Impacto de las estrategias de proceso y postproceso en la calidad de piezas de acero inoxidable 17-4PH fabricadas mediante fusión selectiva por láser

Resumen

Hoy en día la fabricación aditiva (AM, Additive Manufacturing), técnica emergente que consiste en construir componentes tridimensionales depositando material capa a capa, está cambiando la naturaleza de la producción y el aprovisionamiento entre otras actividades de la cadena de valor. El nuevo paradigma pone énfasis en la personalización, la optimización topológica, los productos más especializados y la producción de lotes pequeños. Entre las diferentes técnicas de AM cabe destacar la fusión de lecho de polvo de materiales metálicos. En especial, el proceso de fusión selectiva por láser (SLM, Selective Laser Melting) presenta una demanda creciente por la alta densidad y las buenas propiedades mecánicas de las piezas finales. El proceso de fabricación SLM es considerado una de las técnicas de AM más versátil, ya que puede procesar una amplia gama de metales, incluyendo aceros inoxidables endurecidos por precipitación, como el 17-4PH. La aleación de 17-4PH, por sus destacadas propiedades, es utilizada para la fabricación de prototipos de grado industrial, piezas de producción o repuestos para el sector aeroespacial, la industria química y petroquímica, el sector energético, así como para la producción de instrumentos quirúrgicos y componentes de alto desgaste. No obstante, cumplir con las demandas industriales y conseguir un rendimiento mecánico satisfactorio en los componentes fabricados por SLM es actualmente uno de los desafíos más importante para impulsar una amplia implementación de esta técnica de fabricación. En este contexto se enmarca la presente tesis doctoral, cuyo objetivo principal es evaluar el impacto de los principales factores involucrados en el proceso de fabricación SLM de piezas de acero inoxidable 17-4PH, la influencia de la aplicación de postprocesos recomendados, así como la optimización del proceso de inspección óptica de este tipo de piezas. En primer lugar, se ajustaron los principales parámetros del láser (potencia y desenfoque) para la adecuada fabricación SLM. Una vez fijados estos parámetros, se evaluó la influencia de la estrategia de escaneo láser en la calidad de las piezas impresas. Además de los parámetros del proceso, otro factor que puede influir en las propiedades de las piezas es el reciclaje del polvo sobrante (no fundido) en cada ciclo de fabricación SLM. Para evaluar este aspecto, se analizó el polvo de acero inoxidable 17-4PH tanto en estado virgen como en diferentes grados de reutilización (hasta un máximo de 20 ciclos), así como las piezas fabricadas a partir de estos estados de la materia prima. Respecto a la etapa de preparación del archivo para su transferencia a la máquina, se estudió la influencia geométrica y dimensional de la posición de las piezas en la placa base, la cual podría estar relacionada con el efecto del rodillo durante las operaciones de deposición y compactación de las capas de polvo. Con relación a la etapa de diseño, se evaluó la influencia de fabricar distintos tipos de geometrías sobre planos con diferente ángulo de inclinación, a fin de obtener piezas con buena precisión geométrica y dimensional. Por otro lado, se evaluó la influencia de los postprocesos SLM en diferentes propiedades de las piezas impresas. El postproceso mecánico de arenado es de interés por su mejora en el acabado superficial. Y los tratamientos térmicos son comúnmente recomendados para aliviar las tensiones residuales, homogeneizar la microestructura, mejorar las propiedades mecánicas, e incluso, reducir notablemente la porosidad interna. Finalmente, se evaluó la idoneidad de la inspección óptica de este tipo de piezas. Para ello, se llevó a cabo la comparación de las mediciones realizadas utilizando diferentes sistemas ópticos (basados en las técnicas de triangulación láser, holografía conoscópica y luz estructurada) con la finalidad de seleccionar el sistema más adecuado, en términos tanto de precisión geométrica y dimensional como de tiempo requerido en el proceso de inspección completo. La inspección con diferentes equipos ópticos influye directamente en la calidad de la nube de puntos resultante, por esta razón, se evaluó la influencia de la aplicación del filtrado de puntos espurios en la digitalización de este tipo de piezas. Por último, se analizó la influencia de los diferentes estados de postproceso de las piezas fabricadas por SLM (sin postproceso, tras la aplicación de arenado y tras la aplicación de tratamiento térmico) en la precisión geométrica y dimensional de la medición óptica.