La brecha de absorción en los revestimientos modernos

En el ámbito de la deposición dirigida de energía (DED) y el recubrimiento láser, la industria se ha topado con un obstáculo en cuanto a los materiales. Si bien las fuentes infrarrojas (IR) estándar manejan el acero y el titanio sin esfuerzo, el aumento de la demanda de aleaciones de cobre y oro, impulsado por los mercados de los vehículos eléctricos y los intercambiadores de calor aeroespaciales, ha puesto de manifiesto las limitaciones de las fuentes tradicionales de 1064 nm.

La física es implacable. A 1 µm (infrarrojo), los metales altamente reflectantes como el cobre absorben menos del 51 % de la energía incidente a temperatura ambiente. Para compensar, los operadores aumentan peligrosamente la potencia de sus módulo láser de diodo, lo que provoca una turbulencia excesiva en el baño de fusión y “salpicaduras”. La solución que está ganando terreno en 2024 y 2025 no es solo más potencia, sino un cambio fundamental en la longitud de onda: la Azul Diodo láser acoplado a fibra.

La ventaja de la longitud de onda: azul frente a infrarrojo

Para los ingenieros que buscan un módulo láser de fibra, es fundamental comprender la curva del coeficiente de absorción.

$$A(\lambda) = 1 – R(\lambda)$$

Donde $A$ es la absorción y $R$ es la reflectividad.

• IR (1064 nm) sobre cobre: $\aprox. 5\%$ Absorción.
• Azul (450 nm) sobre cobre: $\aprox. 65\%$ Absorción.

Mediante el uso de un azul de alta potencia láser acoplado por fibra diodo, los fabricantes pueden iniciar el baño de fusión con una fracción de la densidad energética que requieren los sistemas IR. Esto da como resultado una soldadura estable y limitada por conducción, en lugar de un modo caótico de ojo de cerradura.

Caso práctico: El avance revolucionario de la turbina de Cincinnati

Ubicación: Cincinnati, Ohio, EE. UU.

Empresa: AeroBlade Dynamics (proveedor de servicios de mantenimiento, reparación y revisión de motores aeronáuticos)

Fecha: enero de 2024 – agosto de 2024

Asunto: Sarah Jenkins, jefa de ingeniería, y el reto del “Inconel-Cobre”

Dinámica AeroBlade Se especializa en la reparación de álabes de turbinas de alta presión. En 2023, consiguió un contrato para reparar cámaras de combustión de motores de cohetes fabricadas con una aleación patentada de cobre, cromo y niobio.

El problema:

Su fibra IR existente de 4 kW sistema de módulo láser estaba fallando. Para fundir el cobre, tenían que hacer funcionar el láser a una capacidad de 90%. Esta alta intensidad provocaba que el polvo de cobre se vaporizara de forma explosiva antes de asentarse, lo que daba lugar a una tasa de porosidad de 8% en las capas de revestimiento, algo inaceptable para el hardware de vuelo aeroespacial.

La solución:

Sarah Jenkins encabezó la integración de un híbrido. Módulo láser de diodo sistema. Esta configuración personalizada combinaba:

1. Azul de 2 kW (450 nm) acoplado por fibra diodo láser (para humedecer la superficie).
2. Un diodo IR (976 nm) de 2 kW (para proporcionar un calentamiento profundo).

La implementación:

Los haces se combinaron en una única fibra de 600 µm. La luz azul se acopló eficazmente a la superficie de cobre, creando instantáneamente un baño de fusión. A continuación, la energía infrarroja mantuvo el baño, lo que permitió una deposición a alta velocidad.

El resultado (verificado en agosto de 2024):

1. Porosidad: Reducido de 81 TP3T a <0,11 TP3T (partes totalmente densas).
2. Velocidad: La velocidad de revestimiento aumentó en 300% (de 0,4 m/min a 1,2 m/min).
3. Eficiencia: El consumo total de energía eléctrica se redujo en 401 TP3T porque el proceso se basó en la eficiencia de absorción en lugar de en la fuerza bruta.

“Es como pasar de un mazo a un bisturí”, explicó Jenkins en un informe técnico presentado en RAPID + TCT. “El diodo azul precalienta la trayectoria óptica, allanando el camino para la energía infrarroja. Ya no tenemos que luchar contra la reflectividad”.”

Integración de módulos para sistemas híbridos

La construcción de un sistema DED híbrido requiere sofisticados módulo láser de diodo Selección. No se pueden simplemente empalmar fibras.

1. Arquitecturas de combinación de haces

Para mezclar longitudes de onda (por ejemplo, 450 nm + 976 nm), se necesita un combinador de haz dicroico dentro de la carcasa del módulo.

• Eficiencia de transmisión: Los módulos de alta calidad alcanzan una eficiencia superior a 98% en la óptica del combinador.
• Refrigeración: El combinador absorbe luz difusa y requiere refrigeración activa. Si el módulo láser de fibra Carece de control interno de la temperatura del combinador, por lo que el desplazamiento térmico desalineará los haces.

2. Diámetro del núcleo de fibra y densidad del haz

En el caso del revestimiento, el “brillo” (potencia por unidad de superficie/ángulo sólido) es menos importante que en el corte, pero la uniformidad es fundamental.

$$Densidad de potencia (E) = \frac{P}{\pi \cdot r^2}$$

Acoplado por fibra diodo láser con un núcleo de fibra rectangular o cuadrado (fibra de núcleo cuadrado) es cada vez más preferido para el revestimiento. Un haz circular se superpone excesivamente en el centro durante el escaneo por trama, lo que provoca una acumulación de calor. Un haz cuadrado proporciona una “alfombra” de calor perfectamente uniforme, lo que reduce la tensión residual en la pieza impresa.

3. Aislamiento de reflexión trasera

Cuando se procesa cobre con alta potencia, la reflexión trasera es intensa. El módulo láser de diodo deben estar equipados con recubrimientos específicos en las lentes colimadoras para impedir que la luz de 450 nm vuelva a los emisores de 976 nm, y viceversa. Los recubrimientos antirreflectantes (AR) estándar son insuficientes; es obligatorio utilizar recubrimientos de doble banda personalizados.

Conclusión

El futuro de la fabricación aditiva metálica reside en la versatilidad de los materiales. El enfoque de “un láser para todo” ha quedado obsoleto. Al adoptar longitudes de onda específicas... diodo láser acoplado a fibra tecnología, concretamente los sistemas híbridos Blue/IR, los fabricantes pueden procesar metales reflectantes con la misma facilidad que el acero. Para talleres de MRO como Dinámica AeroBlade, No se trata solo de calidad, sino de abrir nuevas fuentes de ingresos en los sectores espacial y de vehículos eléctricos.

¿Su motor óptico está optimizado para los materiales del futuro o sigue luchando contra la reflectividad?