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Study of Thermal and Hydrodynamic Behavior of Incone-625 Additively Manufactured Surfaces with Varying Scan Orientations: Surface Topography Analysis, Experimental Investigation with Reproducibility Tests and CFD Verification

Este estudio investiga el impacto de las orientaciones de escaneo de la fusión por lecho de polvo láser (0°, 45° y 90°) en el rendimiento térmico e hidrodinámico de los canales de enfriamiento de Inconel-625 mediante la combinación de mediciones experimentales con simulaciones de CFD, revelando que la orientación de construcción de 90° produce características de transferencia de calor y caída de presión superiores en comparación con otras orientaciones y una línea base suave.

Autores originales: Kuldeep Mandloi, Harish Cherukuri, Angela Allen, Jimmie Miller

Publicado 2026-09-01

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CC BY 4.0

Autores originales: Kuldeep Mandloi, Harish Cherukuri, Angela Allen, Jimmie Miller

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el mundo de la fabricación moderna, los ingenieros han buscado durante mucho tiempo una forma de construir piezas con canales de enfriamiento internos intrincados, muy parecidos a los complejos vasos sanguíneos dentro de un cuerpo vivo. Estos canales son vitales para eliminar el calor de la maquinaria de alto rendimiento, como los motores en los aviones de pasajeros o los componentes dentro de computadoras potentes. Tradicionalmente, la fabricación de estos canales requería taladrar o fresar, procesos que tienen dificultades con las curvas cerradas y las formas complejas. La fabricación aditiva, a menudo llamada impresión 3D, ofrece una solución al construir piezas capa por capa, permitiendo diseños que antes eran imposibles. Sin embargo, este método deja el interior de estos canales con una textura única. A diferencia de las paredes lisas de una tubería fresada por máquina, un canal impreso en 3D está revestido con crestas, protuberancias y valles microscópicos dejados por el láser que funde el polvo metálico. Esta rugosidad no es solo un problema cosmético; cambia fundamentalmente cómo fluye el agua a través del canal y qué tan efectivamente transporta el calor. Comprender la relación entre esta textura integrada y el rendimiento de enfriamiento es la clave para desbloquear todo el potencial de los sistemas de enfriamiento impresos en 3D.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte se propuso mapear esta relación, centráéndose en una aleación metálica específica conocida como Inconel-625, la cual es valorada por su resistencia en calor extremo. Querían saber si la dirección en la que la impresora 3D coloca sus capas —la orientación de escaneo— podía usarse como un dial para ajustar el rendimiento de enfriamiento. Para encontrar la respuesta, no se apoyaron solo en la teoría. En su lugar, construyeron un experimento físico que podía desarmarse y reensamblarse con diferentes insertos metálicos, lo que les permitió probar múltiples texturas superficiales bajo condiciones idénticas. También crearon simulaciones computacionales detalladas para modelar el flujo de agua y la transferencia de calor, utilizando mediciones reales de las superficies metálicas para hacer que los modelos virtuales fueran lo más precisos posible.

Los investigadores fabricaron pequeños bloques de metal utilizando un proceso de fusión de lecho de polvo por láser, una técnica donde un láser de alta potencia funde capas delgadas de polvo metálico para fusionarlas. Produjeron muestras con tres patrones de capas distintos: uno donde las trayectorias del láser corrían paralelas a la dirección del flujo de agua, uno donde estaban anguladas a 45 grados, y uno donde corrían perpendiculares, o a través del flujo. Para asegurar que sus resultados fueran fiables, imprimieron tres copias de cada orientación y las sometieron a un rigurooso tratamiento térmico para eliminar tensiones internas, verificando cuidadosamente que la textura superficial no cambiara durante este proceso. También crearon una muestra de control con una superficie perfectamente lisa, mecanizada a partir de una barra sólida del mismo metal, para servir como base de comparación.

Para probar estas superficies, el equipo diseñó un banco de pruebas especializado. La mitad del banco estaba hecha de una resina de alta temperatura impresa mediante un proceso de estereolitografía, actuando como una carcasa aislante para evitar que el calor se escapara al aire. La otra mitad era la sección metálica intercambiable que contenía el canal. Este diseño les permitió intercambiar los diferentes insertos metálicos sin tener que reconstruir toda la máquina. Dentro del canal, colocaron calentadores para calentar el agua y sensores para medir la temperatura en varios puntos a lo largo del camino. Hicieron circular agua a través de los canales a diferentes velocidades, desde una corriente lenta y constante hasta un flujo más rápido y turbulento, mientras aplicaban una cantidad constante de calor. Al medir cuánto aumentaba la temperatura del agua y cuánta presión se perdía mientras el fluido era empujado a través del canal, pudieron calcular qué tan eficientemente cada superficie eliminaba el calor y cuánta resistencia creaba.

Los resultados revelaron un patrón claro y sorprendente. La superficie con las trayectorias del láser corriendo perpendicular al flujo de agua, la orientación de 90 grados, demostró ser la más efectiva para la transferencia de calor. El agua fluyendo sobre esta textura rugosa y de trama cruzada captaba el calor más rápido que en cualquier otra superficie, incluyendo la muestra de control lisa. Sin embargo, este enfriamiento superior tuvo un costo. La misma textura que ayudaba a captar el calor también creaba la mayor resistencia al agua, requiriendo significativamente más potencia de bombeo para mover el fluido a través del canal. La superficie con ángulos de 45 grados ofreció un punto medio, proporcionando una mejor transferencia de calor que las superficies lisa o paralela, pero con menos resistencia que la perpendicular. La superficie con las trayectorias corriendo paralelas al flujo tuvo el peor desempeño, ofreciendo a veces incluso menos eficiencia de enfriamiento que el metal liso.

Estos hallazgos no solo fueron observados en el laboratorio físico; se vieron reflejados en las simulaciones por computadora. Los investigadores utilizaron una técnica de modelado que trataba la superficie compleja y dentada de la impresión 3D como si estuviera cubierta por una capa uniforme de granos de arena diminutos, una forma estándar de representar la rugosidad en la dinámica de fluidos. Al ajustar el tamaño de estos granos de arena virtuales para que coincidieran con las mediciones reales de las superficies metálicas, los modelos computacionales predijeron las mismas tendencias vistas en los experimentos. Las simulaciones confirmaron que la orientación de las trayectorias del láser era el factor dominante, superando otras características menores de la superficie. El estudio demostró que, si bien la impresión 3D puede crear superficies que mejoran el enfriamiento, no es simplemente una cuestión de que "más rugoso es mejor". La dirección específica de la impresión importa inmensamente. Una superficie que sobresale en el enfriamiento podría ser demasiado difícil de bombear para una aplicación determinada, mientras que otra podría ofrecer un rendimiento equilibrado.

En última instancia, el trabajo proporciona una guía práctica para los ingenieros que diseñan la próxima generación de maquinaria refrigerada. Muestra que, simplemente cambiando el ángulo en el que se imprime una pieza, se puede adaptar el comportamiento térmico y de fluidos. La orientación de 90 grados ofrece la máxima eliminación de calor para aplicaciones donde la potencia de bombeo no es una limitación, mientras que el ángulo de 45 grados ofrece un compromiso más eficiente. El estudio confirma que el acabado tal como fue construido de una pieza impresa en 3D es un parámetro de diseño crítico, no solo un subproducto del proceso de fabricación. Al comprender y controlar estas texturas superficiales, los ingenieros pueden ir más allá del ensayo y error, diseñando sistemas de enfriamiento que están precisamente ajustados a las necesidades de las herramientas aeroespaciales, médicas e industriales de alto rendimiento.

Resumen Técnico: Comportamiento Térmico e Hidrodinámico de Superficies de Inconel-625 Fabricadas mediante Manufactura Aditiva

Planteamiento del Problema
La manufactura aditiva (AM), específicamente la Fusión de Lecho de Polvo por Láser (LPBF), ofrece la capacidad de producir piezas con geometrías internas complejas, como canales de enfriamiento, que son difíciles de lograr con métodos convencionales. Sin embargo, el acabado superficial tal como se construye (as-built) de las piezas de AM es inherentemente rugoso y varía significativamente según los parámetros de construcción, particularmente la orientación de escaneo. Si bien investigaciones previas han establecido vínculos entre la topografía de las superficies de AM y el flujo de fluidos o la transferencia de calor, persiste una brecha en la comprensión de la relación específica entre las características de la superficie as-built (incluyendo las huellas de soldadura, el salpicado y las partículas parcialmente fundidas) y el rendimiento termohidrodinámico a través de diferentes orientaciones de escaneo. Además, muchos estudios existentes están limitados a geometrías de canales específicas o carecen de una correlación exhaustiva entre el modelado de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando rugosidad equivalente y la validación experimental. Este estudio tiene como objetivo investigar los efectos de las características de rugosidad de AM en la transferencia de calor (número de Nusselt) y la caída de presión a través de canales de enfriamiento para diversas orientaciones de escaneo, validando los modelos numéricos con datos experimentales reproducibles.

Metodología
La investigación empleó un enfoque dual que combinó simulaciones de CFD con investigación experimental.

Fabricación y Preparación de Muestras: Las superficies de Inconel-625 fueron fabricadas mediante LPBF en una máquina EOS M290 con tres orientaciones de escaneo críticas: 0°, 45° y 90° en relación con la dirección del flujo. Se imprimieron tres muestras por orientación para asegurar la reproducibilidad. Una pieza de Inconel-625 lisa, mecanizada a partir de una barra forjada, sirvió como control de referencia. Todas las muestras de AM fueron sometidas a un tratamiento térmico (900 °C durante 4 horas, seguido de recocido) para aliviar las tensiones residuales, y la topografía superficial fue verificada antes y después del tratamiento para asegurar que no ocurrieran cambios significativos.
Caracterización de la Superficie: La rugosidad superficial areal se midió mediante Interferometría de Escaneo de Coherencia (CSI) con un objetivo de 20X. Se aplicó un filtro de Fourier de paso bajo (100 µm) para eliminar la forma y la ondulación. El estudio utilizó la rugosidad cuadrática media ( $S_q$ ) para definir la rugosidad de grano de arena equivalente ( $k_s$ ) para el modelado CFD, reconociendo que $S_q$ captura mejor las características de la topografía areal que la media aritmética ( $R_a$ ).
Configuración Experimental: Se diseñó y fabricó una configuración experimental innovadora y de intercambio. Consistía en dos mitades: una sección estacionaria hecha de resina de alta temperatura (impresa mediante SLA) que actuaba como aislante, y una sección intercambiable hecha de Inconel-625 que contenía el canal de enfriamiento. Este diseño permitió el intercambio rápido de muestras de AM con diferentes orientaciones de escaneo. La configuración incluía secciones convergentes-divergentes para minimizar las perturbaciones del flujo, calentadores cilíndricos integrados para un aporte de calor constante y termistores para el perfilado de temperatura.
Modelado CFD: Las simulaciones se realizaron utilizando StarCCM+ con un modelo de transferencia de calor conjugada en estado estacionario. Se empleó el modelo de turbulencia k- $\omega$ SST para resolver los efectos cerca de la pared. Se implementó un modelo de rugosidad de grano de arena equivalente para correlacionar los resultados de CFD con los datos experimentales de la orientación de construcción de 90°.
Validación e Incertidumbre: Los experimentos se llevaron a cabo en números de Reynolds ( $Re$ ) que oscilaban entre 1,000 y 4,000. Se realizaron pruebas de reproducibilidad desmontando y reensamblando la configuración con nuevos componentes. Se realizó un análisis de incertidumbre de Tipo A basado en las desviaciones estándar de estas pruebas repetidas.

Contribuciones Clave

Plataforma Experimental Intercambiable: El desarrollo de una configuración experimental modular que facilita la prueba de múltiples orientaciones de superficie de AM bajo idénticas condiciones de flujo y térmicas, abordando la dificultad de aislar los efectos de la superficie en geometrías de AM complejas.
Correlación CFD-Experimental: La exitosa correlación de los resultados de CFD utilizando un modelo de rugosidad de grano de arena con los datos experimentales, validando específicamente el modelo para la orientación de escaneo de 90°.
Análisis Exhaustivo de Orientación: Una investigación sistemática de tres orientaciones de escaneo críticas (0°, 45°, 90°) junto con una base lisa, proporcionando un análisis comparativo de cómo la dirección de construcción influye en el rendimiento térmico e hidráulico.
Enfoque de Modelado de Rugosidad: La aplicación de $S_q$ (rugosidad RMS) en lugar de $R_a$ para definir la rugosidad de grano de arena equivalente, con el fin de representar mejor la compleja topografía areal de las superficies de AM en las simulaciones de CFD.

Resultos

Transferencia de Calor (Número de Nusselt): Se observaron diferencias significativas entre las distintas superficies de AM. La superficie con una orientación de construcción de 90° (huellas transversales respecto al flujo) demostró los números de Nusselt más altos, indicando un rendimiento de transferencia de calor superior. La orientación de 45° proporcionó valores intermedios, mientras que la orientación de 0° (huellas paralelas) tuvo un desempeño deficiente, produciendo en ocasiones coeficientes de transferencia de calor menores que la base lisa.
Caída de Presión y Factor de Fricción: La superficie con la mayor transferencia de calor (90°) también incurrió en la mayor caída de presión y factor de fricción. La orientación de 45° ofreció un equilibrio, proporcionando una mejora en la transferencia de calor sobre las superficies de 0° y lisa con un aumento moderado en la caída de presión en comparación con el caso de 90°.
Dependencia del Régimen de Flujo: Bajo condiciones de flujo turbulento, la alineación de las huellas transversales (90°) mostró la mayor eficiencia. En flujo laminar, las diferencias en los números de Nusselt entre las diversas superficies fueron menos pronunciadas.
Impacto de la Topografía de Superficie: El estudio concluyó que la orientación de las huellas de soldadura y los depósitos de salpicadura son los elementos dominantes que influyen en la transferencia de calor y el flujo de fluidos, mientras que el impacto del área superficial total resultó ser mínimo tanto para condiciones laminares como turbulentas.
Validación: Los resultados experimentales para los números de Nusselt y las caídas de presión coincidieron estrechamente con las predicciones de CFD, validando el uso del modelo de rugosidad de grano de arena para esta aplicación específica.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que no todas las superficies fabricadas mediante manufactura aditiva proporcionan inherentemente altas tasas de transferencia de calor; el rendimiento depende críticamente de la orientación del escaneo y las condiciones de flujo. El estudio demuestra que, si bien una orientación de escaneo de 90° maximiza la transferencia de calor, lo hace a costa de requerimientos de potencia de bombeo significativamente mayores debido al incremento en la caída de presión. Por el contrario, una orientación de 45° presenta un compromiso óptimo, ofreciendo una transferencia de calor mejorada en relación con las superficies lisas o de 0° sin las penalizaciones extremas de presión de la orientación de 90°.

La investigación subraya la necesidad de comprender la relación entre el acabado superficial as-built y el rendimiento termohidrodinámico para la adopción industrial exitosa de la AM en aplicaciones que requieren canales de enfriamiento complejos, como el sector aeroespacial y el enfriamiento electrónico. Al proporcionar datos experimentales validados y un método robusto de correlación de CFD, el estudio ofrece un marco para optimizar los parámetros de construcción de AM para lograr el rendimiento térmico deseado sin incurrir en pérdidas hidráulicas excesivas.

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