Lo que necesita saber sobre EHLA

Proceso de deposición láser de alta velocidad para recubrir un rodillo a una velocidad de hasta 200 m/minuto. El proceso permite aplicar capas de entre 25 y 250 micrómetros de espesor. Foto: Fraunhofer ILT.

El Doctor en Ingeniería Thomas Schopphoven sabe mucho sobre la deposición de material con láser de alta velocidad extrema (EHLA, por sus siglas en inglés), un proceso de recubrimiento que puede ofrecer mejoras significativas en las piezas en comparación con otros enfoques más tradicionales, como la deposición de material por láser o el cromado hexavalente.

Schopphoven, quien es director del grupo de Deposición de Material Láser en el Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, hizo su tesis de doctorado sobre la EHLA y actualmente dirige el equipo de Fraunhofer que sigue desarrollando el proceso.

En cuanto a la parte de “alta velocidad” del nombre: el proceso ha mostrado ser capaz de recubrir un rodillo calefactor de 1,200 mm de largo y 200 mm de diámetro con una mezcla de polvo de hierro, níquel y cobalto a una velocidad de hasta 200 metros por minuto. La pieza de trabajo se sujeta en un mandril y se gira a medida que el láser se mueve en paralelo a la superficie de la pieza. El espesor del revestimiento estuvo en un rango de 50 a 300 µm.

Según Fraunhofer, en comparación con la deposición de material por láser, la EHLA permite una velocidad de avance hasta 250 veces más rápida, una velocidad de recubrimiento 10 veces mayor y una reducción de la rugosidad de la superficie de 10 veces (de R_z 100-200 µm a 10-20 µm).

En cuanto al beneficio comparado con el enfoque del cromado hexavalente, hay que saber que durante el desarrollo de la EHLA parecía que iba a ser prohibido por la Unión Europea debido a preocupaciones medioambientales. Esta prohibición no se ha dado, pero las empresas que usan el proceso de cromado hexavalente deben obtener un permiso especial, y Schopphoven señala que “los obstáculos a superar son muy altos” para quienes intentan obtener dicho permiso.

Resulta que, si bien la EHLA no es especialmente buena para aplicar un recubrimiento de cromo —aunque puede usarse con una variedad de materiales como hierro, níquel, cobalto, cerámicas y carburos— en el recubrimiento de cilindros hidráulicos para aplicaciones en alta mar, que es la aplicación en la que EHLA ha demostrado ser altamente exitosa, el cambio de material es ventajoso.

Schopphoven dice que usaron una aleación a base de níquel en lugar del cromo duro. Si bien la aleación de níquel es más suave que el cromo, en la aplicación es más resistente a la corrosión y tiene mayor fuerza de vinculación debido a la unión metalúrgica que se forma durante la EHLA. Así, en la aplicación, la vida útil de los cilindros en realidad se mejoró en comparación con el revestimiento de cromo.

¿Que necesita?

Esta boquilla de polvo de TRUMPF facilita una velocidad de recubrimiento de 600 centímetros cuadrados por minuto o más —posiblemente hasta 1,000 centímetros cuadrados por minuto. Esto significa que debe haber grandes cantidades de polvo y, en consecuencia, un láser con potencia suficiente para fundir el polvo, como un láser de 8-kW que ha desarrollado la empresa. Foto: TRUMPF.

“Suena simple y el principio es simple”, reconoce Schopphoven, sin embargo, hay algo que decir sobre la capacidad de coordinar y ejecutar los elementos de una manera orquestada para hacer que la EHLA funcione.

Primero, el láser. “Trabajamos con un láser de procesamiento de materiales típico, algo que está disponible comercialmente”.

Dice que “los láseres de diodo son excelentes para nosotros”. Suelen ser comparativamente económicos y pueden proveer una longitud de onda de aproximadamente 1 mm, que es lo que se busca para realizar la EHLA.

Entonces, el láser no tiene nada de especial. Pero esto no significa que cualquier láser de diodo sea aplicable.

En términos de potencia, generalmente es específico para la aplicación. Es decir, “tenemos un cliente que trabaja con un láser de 4 kW, pero solo usa 3 kW porque no pueden pulverizar las piezas producidas más rápido”. Incluso si estuvieran recubriendo más rápido, la producción de piezas terminadas no sería más rápida debido a la capacidad de pulverización.

Schopphoven dice que, aunque la salida suele ser de 10 kW o menos, ir a 12 o incluso 20 kW es “pensable”.

Los materiales son polvos que se usan comúnmente en recubrimientos convencionales, en la pulverización térmica e incluso en la fabricación aditiva.

Luego, hay un alimentador de polvo. De nuevo, no es algo exótico, pero sí algo que debe tener la precisión necesaria para mover el polvo dentro del diámetro del haz (que, recuerde, es de 1 a 2 mm) y a “un par de metros por segundo”.

¿Como funciona?

Aunque la EHLA se basa en la deposición de material por láser convencional (LMD), es diferente.

Es decir, en la LMD, el láser forma un baño de fusión en la pieza de trabajo, luego el polvo de relleno metálico se introduce y se funde en el baño. Esto da como resultado una unión metalúrgica (no habrá delaminación, como puede ser el caso del cromado duro).

En la EHLA, las partículas se funden antes de que lleguen a la piscina de fusión. “Se encuentran con la piscina como un líquido”, dice Schopphoven. “Esto nos permite ir más rápido”. Más rápido en órdenes de magnitud.

El polvo generalmente es propulsado por un gas portador inerte, como argón, nitrógeno o helio.

Si bien el proceso puede ser simple (usar láser para derretir la superficie de la pieza de trabajo; inyectar partículas de polvo derretido y continuar), Schopphoven señala que es importante que los parámetros estén bajo control para asegurar la fusión de la pieza de trabajo y el polvo. “Se necesita bastante conocimiento para resolver el problema del polvo durante el corto tiempo de interacción”.

Y en cuanto al tema del tiempo, debe tenerse en cuenta que hay una pequeña zona afectada por el calor (ZAC), del orden de 5-10 µm, ya que la convección de calor es un proceso que depende del tiempo y esto está ocurriendo rápidamente. Schopphoven dice que esto puede permitir el recubrimiento de un acero termotratable sobre una aleación de aluminio, dos materiales con temperaturas de fusión completamente diferentes.

Otro desarrollo que se ha producido es la combinación de EHLA y la proyección térmica (termal spraying) o termorrociado.

Schopphoven dice que, debido a que se forma una unión mecánica entre el recubrimiento y el sustrato, el proceso de termorrociado requiere que la superficie del sustrato sea pulida con chorro de arena o activada de otro modo. Todo lo que se necesita para la EHLA es que la superficie esté libre de aceite.

Si bien los parámetros de la EHLA se pueden ajustar para ofrecer una superficie que puede no requerir ningún procesamiento posterior como el pulido, también se pueden ajustar para proveer una superficie que permita aceptar el termorrociado. Por lo tanto, si una pieza se recubre inicialmente con EHLA y luego se coloca el termorrociado encima, mientras que la fuerza de unión del termorrociado en la superficie no será muy diferente a la de una superficie sin recubrimiento de EHLA, si la pieza se somete a cargas elevadas y dinámicas de flexión que pueden provocar el agrietamiento del revestimiento por termorrociado y una posible corrosión del sustrato, con el revestimiento de EHLA, incluso si la capa de termorrociado se agrieta, la capa de EHLA protegerá la pieza.

No para todas las aplicaciones

Aunque la EHLA es un proceso avanzado, Thomas Schopphoven de Fraunhofer dice que el equipo para hacerlo, como el láser, está disponible fácilmente. La ejecución del proceso es lo que marca la diferencia. Foto: Fraunhofer ILT.

Schopphoven dice que la EHLA no es aplicable en todos los casos. “Es una alternativa solo si los costos están en orden y se cubren los aspectos tecnológicos”.

En cuanto a esto último, la cuestión es si el recubrimiento cumple los requisitos del uso final de la pieza en comparación con el que se pueda aplicar de otra manera. Por ejemplo, él señala que las aleaciones con un contenido de carburo del 80% + son difíciles debido a la dificultad que presenta el fundir rápidamente las partículas de carburo.

Con respecto al aspecto económico, Schopphoven dice que para los procesos galvánicos puede haber un baño enorme en el que se sumergen 100 partes al mismo tiempo. La EHLA no es un proceso de baño.

Luego, apunta algunas otras consideraciones. Por ejemplo, señala que un láser de diodo tiene una buena eficiencia energética optoeléctrica y los procesos galvánicos requieren mucha energía.

También observa que la EHLA es muy eficiente en términos de uso del material, con un 90% del polvo aplicado en la pieza.

Pero, a fin de cuentas, la pregunta es si la EHLA es aplicable teniendo en cuenta todas las consideraciones técnicas y económicas. Si es así, Schopphoven dice que el resultado será “al menos competitivo, o mejor”.

Sin compromisos.