Smart Fusion - Control de bucle de realimentación
para microestructuras homogéneas
24 de marzo de 2025 | Tiempo de lectura: 7 min | Autor: Tobias Novotny, Narges Mirzabeigi, Dominik Kunz, Ulrich Kleinhans
El sobrecalentamiento es un reto importante en la fusión de metales en lecho de polvo por láser (PBF-LB/M) que afecta a la capacidad de construcción de características complejas y voladizos planos, a la calidad de las superficies descendentes y a las propiedades de los materiales de las piezas acabadas. Aunque ya hemos demostrado en el pasado cómo Smart Fusionnuestro sistema de control de bucle de realimentación, puede reducir la necesidad de estructuras de soporte, este artículo pretende mostrar su efecto sobre la historia térmica y la formación de microestructuras. En colaboración con el Instituto de Tecnologías Fotónicas (LPT), hemos comparado procesos estándar de bucle abierto con procesos de bucle cerrado Smart Fusion en geometrías que provocan acumulación de calor. Descubrimos que Smart Fusion mejora significativamente la homogeneidad de las microestructuras y la dureza al garantizar una firma térmica consistente durante toda la construcción.
Fundamentos del sobrecalentamiento y Smart Fusion
En PBF-LB/M, el láser suministra energía repetidamente a la pieza con cada capa. Si la energía no puede transferirse fuera de la zona de proceso lo suficiente, el calor se acumulará durante la fabricación y acabará provocando un sobrecalentamiento. Los ingenieros de aplicaciones FA son muy conscientes de los riesgos de sobrecalentamiento y siempre han tenido opciones a su disposición para mitigar su efecto.
Entre los métodos habituales para hacer frente al sobrecalentamiento se incluyen:
- añadir tiempos de espera, por ejemplo, tiempos mínimos de capa o de vector para un mayor tiempo de enfriamiento
- utilizar más estructuras de soporte para una mejor conducción del calor hacia la placa de impresión
- reducir el consumo de energía del proceso, por ejemplo, reduciendo la potencia del láser
Sin embargo, los tiempos de espera y el aumento del volumen de soporte conllevan tiempos de construcción más largos y costes de pieza más elevados, mientras que un parámetro con un aporte de energía reducido puede comprometer la densidad de la pieza. Se necesita una solución diferente.
La figura 1 muestra algunos ejemplos de trabajos de construcción con características geométricas comunes propensas al sobrecalentamiento y la correspondiente firma térmica con y sin Smart Fusion.
En geometrías complejas, como el soporte AlSi10Mg, se produce una acumulación de calor donde los salientes o las pequeñas características restringen el flujo de calor. Para lograr condiciones estables, es necesario reducir la potencia del láser en esas regiones.
En los trabajos de fabricación con áreas de exposición pequeñas y, por tanto, tiempos de capa cortos, como el trabajo de inserción de herramientas MS1, el calor suele acumularse de capa en capa. El resultado es un aumento de la temperatura de la superficie de la pieza hasta que se alcanza un equilibrio. Por lo tanto, se requiere una reducción gradual de la entrada de energía a lo largo de la altura de construcción.
Lo ideal es que el aporte de energía se ajuste dinámicamente en función de la geometría de la pieza y de la carga del trabajo de construcción (es decir, del tiempo de capa). Esto debe hacerse de forma que las condiciones térmicas de la pieza permanezcan estables.
Una posible solución consiste en medir las firmas térmicas durante el trabajo de construcción y utilizar un controlador para regular la entrada de energía localmente basándose en los datos de medición adquiridos. Nuestro sistema de control de bucle cerrado, Smart Fusion, supervisa los valores de gris registrados por tomografía óptica (EOS Exposure OT), los compara con un valor de gris objetivo específico del material y del proceso, y ajusta la potencia del láser en consecuencia a nivel de microvector en la capa siguiente.
La figura 2 ilustra el principio de funcionamiento de Smart Fusionusion. La diferencia que marca Smart Fusion usion es inmediatamente visible al observar el aspecto del proceso.
El siguiente vídeo muestra la exposición de una capa ejemplar para una geometría desafiante utilizando Smart Fusion y un proceso estándar de bucle abierto para su comparación. La figura 3 muestra esta geometría e instantáneas comparativas de los dos procesos.
Para mostrar los efectos del sobrecalentamiento en este estudio, se seleccionó una geometría de prueba consistente en tres conos invertidos ("demostrador de acumulación de calor"), que también se había utilizado en estudios anteriores. En este demostrador, el calor se acumulaba rápidamente en los conos debido a los finos cilindros de conexión que actúan como cuello de botella térmico. Sin Smart Fusion , esto da lugar a superficies de piezas calientes incandescentes visibles durante un largo periodo de tiempo después de que la pieza quede expuesta.
Aunque nuestros parámetros de proceso estándar son resistentes al sobrecalentamiento, representan el mejor compromiso de muchos factores y, por tanto, no son ideales para geometrías extremas o tiempos de capa excesivamente cortos. El uso de la firma del proceso (es decir, el GV medio) que suelen producir estos parámetros de proceso como objetivo de Smart Fusion garantiza los resultados ideales, incluso para piezas muy complejas.
Historia térmica y su efecto en la microestructura
Las piezas procesadas mediante PBF-LB/M experimentan un historial térmico único definido por velocidades de enfriamiento extremadamente rápidas en el baño de fusión y el recalentamiento cíclico del material previamente solidificado cuando se exponen los vectores de barrido adyacentes y las capas posteriores. Cuando se produce el sobrecalentamiento, tanto los cambios en el enfriamiento inicial como el posterior mantenimiento a temperaturas elevadas afectan a la evolución de la microestructura.
La temperatura superficial de la capa anterior solidificada del material determina la temperatura a la que puede enfriarse la capa actual de material. Si estas temperaturas alcanzan niveles en los que se producen cambios de fase, como la temperatura de inicio de la martensita (Ms) para los aceros, la composición de fase as-built puede verse afectada significativamente. Si la transformación en martensita se suprime inicialmente o no puede finalizar por completo, pueden observarse niveles más altos de austenita retenida, lo que se traduce en una reducción de la dureza.
El endurecimiento por precipitación durante el proceso puede producirse si se mantienen temperaturas elevadas en una región de una pieza durante el tiempo suficiente. Por lo tanto, los tiempos de capa pueden ser críticos para la formación de precipitados durante el proceso y es probable que la precipitación cambie dependiendo de las condiciones actuales en la construcción. La precipitación local da lugar a una dureza no homogénea y a un aumento potencial de la fragilidad.
A temperaturas elevadas, las estructuras de solidificación típicas formadas en PBF-LB/M, como la red rica en Si en AlSi10Mg, empiezan a engrosarse o incluso a disolverse. Esto puede reducir significativamente la resistencia de la pieza (hasta un 44% de pérdida de dureza en las pruebas).
Una fuerte acumulación de calor puede provocar un revenido del material ya solidificado en el proceso. En geometrías desafiantes fabricadas con Ti6Al4V, se observó martensita revenida, que era más gruesa y de aspecto más torcido, en lugar de la martensita acicular tradicional.
El recalentamiento cíclico de las capas posteriores también afecta a la microestructura al "templar" el material ya solidificado. Las diferencias entre la capa superior y el resto de la estructura suelen atribuirse a este efecto. El sobrecalentamiento puede afectar al resultado del recalentamiento cíclico, ya que puede ser necesario un enfriamiento entre capas para que se produzca el efecto de templado.
En general, unas condiciones térmicas incoherentes durante el proceso de fabricación pueden provocar cambios microestructurales locales y las correspondientes variaciones en las propiedades mecánicas. Estos cambios pueden dar lugar a desviaciones inesperadas en las propiedades al comparar las muestras de prueba con las piezas reales y requerir pasos adicionales de tratamiento térmico (por ejemplo, tratamiento en solución) para resolverlos.
Propiedades más homogéneas en EOS MaragingSteel MS1 con Smart Fusion
A estas alturas, las microestructuras típicas de los materiales PBF-LB/M más comunes son bien conocidas. A modo de ejemplo, la Figura 6 muestra algunas características de la microestructura as-built de EOS MaragingSteel MS1 (similar a 1.2709).
El grabado revela un patrón de baño de fusión en forma de escama de pez con claros límites de baño de fusión. En las imágenes detalladas se aprecian grupos de láminas de martensita. La MS1 es típicamente martensítica en estado bruto con una pequeña fracción de volumen de austenita retenida. A mayores aumentos bajo el microscopio electrónico de barrido, se hacen visibles las estructuras de solidificación celular y columnar.
La figura 7 compara la microestructura de un demostrador de acumulación de calor con y sin Smart Fusion.
Cuando Smart Fusion está activado, se observa una respuesta de ataque consistente en toda la muestra. Por el contrario, en la muestra sin Smart Fusion Fusion, se observa una región de grabado oscura por encima del cuello de botella térmico, en lugar de la respuesta de grabado brillante tradicional. En una inspección más detallada, se observa una descomposición parcial de las estructuras de solidificación celular. La dureza fue significativamente mayor en la región de grabado oscuro, alcanzando niveles de hasta 540 HV (más de 100 HV por encima de lo habitual). Esto indica que se produce una importante precipitación in situ.
Para evitar el contacto de la recubridora con los bordes curvados de la pieza sobrecalentada sin Smart Fusion Fusion, en este trabajo de fabricación se utilizó un tiempo de exposición mínimo de 40 s. Con Smart Fusion usion activado, también fue posible fabricar la pieza sin necesidad de tiempos de espera. La figura 8 muestra una micrografía, así como una comparación del perfil de dureza entre los distintos ajustes.
Las micrografías demuestran que, incluso sin tiempos mínimos de capa, el bucle de realimentación puede controlar eficazmente las condiciones térmicas y producir una pieza muy densa. Además, se consiguió una dureza excepcionalmente uniforme a lo largo de la altura de construcción. La falta de tiempo de espera entre capas probablemente evitó la formación de precipitados, que pueden producirse cuando el material se atempera con las capas posteriores.
Conclusión
El sobrecalentamiento durante el proceso PBF-LB/M provoca alteraciones significativas en las microestructuras en función de la geometría de la pieza y los tiempos de capa. Smart Fusion garantiza un perfil térmico homogéneo incluso en las condiciones más difíciles. Al reducir el aporte de energía sólo cuando es necesario de forma dinámica, se consiguen propiedades más homogéneas sin pérdida de productividad para MS1 y Ti6Al4V.
Nuestros resultados muestran que Smart Fusion es especialmente relevante para:
- Microestructuras más consistentes para piezas complejas con flujo de calor restringido
- Microestructuras más consistentes para cargas de trabajo de baja construcción con tiempos de capa mínimos reducidos o inexistentes.
- Tratamientos térmicos que conservan en cierta medida la microestructura original (como el envejecimiento directo).
- Exploración de microestructuras y propiedades a medida
¿Cómo afecta Smart Fusion Fusion a las microestructuras de otros materiales? Realizamos continuamente pruebas exhaustivas sobre el comportamiento de Smart Fusion con nuestros distintos materiales. No dude en ponerse en contacto con nosotros.
Fuentes y lecturas complementarias:
Nahr F, Novotny T, Kunz D, Kleinhans U, Chechik L, Bartels D, Schmidt, M. Advanced process control in laser-based powder bed fusion–Smart Fusion feedback-loop control as a path to uniform properties for complex structures?. JMRT 2025;34:604-618. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.12.014.
Nahr F, Rasch M, Burkhardt C, Renner J, Baumgärtner B, Hausotte T, et al. Geometrical influence on material properties for Ti6Al4V parts in powder bed fusion. JMMP 2023;7(3):82. https://doi.org/10.3390/jmmp7030082.
Yağmur, A, Pääkkönen, I, Miles, A. The Hitchhiker’s Guide to Smart Fusion. 2023. https://3d.eos.info/eguide-smart-fusion
Kürnsteiner P, Wilms MB, Weisheit A, Gault B, Jägle EA, Raabe D. High-strength Damascus steel by additive manufacturing. Nature 2020;582(7813):515–9. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2409-3.
Mohr G, Altenburg SJ, Hilgenberg K. Effects of inter layer time and build height on resulting properties of 316L stainless steel processed by laser powder bed fusion. Addit Manuf 2020;32:101080. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101080
Bartels D, Albert ME, Nahr F, Schmidt M. On the influence of volumetric energy density and inter-layer time on the material properties of case-hardening steels. Alloys 2023;2(3):168–83. https://doi.org/10.3390/alloys2030013.
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