Laser metal deposition enhancement by holistic simulation of powder mass flow and deposition into the melt pool

Résumé

En el presente trabajo de investigación se ha desarrollado una metodología para la mejora del proceso de aporte por láser mediante la modelización del mismo. El problema se ha abordado en diferentes pasos. Primero de todo, se ha desarrollado un cabezal de aporte que cumple con todos los requerimientos del proceso mediante un software comercial de CFD. Posteriormente, se ha fabricado y validado el mismo. Además, con el objetivo de mejorar la eficiencia de la boquilla e incrementar la estabilidad del proceso, se ha desarrollado un sistema novedoso de regulación del caudal del polvo. El cabezal de aporte ha sido empleado satisfactoriamente para la reparación y fabricación de diversas piezas. En lo que respecta a la modelización, se ha desarrollado un modelo que considera los fenómenos fluido-dinámicos que se producen dentro del baño fundido generado por un haz láser. Una vez se ha validado el modelo, se ha empleado para evaluar la importancia de considerar u omitir el movimiento del material fundido. Los resultados obtenidos indican que la influencia del movimiento del material fundido es mínima en el proceso de aporte por láser y pueden ser omitidos sin que ello suponga una pérdida de precisión. Basándose en esta última afirmación, se ha desarrollado un modelo tridimensional que simula el proceso de aporte por láser al completo. Este modelo calcula la transferencia de calor por conducción dentro de la pieza y la geometría del material aportado. Además, en función de los ciclos de calentamiento y enfriamiento que sufre el material, es capaz de predecir las propiedades mecánicas resultantes, tales como dureza, microestructura o la formación de poros.