¿Cómo los Mezclados de Especias Definen las Cocinas de Asia del Sudeste?
¿Cómo enseñar a tu perro a abrir y cerrar puertas, y realizar tareas útiles en la casa?
¿Cómo influyen los adjetivos en la descripción en español?
¿Cómo la calidad del suelo afecta la revegetación en tierras mineras?
¿Cómo los inventos y descubrimientos del siglo XVIII revolucionaron la ciencia y la tecnología?
¿Cómo se configura la percepción global y mediática sobre Trump y su impacto en la política internacional?