Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

En la búsqueda de construir máquinas más ligeras y fuertes, los ingenieros suelen recurrir al aluminio. Es un metal que pesa aproximadamente un tercio de lo que pesa el hierro y, sin embargo, posee la resistencia y la capacidad de evitar la oxidación necesarias para trabajos exigentes en la industria aeroespacial y de defensa. Sin embargo, convertir este metal en piezas complejas y de formas personalizadas es difícil. Los métodos tradicionales, como la fundición o el mecanizado, pueden ser un desperdicio o estar limitados en las formas que pueden crear. Un enfoque más nuevo, conocido como fabricación aditiva, construye objetos capa por capa, de forma muy similar a una impresora 3D, pero a una escala mucho mayor. Si bien esta tecnología ofrece una gran promesa, enfrenta un obstáculo significativo: el calor intenso utilizado para fundir el alambre de metal puede causar que el material se enfríe de manera desigual. Este enfriamiento desigual a menudo conduce a estructuras cristalinas grandes y débiles, así como a diminutos agujeros internos, lo que puede hacer que la pieza final sea propensa a agrietarse o romperse bajo estrés. Para un tipo específico de aleación de aluminio utilizado en aplicaciones críticas, conocida como la serie 2319, estos defectos son particularmente problemáticos, limitando el rendimiento del metal en condiciones del mundo real.

Para resolver esto, investigadores de la Universidad Tecnológica de Dalian y la Universidad de Huaqiao desarrollaron un nuevo método que combina dos procesos distintos: una fuente de calor híbrida y un apretón mecánico. Utilizaron una técnica llamada fabricación aditiva por arco inducido por láser, que funde el alambre de aluminio mediante una combinación de un arco eléctrico y un láser de baja potencia. Este enfoque híbrido ayuda a crear un fundido más estable que el uso de un arco eléctrico por sí solo. Pero la verdadera innovación reside en lo que sucede inmediatamente después de que se deposita cada capa. En lugar de dejar que el metal caliente se enfríe naturalmente, el equipo pasó un rodillo pesado sobre la capa fresca mientras aún estaba tibia. Este proceso, conocido como micro-laminado, aplana la superficie y aplica presión al metal. Los investigadores querían ver si este simple acto de laminado podía corregir los fallos internos causados por el calor y mejorar la resistencia de la pieza de aluminio final.

El equipo construyó bloques de prueba utilizando el alambre de aleación de aluminio 2319, creando muestras con y sin el paso de laminado. Luego examinaron estos bloques de cerca para ver qué sucedía dentro del metal. Sin el laminado, el metal se enfrió en una estructura dominada por cristales largos y columnares que crecían hacia arriba, de forma similar a cómo se forman los cristales de hielo en un congelador. Estos cristales largos, junto con un patrón de red quebradiza y similar a una telaraña formado por la mezcla de cobre y aluminio, crearon puntos débiles en el material. La superficie de estas muestras no laminadas también era irregular, con pequeñas depresiones y ondulaciones dejadas por el arco de soldadura. Cuando los investigadores aplicaron el proceso de laminado, los resultados cambiaron drásticamente. La presión del rodillo aplanó la superficie, eliminando las ondulaciones y creando una base lisa y nivelada para la siguiente capa. Más importante aún, la presión mecánica rompió los largos cristales columnares y los patrones de telaraña quebradizos. En su lugar, el metal formó granos diminutos, uniformes y redondos que se distribuyeron de manera uniforme en todo el material.

Esta transformación en la estructura interna del metal tuvo un impacto directo y medible en su resistencia. Los investigadores descubrieron que las muestras laminadas eran significámente más duras y fuertes que las no laminadas. En promedio, la dureza del metal laminado aumentó un 4,6 por ciento, y su capacidad para resistir ser estirado, conocida como resistencia a la tracción, mejoró un 9,13 por ciento. El metal también se volvió más consistente; las variaciones de resistencia de un punto a otro se redujeron, lo que significa que la pieza se comportaría de manera más predecible bajo estrés. El proceso de laminado también ayudó a eliminar diminutos sacos de aire, o poros, que a menudo quedan atrapados dentro del metal durante el proceso de fusión. En las muestras no laminadas, estos poros eran más grandes y tendían a agruparse, actuando como puntos débiles donde podrían iniciarse las grietas. En las muestras laminadas, estos poros eran mucho más pequeños y se distribuían uniformemente, lo que dificultaba mucho la formación y el crecimiento de una grieta.

La razón de esta mejora reside en cómo el metal reaccionó a la presión y al calor. Cuando el rodillo presionó el metal caliente, obligó a los átomos a reorganizarse y a los cristales a romperse en piezas más pequeñas. Este proceso creó una alta densidad de defectos internos llamados dislocaciones, que actúan como una barrera al movimiento, haciendo que el metal sea más difícil de deformar. A medida que se añadía la siguiente capa de metal fundido encima, el calor de esa nueva capa actuó como un tratamiento de recocido suave, permitiendo que el metal se asentara en una nueva estructura más fina sin perder los beneficios de la presión. Los elementos de cobre y manganeso dentro de la aleación, que a veces pueden agruparse y causar debilidad, también fueron distribuidos de manera más uniforme por el laminado. Esta distribución uniforme evitó la formación de grandes cúmulos quebradizos que podrían debilitar la pieza. Los investigadores observaron que la dirección en la que crecían los cristales del metal se volvió menos dominante, reduciendo la tendencia de que el material fuera fuerte en una dirección pero débil en otra.

En última instancia, el estudio demuestra que añadir un simple paso de laminado al proceso de fabricación puede convertir una pieza de aluminio estándar en un componente de alto rendimiento. Al refinar la estructura de grano interna y eliminar defectos, los investigadores demostraron que es posible superar las limitaciones de la fabricación aditiva tradicional para esta aleación específica. Los hallazgos sugieren que este enfoque combinado ofrece un camino práctico para crear piezas de aluminio grandes y complejas que no solo sean ligeras, sino también lo suficientemente fuertes para las aplicaciones más exigentes en la industria aeroespacial y de defensa. El trabajo confirma que controlar el estado físico del metal mientras se enfría es tan importante como el calor utilizado para fundirlo, proporcionando una nueva herramienta para que los ingenieros construyan mejores máquinas.