Un nuevo “gemelo digital” del láser

Jun 14, 2023

Los investigadores desarrollan un sistema de análisis de procesamiento numérico que determina automáticamente las condiciones óptimas de formación

Universidad de Ciencias de Tokio

imagen: El equipo de investigación demostró que LDED es superior a otros métodos de reparación en términos de resistencia interfacial y propiedades mecánicas.ver más

Crédito: Masayuki Arai de la Universidad de Ciencias de Tokio

Las piezas mecánicas de la maquinaria industrial y las estructuras que desarrollan adelgazamiento o grietas deben reemplazarse por otras nuevas. En los últimos años se han planteado intentos de reparación de los mismos, con el fin de mejorar la sostenibilidad industrial. Por lo tanto, la tecnología de reparación de máquinas ha sido un tema candente de investigación y desarrollo. La fabricación impresa en 3D de metal convencional utiliza la superficie de un lecho de polvo colocado mecánicamente que se irradia con un láser o un haz de electrones para derretir las partículas de metal y fusionarlas. Sin embargo, este método requiere un equipo de fabricación voluminoso. Además, se elimina una gran cantidad de polvo metálico después del proceso de fabricación. Sin embargo, la deposición de energía dirigida por láser (LDED) es una tecnología prometedora que supera los desafíos. En esta técnica, los polvos metálicos se depositan en el foco de un rayo láser, luego se derriten y se apilan.

Las ventajas de LDED no solo están relacionadas con la compacidad del equipo, sino también con la reducción significativa de residuos de polvo metálico. Además, esta tecnología permite la fabricación de polvo metálico in situ en forma 3D en la superficie de un sustrato. ¡Esto significa que también se puede usar para reparar máquinas hechas de metal!

Un grupo de investigadores, que incluye al Profesor Masayuki Arai del Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, el Sr. Toshikazu Muramatsu, también de TUS, y el Dr. Kiyohiro Ito del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ingeniería Eléctrica, Universidad de Ciencias de Suwa, Japón, en colaboración con el Laboratorio de Desarrollo de Tecnología de Pulverización Térmica de TOCALO Co. Ltd., Japón, ha desarrollado una técnica de reparación usando LDED. "Usando nuestra técnica, la forma de la superficie de una estructura metálica se puede restaurar completamente en el sitio y la eliminación del polvo de metal requerido para la reparación se puede reducir significativamente. Sin embargo, las condiciones óptimas de formación requeridas para la aplicación generalizada de esta tecnología en Hasta ahora, la industria tenía que determinarse mediante un proceso de prueba y error", explica el Prof. Arai, que ha participado activamente en la investigación de la mecánica de daños y la tecnología de reparación.

En un artículo reciente publicado en Journal of Thermal Spray Technology el 23 de noviembre de 2022, los investigadores diseñaron un modelo matemático de LDED que genera automáticamente una región de deposición de polvo metálico utilizando un algoritmo muerte-nacimiento, eliminando las conjeturas necesarias para optimizar la producción. "El modelo de radiación térmica-conducción térmica y el modelo constitutivo viscoplástico-termoplástico se aplican a los elementos apilados que constituyen la región depositada, de modo que se puede simular fielmente una amplia gama de cambios de estado desde la fusión hasta la solidificación de la capa depositada de polvo metálico. Al incorporar estos modelos en un programa de análisis de elementos finitos, hemos desarrollado un nuevo sistema de análisis de mecanizado que nunca antes se había utilizado”, señala el Prof. Arai. El equipo simuló numéricamente el proceso de restauración y, por lo tanto, predijo las condiciones del proceso de formación, la distribución de la temperatura, el estado de deformación y la distribución de la tensión residual por adelantado y verificó los hallazgos a través de experimentos. Descubrieron que las tensiones residuales en la capa depositada eran mucho más bajas que las obtenidas mediante procesos de reparación convencionales.

Este novedoso sistema de análisis numérico de mecanizado 3D es un gemelo digital de la tecnología de mecanizado de núcleos existente basada en la fusión del metal en la zona a reparar. El método de análisis numérico desarrollado aquí podría aplicarse a varias aplicaciones industriales en el futuro, como la planificación de la reparación del adelgazamiento por cavitación en la superficie de un álabe utilizado en la bomba de circulación de una planta de energía y el diseño de un método para reducir la deformación residual después de reparar el adelgazamiento de la punta de la pala del rotor de una turbina de gas. En conjunto, las funciones de automatización y la predicción avanzada de las condiciones del proceso mediante el sistema de análisis de mecanizado numérico hacen que la fabricación de metal en capas 3D mediante la tecnología de reparación LDED sea más eficaz, con una gestión eficiente de los recursos para mejorar su sostenibilidad.

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Referencia

DOI: https://doi.org/10.1007/s11666-022-01499-6

Acerca de la Universidad de Ciencias de Tokio

La Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) es una universidad muy conocida y respetada, y la universidad de investigación privada especializada en ciencias más grande de Japón, con cuatro campus en el centro de Tokio y sus suburbios y en Hokkaido. Establecida en 1881, la universidad ha contribuido continuamente al desarrollo científico de Japón al inculcar el amor por la ciencia en investigadores, técnicos y educadores.

Con la misión de "Crear ciencia y tecnología para el desarrollo armonioso de la naturaleza, los seres humanos y la sociedad", TUS ha emprendido una amplia gama de investigaciones, desde la ciencia básica hasta la aplicada. TUS ha adoptado un enfoque multidisciplinario para la investigación y ha realizado estudios intensivos en algunos de los campos más vitales de la actualidad. TUS es una meritocracia donde se reconoce y fomenta lo mejor de la ciencia. Es la única universidad privada en Japón que ha producido un ganador del Premio Nobel y la única universidad privada en Asia que produce ganadores del Premio Nobel dentro del campo de las ciencias naturales.

Sitio web: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

Acerca del profesor Masayuki Arai de la Universidad de Ciencias de Tokio

El Dr. Masayuki Arai es profesor de Ingeniería Mecánica en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón. Su investigación se centra en materiales/mecánica de materiales (Mecánica de Sólidos, Mecánica de Daño, Mecánica de Interfaz). Obtuvo su Ph.D. del Instituto de Tecnología de Tokio. Es autor de más de 150 artículos arbitrados, más de 300 presentaciones en conferencias y tiene 3 patentes en su haber. Se ha desempeñado como editor invitado, editor asociado en los consejos editoriales de varias revistas de renombre. También se ha desempeñado en el comité científico de la Conferencia Asia-Pacífico sobre Fractura y Resistencia (2018), la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos (2016-2017).

Revista de tecnología de pulverización térmica

10.1007/s11666-022-01499-6

Modelado/simulación computacional

No aplica

Simulación numérica tridimensional del proceso de reparación mediante deposición de energía directa por láser

23-nov-2022

No hay conflictos de intereses que declarar.

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