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Influence of Emissivity Calibration on Thermal History and Process–Property Relationships in Arc-Based Directed Energy Deposition

Este estudio demuestra que la implementación de la calibración de emisividad in situ para la deposición de energía dirigida basada en arco mejora significamente la precisión de la medición de la temperatura, permitiendo la correlación precisa de los historiales térmicos entre pasadas con las propiedades mecánicas y revelando que la acumulación excesiva de calor debido a tiempos de interpasada cortos degrada la resistencia a la tracción última de las paredes de acero al carbono ER70S-6.

Autores originales: Joel Sá, Carlos Zhu, Kaike Monteiro, Fernando Lopes, Cândida Malça, David Andrade

Publicado 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Joel Sá, Carlos Zhu, Kaike Monteiro, Fernando Lopes, Cândida Malça, David Andrade

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Construir grandes piezas metálicas capa por capa es un proceso que ha transformado la forma en que los ingenieros piensan sobre la fabricación. Conocida como deposición de energía dirigida basada en arco, esta técnica utiliza un brazo robótico para fundir un alambre con una antorcha de soldadura, depositándolo cuenta por cuenta para formar una estructura sólida. Es un método potente para crear componentes de tamaño medio o grande de forma rápida y económica, pero conlleva un riesgo oculto: el calor. A medida que se añade cada nueva capa, el metal debajo retiene el calor de la pasada anterior. Si este calor no se gestiona cuidadosamente, se acumula, cambiando la forma en que el metal se enfría y se solidifica. Esta historia térmica dicta la estructura interna del material, lo que a su vez determina si la pieza final será lo suficientemente fuerte como para sostener un puente o lo suficientemente débil como para fallar bajo tensión. Para controlar esto, los fabricantes necesitan conocer la temperatura exacta del metal mientras se enfría. A menudo utilizan cámaras infrarrojas, que ven el calor como luz, para observar el proceso en tiempo real. Sin embargo, estas cámaras dependen de un ajuste llamado emisividad —una medida de qué tan bien una superficie irradia calor— lo cual puede ser difícil de precisar en metal caliente y rugoso. Si este ajuste se adivina incorrectamente, la lectura de la temperatura puede desviarse drásticamente, lo que conduce a decisiones erróneas sobre cómo construir la pieza.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Coímbra y del Instituto Politécnico de Coímbra se propuso resolver este problema de las conjeturas. Querían saber cuánto distorsionaría un error en la estimación de la emisividad la imagen de la historia térmica del metal y, en última instancia, cómo esa distorsión afectaría la comprensión de la resistencia de la pieza. Para averiguarlo, construyeron tres paredes idénticas de acero al carbono utilizando un sistema de soldadura robótica. Luego aplicaron tres reglas diferentes para el tiempo de espera entre la adición de capas. Dos de las paredes se construyeron con un límite de temperatura estricto: el robot haría una pausa y esperaría hasta que el metal se enfriara a 150 grados Celsius o 250 grados Celsius antes de añadir la siguiente capa. La tercera pared se construyó con un límite de tiempo estricto: el robot esperaría exactamente 30 segundos entre capas, independientemente de qué tan caliente estuviera realmente el metal.

Los investigadores observaron el crecimiento de estas paredes mediante una cámara infrarroja, pero también incrustaron diminutos sensores de temperatura directamente en el metal para obtener la verdadera verdad de campo. Al comparar la visión de la cámara con las lecturas de los sensores, descubrieron que la capacidad del metal para irradiar calor no era un número fijo. En cambio, cambiaba a medida que el metal se calentaba o se enfriaba. Descubrieron que utilizar un único y constante supuesto para este ajuste podía provocar errores masivos en la medición de la temperatura, especialmente cuando el metal estaba muy caliente. Al crear un modelo que ajustaba el parámetro basándose en la temperatura actual, redujeron el error en sus mediciones a menos del cuatro por ciento. Esta calibración les permitió ver la verdadera historia térmica de cada pared.

Los resultados revelaron una diferencia contundente entre las estrategias. Las paredes construidas con límites de temperatura se enfriaron con un ritmo constante y predecible. El metal tuvo tiempo suficiente para desprender su calor, lo que resultó en una estructura interna fina y uniforme. Estas paredes mostraron un tiempo de enfriamiento específico, medido como la duración que tardó en bajar de 800 a 500 grados, de aproximadamente 22 a 27 segundos. En contraste, la pared construida con el temporizador de 30 segundos sufrió una severa acumulación de calor. Debido a que el robot no esperó a que el metal se enfriara, la temperatura siguió aumentando, estabilizándose finalmente en unos abrasadores 730 grados Celsius. El metal nunca tuvo la oportunidad de enfriarse adecuadamente, y los investigadores ni siquiera pudieron medir el tiempo de enfriamiento estándar para las capas superiores porque el metal nunca bajó de los 500 grados.

Esta diferencia en la historia térmica tuvo un impacto directo y mensurable en la resistencia del metal. Las dos paredes construidas con control de temperatura resultaron ser notablemente similares y fuertes, con una resistencia máxima a la tracción de unos 515 megapascales. Sus granos internos eran pequeños y estaban estrechamente compactados. Sin embargo, la pared construida con el temporizador de 30 segundos fue significativamente más débil, con una resistencia máxima de solo 470 megapascales. Su estructura interna se había vuelto gruesa e irregular, con granos grandes que se formaron porque el metal permaneció caliente durante demasiado tiempo. Aunque esta pared más débil era ligeramente más elástica, carecía de la robusta resistencia de las otras. El estudio concluyó que el temporizador de 30 segundos era una estrategia deficiente para este material, ya que conducía a una pérdida de calidad que una simple regla basada en el tiempo no podía prevenir.

Quizás el hallazgo más crítico fue sobre el peligro de los datos erróneos. Los investigadores demostraron que, si un ingeniero hubiera utilizado un supuesto estándar y no calibrado para el ajuste de radiación de calor, habría calculado una historia térmica completamente diferente para la pared débil. Podrían haber pensado que el metal se estaba enfriando a un ritmo normal cuando en realidad estaba situado a una temperatura alta y peligrosa. Este error los habría llevado a creer que las propiedades del metal eran normales, lo que potencialmente causaría la aprobación de una pieza estructuralmente inestable. El trabajo demuestra que, para que este tipo de fabricación sea fiable, la cámara infrarroja debe estar cuidadosamente sintonizada con la naturaleza cambiante del metal caliente. Sin esta calibración precisa, el vínculo entre el calor que la máquina ve y la resistencia que posee la pieza permanece roto, dejando a los ingenieros adivinando sobre la seguridad de las estructuras que construyen.

Resumen Técnico: Influencia de la Calibración de la Emisividad en la Historia Térmica y las Relaciones Proceso–Propiedad en la Deposición de Energía Dirigida Basada en Arco

Planteamiento del Problema
La Deposición de Energía Dirigida mediante fuentes de calor basadas en arco (DED-Arc), o Fabricación Aditiva por Arco de Alambre (WAAM), es una ruta viable para la producción de componentes metálicos de gran escala. Sin embargo, el proceso es altamente sensible a las condiciones térmicas, particularmente a la temperatura entre pasadas, la cual gobierna las tasas de enfriamiento, la evolución microestructural y las propiedades mecánicas finales. Si bien la termografía infrarroja se utiliza cada vez más para el monitoreo térmico sin contacto, su precisión cuantitativa depende en gran medida de la emisividad superficial del material. En el DED-Arc de acero, la emisividad se asume a menudo como un valor constante, a pesar de la evidencia de que varía con la temperatura, el estado de oxidación y la rugosidad superficial. Este estudio aborda la brecha de conocimiento sobre cómo tales suposiciones de emisividad propagan errores en descriptores térmicos críticos (como los tiempos de enfriamiento $\Delta t_{8/5}$ y las temperaturas entre pasadas) y, posteriormente, sesgan la interpretación de las relaciones proceso–propiedad.

Metodología
La investigación utilizó un sistema robótico de DED-Arc para depositar paredes de acero al carbono ER70S-6 sobre sustratos de S460ML. Se investigaron tres estrategias distintas de control de temperatura entre pasadas:

W150: Temperatura entre pasadas controlada a un máximo de 150 °C.
W250: Temperatura entre pasadas controlada a un máximo de 250 °C.
W30s: Un tiempo de espera entre pasadas fijo de 30 segundos, independientemente del estado térmico.

El monitoreo térmico se llevó a cabo mediante una combinación de termografía infrarroja sin contacto (FLIR A655sc) y termopares de tipo K embebidos por contacto. Los termopares sirvieron como verdad de referencia para una calibración de emisividad in situ. Los autores compararon los datos termográficos con las lecturas de los termopares para identificar valores de emisividad constante óptimos y para modelar la dependencia de la emisividad con la temperatura. Se desarrolló una regresión polinómica de segundo orden para describir la emisividad en función de la temperatura.

Las historias térmicas reconstruidas se utilizaron para calcular los parámetros de enfriamiento, específicamente el intervalo $\Delta t_{8/5}$ (tiempo para enfriarse de 800 °C a 500 °C). Tras la deposición, las paredes se sometieron a caracterización microestructural (microscopía óptica y análisis de tamaño de grano), ensayos de microdureza y ensayos de tracción uniaxial (con Correlación de Imágenes Digitales para la medición de la deformación) para establecer correlaciones entre la historia térmica y el desempeño mecánico.

Resultados Clave

Calibración de la Emisividad: El estudio confirmó que la emisividad no es constante, sino que varía con la temperatura. Un modelo dependiente de la temperatura ( $\varepsilon(T)$ ) redujo el error de medición de temperatura absoluta al 3.73%, superando las suposiciones de emisividad constante (que arrojaron errores entre el 4.66% y el 5.18%). El análisis de sensibilidad reveló que el uso de valores de emisividad bajos y no calibrados (por ejemplo, $\varepsilon = 0.4$ ) podría conducir a sobreestimaciones masivas de los parámetros térmicos, con errores de hasta el 131% en los cálculos de $\Delta t_{8/5}$ .
Historia Térmica: Las estrategias controladas por temperatura (W150 y W250) lograron ciclos térmicos cuasi-estables, con valores promedio de $\Delta t_{8/5}$ de 22.1 s y 26.6 s, respectivamente. En contraste, la estrategia de tiempo fijo (W30s) resultó en una severa acumulación de calor, impulsando las temperaturas entre pasadas a aproximadamente 730 °C. Esta acumulación impidió que el material se enfriara por debajo de 500 °C después de las capas iniciales, haciendo imposible el cálculo de $\Delta t_{8/5}$ para la mayor parte de la construcción.
Microestructura y Dureza: Los ciclos térmicos estables de W150 y W250 produjeron microestructuras ferríticas finas y homogéneas con tamaños de grano promedio de 7.8–8.4 y valores de microdureza de ~156–159 HV0.5. La condición W30s, caracterizada por una exposición prolongada a altas temperaturas, resultó en un crecimiento de grano significativo (tamaño medio ~12.6) y una reducción de la microdureza (148 HV0.5).
Propiedades Mecánicas: El control térmico superior de W150 y W250 produjo un mayor desempeño mecánico, con resistencias a la tracción última (UTS) de aproximadamente 515 MPa y resistencias de fluencia ( $f_y$ ) alrededor de 400 MPa. La pared W30s exhibió una marcada reducción en la resistencia (UTS ~470 MPa, $f_y$ ~334 MPa), pero una ductilidad ligeramente mayor. Todas las condiciones cumplieron con los requisitos de ductilidad para acero estructural (EN 1993-1-1), aunque la condición W30s mostró una mayor dispersión en la resistencia de fluencia debido a la heterogeneidad térmica.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la calibración precisa de la emisividad no es simplemente un refinamiento de la medición, sino un requisito previo para establecer relaciones proceso–propiedad confiables en DED-Arc. Los autores demuestran que la termografía no calibrada puede distorsionar artificialmente las historias térmicas, llevando a interpretaciones incorrectas de por qué se lograron propiedades mecánicas específicas. Por ejemplo, una suposición de emisividad incorrecta podría sugerir falsamente que un componente no cumplió con los estándares estructurales (por ejemplo, los requisitos de resistencia de fluencia de S355) debido a una mala gestión térmica, cuando la historia térmica real era diferente.

El estudio concluye que el control de temperatura entre pasadas es una estrategia más robusta que la deposición de tiempo fijo para asegurar condiciones térmicas y un desempeño mecánico consistentes en el WAAM de acero al carbono. Además, valida el uso de la termografía infrarroja para el monitoreo cuantitativo del proceso en la fabricación aditiva basada en arco, siempre que se emplee una calibración de emisividad dinámica y dependiente de la temperatura para minimizar la incertidumbre de la medición y asegurar la fidelidad de los descriptores térmicos.

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