Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

Imagine un mundo donde una sola máquina pudiera construir una pieza que sea dura y resistente al desgaste por fuera, pero tenaz y flexible por dentro, todo en un proceso continuo. Esta es la promesa de una tecnología llamada deposición de metal por láser. En este proceso, un láser de alta potencia funde polvo de metal mientras este es soplado hacia un pequeño charco de metal fundido, construyendo un componente capa por capa directamente desde un diseño digital. Durante años, los ingenieros han utilizado este método para crear piezas a partir de un solo tipo de metal. Sin embargo, el mundo real rara vez es tan sencillo. Un álabe de turbina podría necesitar soportar un calor extremo en su punta mientras permanece flexible cerca de su base; un implante médico podría requerir una superficie que se adhiera bien al hueso pero un núcleo que soporte cargas pesadas. Para satisfacer estas necesidades, los científicos han intentado durante mucho tiempo mezclar diferentes metales durante el proceso de impresión. El desafío siempre ha sido el control: ¿cómo se mezclan dos polvos diferentes de forma tan perfecta que se mezclen instantáneamente y de manera uniforme antes de fundirse, sin que un tipo de polvo salga desviado o se aglomere?

Un equipo de investigadores de la Universidad de Nanchang en China ha abordado este problema diseñando un nuevo tipo de boquilla, el dispositivo que dirige el polvo metálico hacia el haz de láser. En lugar de mezclar los polvos juntos en una tolva antes de que entren en la máquina, su nuevo diseño mantiene dos polvos diferentes separados hasta el último momento. Construyeron una boquilla coaxial de doble canal, lo que esencialmente significa un tubo dentro de otro tubo. El tubo interior transporta un tipo de polvo metálico, mientras que el anillo exterior transporta un tipo diferente. Ambos flujos se disparan simultáneamente hacia el mismo punto. El objetivo era ver si estos dos flujos distintos, que se comportan de manera diferente debido a su peso y forma, podían forzarse a converger y mezclarse uniformemente justo antes de golpear el metal fundido.

Para determinar la mejor manera de construir esta boquilla, los investigadores recurrieron primero a las simulaciones por computadora. Crearon un modelo virtual del flujo de gas y polvo para probar cómo diferentes formas y ángulos afectarían los flujos. Descubrieron que el tamaño de los tubos y el ángulo en el que apuntan son críticos. Si los tubos son demasiado anchos, el polvo se dispersa demasiado y pierde su enfoque. Si los ángulos son incorrectos, los dos flujos podrían no encontrarse o converger en diferentes distancias, lo que daría lugar a una mezcla desordenada. A través de estas simulaciones, determinaron que el canal interior debería estar angulado a 70 grados y el canal exterior a 60 grados, con ambos tubos teniendo un diámetro de 0.8 milímetros. También calcularon que la salida del tubo interior debería posicionarse a 3 milímetros del centro de la boquilla, y el tubo exterior debería estar a solo 1 milímetro del interior. Estas dimensiones específicas, descubrieron, crearían el punto de encuentro más estrecho y enfocado donde los dos polvos se encuentran.

Una vez optimizado el modelo por computadora, el equipo construyó un prototipo físico de la boquilla y lo puso a prueba. Eligieron tres metales muy diferentes para ver si el diseño podía manejar el desafío: una aleación de titanio conocida como TC4, molibdeno y cobre. Estos materiales varían significamente en densidad y forma. Los polvos de titanio y molibdeno eran esferas casi perfectas, mientras que el polvo de cobre era irregular y dentado. Usando cámaras de alta velocidad, los investigadores observaron los polvos salir de la boquilla. Las imágenes mostraron que, a pesar de sus diferencias, los dos flujos de polvo viajaron juntos y se encontraron en el mismo punto exacto en el espacio. Cuando mezclaron los polvos de titanio y cobre, los colores distintos de los metales les permitieron ver la mezcla en tiempo real. El titanio gris plateado y el cobre marrón rojizo se mezclaron perfectamente en el punto de convergencia, sin signos de que uno se superpusiera al otro o se agrupara en pilas separadas.

Para demostrar que esta mezcla funcionaba en un entorno de fabricación real, los investigadores utilizaron la boquilla para construir una pieza de muestra. Alimentaron la aleación de titanio a través del canal interior y el molibdeno a través del canal exterior, creando una sola trayectoria de diez capas de altura. Después de construir la pieza, la cortaron y la examinaron en sección transversal bajo un microscopio. Los resultados fueron claros: el molibdeno estaba distribuido uniformemente por toda la estructura, al igual que el titanio. No había parches oscuros o brillantes que indicaran que un metal se había asentado en el fondo o flotado hacia la parte superior. Esto confirmó que los polvos se habían mezclado a fondo en el aire antes de fundirse, creando una mezcla uniforme de dos materiales muy diferentes.

El estudio demuestra que, mediante la ingeniería cuidadosa de la trayectoria de los flujos de polvo, es posible entregar metales disímiles a un haz de láser y lograr una mezcla perfecta sin premezclarlos. Este enfoque ofrece un nuevo nivel de control para la creación de componentes complejos con propiedades personalizadas. Los investigadores demostraron que, con la geometría de boquilla adecuada, las diferencias naturales entre polvos pesados, ligeros, redondos o dentados no tienen por qué ser una barrera. En cambio, pueden gestionarse para producir un material consistente y de alta calidad que combine las mejores características de sus ingredientes, abriendo la puerta a piezas metálicas más avanzadas y adaptables en el futuro.