Avances en espejos de aluminio impresos en 3D

Las aleaciones de aluminio se han utilizado durante mucho tiempo para hacer espejos ligeros para aplicaciones como astronomía y observación de la Tierra. Estos espejos son livianos, fáciles de trabajar y tienen buena estabilidad térmica, lo que significa que no se deforman mucho con cambios de temperatura. Recientemente, la impresión 3D, específicamente un método conocido como fusión de lecho de polvo láser, ha abierto nuevas formas de crear espejos que son aún más eficientes.

En la impresión 3D, se añaden capas de material una sobre otra, lo que permite diseños complejos que antes no eran posibles. Este proceso no solo reduce el peso de los espejos, sino que también permite diseños optimizados para su uso previsto. Sin embargo, el aluminio impreso en 3D puede tener fallos. Un problema importante es la Porosidad, donde se forman pequeños agujeros o vacíos dentro del material durante la impresión. Estos fallos pueden causar problemas con la reflectividad de la superficie, lo que lleva a un aumento de la dispersión de la luz.

Hay varias formas de lidiar con la porosidad. Estas incluyen cambiar el proceso de impresión, aplicar recubrimientos o usar tratamientos de calor y presión, como el prensado isostático en caliente (HIP), para cerrar los vacíos en el material.

Este documento se centrará en el uso de HIP en sustratos de aluminio impresos en 3D para producir espejos. El objetivo es reducir la porosidad mientras se gestiona el crecimiento de granos dentro del metal, lo cual es importante para crear superficies suaves después del procesamiento.

#¿Por qué elegir el aluminio?

El aluminio es un material atractivo para hacer espejos porque es ligero, fácil de mecanizar y, cuando se combina con soportes de aluminio, minimiza el estrés causado por cambios de temperatura. Los procesos tradicionales como el mecanizado o fundición tienen limitaciones, pero con la impresión 3D, podemos crear espejos con formas complejas más fácilmente.

Hay dos ventajas principales de usar impresión 3D en la producción de espejos. Primero, podemos crear estructuras en forma de red y formas optimizadas que se adaptan mejor a sus entornos previstos. Segundo, podemos combinar múltiples componentes en una sola impresión, reduciendo la cantidad de piezas y puntos potenciales de fallo.

Hasta ahora, la mayoría de los espejos de aluminio impresos en 3D se han hecho usando fusión de lecho de polvo láser. Este método implica derretir el aluminio en polvo con un láser y fusionarlo capa por capa. Después de la impresión, el polvo no fusionado se retira y puede ser reciclado.

La calidad de la superficie final del espejo puede verse afectada por el nivel de porosidad presente. Los espejos de buena calidad tienden a tener valores de rugosidad en un rango específico, mientras que las superficies de baja calidad pueden tener rugosidades mucho más altas debido a defectos como poros o rasguños.

#El problema de la porosidad

La porosidad ocurre cuando el ambiente durante la impresión no es ideal, lo que puede llevar a que pequeñas burbujas de gas queden atrapadas en el material. Estas burbujas aparecen como pequeños agujeros en la superficie del espejo, lo que lleva a una textura rugosa que dispersa la luz y reduce la reflectividad. Los investigadores están buscando activamente formas de minimizar estos poros ya sea optimizando el proceso de impresión o usando tratamientos posteriores.

El prensado isostático en caliente (HIP) es un método común para reducir la porosidad en metales impresos en 3D. Este proceso implica calentar el componente bajo presión durante un tiempo prolongado, permitiendo que se densifique y cierre los vacíos. Aunque HIP puede mejorar la calidad de la superficie eliminando defectos, también puede afectar las propiedades mecánicas del material. En algunos casos, el tratamiento puede llevar a un aumento de la rugosidad si no se hace correctamente.

#La microestructura del aluminio

En la impresión 3D, la microestructura del material se crea cuando el aluminio en polvo pasa de un estado fundido a uno sólido. La estructura resultante puede ser compleja, a menudo incluyendo diferentes tamaños y formas de grano. En el caso del aluminio impreso en 3D, los granos pueden crecer de manera columnar, influenciados por la dirección de las capas de impresión.

El crecimiento de granos puede afectar la resistencia del material. Específicamente, la relación entre el tamaño de los granos y las propiedades mecánicas es significativa. Los granos más pequeños suelen llevar a materiales más fuertes, mientras que los granos más grandes pueden llevar a estructuras más débiles.

En este estudio, nos enfocamos en cómo la orientación de la impresión afecta el crecimiento de granos y, en consecuencia, la calidad de la superficie de los espejos producidos.

#Objetivos del estudio

El objetivo principal de esta investigación es evaluar cómo la orientación de la impresión afecta el resultado del espejo después de usar HIP. El estudio se basa en investigaciones anteriores que analizaron el impacto de la orientación de impresión en la Micro-rugosidad de muestras de espejos.

Buscamos encontrar las mejores prácticas para crear superficies reflectantes. Esto implica analizar cómo diferentes orientaciones de impresión afectan la calidad de los materiales y explorar los efectos de HIP sobre la reducción de la porosidad y la mejora de la resistencia mecánica.

#Diseño de muestras y proceso de impresión

Para este estudio, imprimimos tres espejos en aleación de aluminio AlSi10Mg, con diámetros de 50 mm y grosores de 5 mm. Los espejos se imprimieron en tres orientaciones diferentes: horizontal (0 grados), diagonal (45 grados) y vertical (90 grados). Estas orientaciones fueron elegidas para ver cómo la dirección de la impresión afectaba el producto final.

La impresión se llevó a cabo utilizando una impresora 3D especializada en una atmósfera de argón para reducir la oxidación y mejorar la calidad de la impresión. La potencia y velocidad del láser se establecieron cuidadosamente para crear un buen ambiente térmico durante la producción.

#Medidas previas al HIP

Después de la impresión, las muestras pasaron por un mecanizado rugoso para prepararlas para HIP. Esto implicó eliminar cualquier material innecesario y crear una superficie suave lista para un procesamiento adicional. Usamos un método llamado tomografía computarizada por rayos X (XCT) para examinar la estructura interna de los espejos antes de HIP. Este paso es importante para entender la efectividad del tratamiento HIP en la reducción de la porosidad.

#Aplicando el prensado isostático en caliente

Las muestras pasaron por HIP utilizando configuraciones específicas de temperatura y presión. El proceso involucró calentar los espejos mientras se aplicaba presión durante varias horas, y luego enfriarlos rápidamente. Este método ayuda a cerrar cualquier poro restante y densificar el material.

Después del tratamiento HIP, realizamos XCT nuevamente para comprobar la estructura interna en busca de cualquier porosidad restante. El objetivo era ver qué tan efectivo fue HIP para abordar los defectos encontrados en las muestras impresas.

#Torneado diamante de un solo punto

Después del proceso HIP, los espejos fueron sometidos a una técnica llamada torneado diamante de un solo punto (SPDT). Este método se utiliza para crear una superficie suave y reflectante al eliminar una delgada capa de material. El objetivo era asegurar que los espejos finales tuvieran la mejor calidad de superficie posible.

Después del proceso SPDT, evaluamos la micro-rugosidad de la superficie reflectante. Usamos equipos especializados para medir la rugosidad en diferentes puntos de los espejos y asegurar que cumplieran con los estándares requeridos.

#Pruebas mecánicas y análisis de microestructura

Se realizaron pruebas mecánicas para evaluar la resistencia de los espejos. Medimos cuánto esfuerzo podían soportar las muestras antes de romperse. También examinamos la Estructura del grano del material utilizando una técnica llamada difracción por retrodispersión electrónica (EBSD), que ayuda a mapear las disposiciones y tamaños de los granos dentro del metal.

#Resultados del estudio

El estudio encontró que HIP redujo efectivamente los niveles de porosidad en las muestras. Sin embargo, hubo un compromiso. Mientras que la calidad de la superficie de los espejos mejoró y los defectos se minimizaron, el proceso también aumentó el tamaño de los granos, lo que llevó a un ligero aumento en la micro-rugosidad de las superficies finales.

Al comparar las diferentes orientaciones de impresión, la orientación horizontal (0 grados) dio la mejor calidad de superficie con valores de rugosidad más bajos, seguida de cerca por las orientaciones diagonal (45 grados) y vertical (90 grados). Estos resultados sugieren que la orientación de la impresión juega un papel significativo en determinar la microestructura final y la calidad de superficie de los espejos.

#Direcciones futuras

Los hallazgos de este estudio abren nuevas posibilidades para mejorar la producción de espejos ligeros utilizando impresión 3D. Si bien HIP muestra promesas en la reducción de defectos, se necesita más investigación para encontrar configuraciones óptimas que minimicen el crecimiento de granos.

El trabajo futuro se centrará en comparaciones más extensas a través de diferentes orientaciones de impresión y podría incluir métodos alternativos de post-procesamiento para mejorar aún más la calidad de los espejos finales. Además, investigar el impacto de modificar los parámetros de impresión para reducir la porosidad antes de los tratamientos podría brindar información para mejores resultados.

En conclusión, aunque los métodos actuales muestran un buen potencial para crear espejos de alta calidad, aún queda margen de mejora, especialmente en lograr niveles óptimos de micro-rugosidad mientras se mantiene la resistencia general de los productos finales. La aplicación de espejos de aluminio impresos en 3D probablemente se expandirá en el futuro, especialmente en áreas donde el peso y el rendimiento son críticos, como en aplicaciones basadas en el espacio.