Pulido láser

La literatura define la región SSM como formada debido al comportamiento dinámico del metal líquido a alta temperatura, que se introduce en microasperezas, rellenando esencialmente los valles presentes en la superficie. La profundidad del material fundido suele ser menor que la distancia entre picos y valles, la cual puede verse afectada por los parámetros del láser. ^{[ 3 ]} La imagen SEM citada muestra una superficie pulida con láser claramente distinguible, sin presentar efectos secundarios importantes en el material circundante, y puede utilizarse como referencia para comprender el mecanismo SSM.

Al aumentar la densidad de energía del haz láser a partir de cierto nivel, se modifica el comportamiento del baño de fusión o del material fundido. Con el aumento gradual del espesor del baño de fusión, este supera la distancia entre picos y valles (o la altura de las asperezas), convirtiendo así toda la superficie metálica en un baño de fusión. Una mayor densidad del láser provoca que el material fundido se separe del frente de solidificación, formando ondulaciones en la superficie metálica. ^{[ 4 ]}

Por lo tanto, el pulido láser con este mecanismo requiere un estudio exhaustivo del efecto de los parámetros del láser para reducir la ondulación en la superficie pulida final.

La superficie pulida con láser presenta una gran mejora en términos de rugosidad superficial promedio del material trabajado. Esto puede atribuirse a la distribución uniforme del baño de fusión durante la solidificación rápida, debido a la presencia de presión láser, gravedad y tensión superficial. La capa tratada se divide en 3 zonas principales: la capa refundida, la zona afectada por el calor y el material original de la pieza de trabajo. La capa refundida casi uniforme tiene granos más finos en comparación con el resto del material debido a la alta velocidad de enfriamiento. Esta reducción en el tamaño con respecto al original puede explicarse como resultado del anclaje de los límites de grano debido a la presencia de precipitados ya presentes o nuevos en el material fundido. ^{[ 5 ]} Los precipitados nuevos pueden brotar de la matriz del material o pueden ser inducidos por el entorno circundante.

Al descender por el material, se encuentra la zona afectada por el calor, que no está expuesta al rayo láser, pero sí por el baño de fusión formado en la superficie. El tamaño de grano es mayor que el de la capa superficial refundida, pero no tan grande como el tamaño de grano original que se encuentra al descender aún más en el material (típicamente en piezas fabricadas mediante manufactura aditiva).

La superficie pulida presenta un aumento significativo en la resistencia a la tracción , pero la elongación total (hasta la rotura) se reduce. Como caso de estudio, consideremos un compuesto polímero-metal con fibras de aluminio y PLA como matriz. ^{[ 6 ]} El estudio citado muestra un aumento en la resistencia a la tracción de 41,01 MPa a 50,47 MPa con una elongación máxima reducida de un 60,6 % inicial a un 33,2 %. Esto puede explicarse como resultado de la densificación y la mejora de la adhesión entre la matriz y los componentes de fibra. Por lo tanto, el resultado es una mayor rigidez y una menor ductilidad del material en la superficie pulida.

Para este caso específico, la pieza se fabrica mediante modelado por deposición fundida (FDM), un método de fabricación aditiva . Normalmente, todos los componentes fabricados aditivamente presentan defectos en su matriz, como porosidad gaseosa, espacios entre capas depositadas, laminación inconsistente de las capas y baja adhesión entre ellas. Todos estos términos tienen causas de formación relacionadas o no relacionadas que pueden estudiarse en profundidad, pero que quedan fuera del alcance de este resumen. Estos defectos se convierten en las fuentes de fallo u origen del daño ^{[ 6 ]} inducido en el material compuesto. Gracias al pulido láser, el comportamiento de fallo del material compuesto cambia debido al comportamiento elastoplástico combinado de la fibra y la matriz recién pulidas en la superficie de la pieza. Además, dado que el material superficial fundido fluye desde las crestas hacia los valles no rellenos, se eliminan muchos defectos. Esto también provoca la readhesión de la matriz-matriz y de la matriz-fibra, mejorando así la resistencia a la tracción y las propiedades mecánicas dinámicas al crear una estructura mucho más densa.

Esto se puede explicar matemáticamente mediante la regla de las mezclas , asumiendo una deformación constante para la matriz y el compuesto de fibra continua y evaluando la resistencia a la tracción para diferentes etapas encontradas en una curva de tensión-deformación del compuesto ^{[ 7 ].}

Otras mejoras que se pueden observar en la superficie pulida son una mayor microdureza, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión.

Dependiendo del material que se pula, el mecanismo de fractura varía enormemente para metales puros, no metales, aleaciones, polímeros, cerámicas, sólidos amorfos y materiales compuestos. Todos ellos muestran una mayor resistencia a la fractura tras el pulido láser debido a la reducción de defectos y al aumento de la resistencia a la propagación de grietas. Sin embargo, este comportamiento no es universal, ya que también se ve afectado por la presencia de defectos en el material de la pieza no tratada.

El comportamiento de fractura mejorado se puede cuantificar definiendo el factor de intensidad de tensión crítico (${\displaystyle K_{c}}$). Teóricamente, este valor se alcanza cuando la tensión nominal aplicada es igual a la tensión de propagación de grietas, y se calcula teniendo en cuenta los criterios de Griffith. La ecuación final derivada para una condición de tensión plana viene dada por la raíz cuadrada del producto de la rigidez del material (${\displaystyle E}$) y la tenacidad del material (${\displaystyle G_{c}}$). ^{[ 7 ]} Como es evidente, con el aumento de la rigidez del material, la superficie pulida inevitablemente tendrá una mayor tenacidad.

Un estudio más exhaustivo revela que la rigidez del material influye en el aumento de la resistencia a la fractura del material tratado con láser, aunque no se limita a este factor. Diversas fuentes han descrito el efecto del endurecimiento por deformación (compresión inducida por el movimiento de dislocaciones a temperaturas elevadas) y la transformación de fase dentro del material.

Consideremos otro estudio de caso de una cerámica de ingeniería de nitruro de silicio . ^{[ 8 ]} El resultado de este estudio documenta el cambio en la dureza superficial, la longitud de la grieta superficial y la superficie.${\displaystyle K_{1}c}$(modo-1${\displaystyle K_{c}}$) mediante el uso de la(s) técnica(s) de indentación Vickers. El aumento de la dureza superficial y${\displaystyle K_{1}c}$Este factor puede estar relacionado con la tensión de compresión residual inducida debido al movimiento de dislocaciones a temperaturas elevadas durante el proceso de pulido láser. Estas tensiones de compresión actúan en contra de la tensión aplicada externamente, por lo que se necesita un cierto valor umbral, además de la tensión de fractura (o tensión de propagación de grietas), para superar completamente las tensiones opuestas antes de la iniciación de la grieta. Otras observaciones incluyen una reducción de la longitud de la grieta en un 37 % en el pulido láser.${\displaystyle {\ce {Si3N4}}}$y la anisotopía inducida, que se analiza con más detalle en la referencia citada. ^{[ 8 ]}