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(Noticias de Nanowerk) Los investigadores están optimizando los diseños industriales para crear piezas más eficientes mediante la fabricación aditiva (AM). AM implica la «impresión» de piezas metálicas en 3D capa por capa. El material fabricado con métodos AM que utilizan láser puede tener tensiones residuales provocadas por el rápido calentamiento y enfriamiento durante la impresión.
El tratamiento térmico o el recocido de las piezas después de la impresión reduce el estrés. Pero demasiado calor puede causar cambios estructurales no deseados. Utilizando la difracción de neutrones, los investigadores midieron la tensión en muestras de Inconel 625 moldeado por AM, una aleación de metal común. Luego utilizaron imágenes de neutrones, una técnica complementaria, para determinar los tiempos y temperaturas de recocido óptimos que alivian el estrés y minimizan otros cambios indeseables en los materiales.
![Uso de la dispersión de eutrones para medir la tensión interna en muestras de metal impresas en 3D antes (arriba a la derecha), durante y después (abajo a la derecha) del recocido](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=61321.php/id61321_1.jpg)
El equipo informó de sus hallazgos en Fabricación aditiva («Supervisión de la relajación de la tensión residual y la orientación preferida del grano de Inconel 625 fabricado de forma aditiva mediante imágenes de neutrones in situ»).
El tratamiento térmico adecuado recocerá las piezas más rápido sin comprometer su integridad estructural. Los científicos pueden utilizar los datos de dispersión de neutrones para comprender mejor cómo diseñar ciclos de tratamiento térmico para piezas. Los datos de dispersión de neutrones validan los modelos informáticos que simulan la cantidad y distribución de la tensión residual formada durante el proceso AM.
El nuevo modelo puede predecir con mayor precisión si un ligero cambio en el diseño de una pieza la fortalecerá al minimizar la acumulación de tensiones residuales durante la producción. El nuevo modelo también puede indicar si cambiar el diámetro del rayo láser AM o la velocidad a la que viaja mejora la calidad de la producción.
La AM basada en láser puede provocar tensiones residuales en las piezas metálicas provocadas por el rápido calentamiento y enfriamiento. El tratamiento térmico posterior o el recocido de las piezas metálicas reduce la tensión. Los investigadores de General Electric (GE) necesitaban comprender mejor dónde se forman las tensiones residuales ya qué temperaturas recocer para aliviar las tensiones con el fin de optimizar el diseño de los componentes y el tiempo y la temperatura de recocido.
Científicos de GE Global Research, la Universidad de California, Berkeley, y Spallation Neutron Source, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), realizaron experimentos de neutrones y modelos informáticos para comprender la AM y el proceso de recocido. Utilizaron la difracción de neutrones para localizar la tensión residual en muestras de una aleación de metal común, Inconel 625.
Los investigadores realizaron los primeros experimentos de calibración de neutrones en la línea de luz NOBORU en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC). Luego, las imágenes de neutrones les permitieron observar las muestras en tiempo real mientras se recocían en un horno de alta temperatura. Los neutrones penetraron fácilmente en las paredes del horno, lo que permitió visualizar la relajación de la tensión en toda la pieza durante el recocido.
Los investigadores compararon la exposición medida con simulaciones por computadora. Realizaron simulaciones del proceso AM para predecir las distribuciones de tensiones residuales dentro de las muestras en función de los parámetros del proceso. Las comparaciones de los resultados de la simulación con las mediciones experimentales a temperatura ambiente mostraron una buena concordancia cuando los datos de la simulación se promedian sobre el volumen de la pieza, lo que confirma la utilidad de los experimentos para validar los resultados de la simulación.
Los resultados ayudan a GE a validar sus modelos informáticos y ajustar los diseños de los componentes para reducir la acumulación de tensiones residuales durante la fabricación aditiva. Estos datos también permitirán a GE recocer sus productos y optimizar la relajación de la deformación sin introducir problemas estructurales no deseados.
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