Estabilidad del baño de fusión en la fusión láser de lecho de polvo y calibración de la ventana de proceso: método de ingeniería desde el keyhole y la falta de fusión hasta parámetros liberables

Introducción: que los parámetros “hayan salido” no equivale a estabilidad del proceso

En la fusión láser de lecho de polvo metálico (LPBF), la duda más habitual no es “no se puede fabricar”, sino “esta vez salió bien y la próxima no”. Con la misma máquina y el mismo lote de polvo, los parámetros del mes pasado pueden generar este mes falta de fusión por lotes; tras cambiar la ventana protectora, la calidad superficial empeora de repente; al modificar la posición de colocación, el mismo conjunto de parámetros produce poros de keyhole en zonas de pared delgada. La causa raíz de estas fluctuaciones no suele ser que los parámetros sean incorrectos, sino que el equipo nunca ha gestionado esos parámetros dentro de una ventana de proceso medible, reproducible y liberable.

Una ventana de proceso es el intervalo de combinaciones de cuatro variables —potencia láser, velocidad de escaneado, distancia entre pasadas y espesor de capa— que, bajo un material, un estado de equipo y unas condiciones geométricas determinados, permite obtener de forma estable cordones densos sin activar mecanismos de defecto. El objetivo de la calibración no es encontrar “un buen parámetro”, sino trazar los límites y saber cuánto margen existe entre esos límites y los parámetros actuales de producción.

1. Tres modos de fallo del baño de fusión: keyhole, falta de fusión y salpicaduras

El baño de fusión presenta tres fallos típicos, que corresponden respectivamente a una entrada de energía demasiado alta, demasiado baja y a perturbaciones.

Falta de fusión (Lack of Fusion): cuando la energía es insuficiente o la distancia entre pasadas es excesiva, el cordón no logra solaparse eficazmente con los cordones adyacentes o con la capa anterior, dejando cavidades irregulares, planas, con esquinas agudas y a menudo con polvo no fundido atrapado en su interior. Un desencadenante típico es la pérdida de control de la relación entre el espesor de capa y la profundidad de fusión: cuando la profundidad de fusión es inferior a 1,5 veces el espesor de capa, es muy fácil que queden defectos de falta de fusión en la interfaz entre capas. Este tipo de defecto se distribuye en capas a lo largo de la dirección de extendido del polvo y es un punto preferente de iniciación de grietas por fatiga.

Keyhole: una densidad de energía excesiva provoca una vaporización intensa del metal; la presión de retroceso del vapor genera en el baño de fusión una cavidad profunda y estrecha. Cuando esta cavidad se desestabiliza y colapsa, el vapor y el gas protector quedan atrapados en el frente de solidificación, formando poros esféricos de paredes internas lisas, a menudo situados en el fondo del baño de fusión y distribuidos en cadena a lo largo de la dirección de escaneado. El keyhole es reversible: basta con reducir la potencia o aumentar la velocidad de escaneado para salir de ese régimen, pero su aparición es abrupta; una vez superado el umbral, el número de poros no aumenta de forma lineal, sino por salto.

Salpicaduras (Spatter): la pluma de vapor situada sobre el baño de fusión expulsa gotas fundidas, con tamaños de partícula normalmente entre 50 y 200 μm. Una parte de las salpicaduras cae sobre el lecho de polvo y forma inclusiones de partículas grandes; otra parte cae sobre la ventana protectora, generando absorción local y aumento de temperatura, lo que a su vez modifica la energía real que llega a la superficie del polvo. Esta es una cadena típica de degradación por retroalimentación positiva y también el origen físico de que “cuanto más se imprime, peor sale”.

2. No usar solo densidad de energía volumétrica: la entalpía normalizada predice mejor el keyhole

En la industria se acostumbra a usar la densidad de energía volumétrica E = P /(v × h × t), en J/mm³, para comparar parámetros. Facilita la comunicación, pero tiene un defecto fatal: presupone implícitamente que el tamaño del baño de fusión escala linealmente con los parámetros, cuando en realidad el baño de fusión es el resultado acoplado de la conducción térmica y el cambio de fase. Con un mismo valor de E, dos combinaciones —alta potencia y alta velocidad frente a baja potencia y baja velocidad— pueden producir morfologías de baño de fusión completamente distintas: una estable y otra ya en régimen de keyhole.

Un criterio más fiable es la entalpía normalizada ΔH/hs, es decir, la relación entre la entalpía de entrada al baño de fusión y la entalpía de fusión del material, que incorpora la absorptividad, la difusividad térmica, el punto de fusión y el sobrecalentamiento del material. En ingeniería puede usarse una forma simplificada para evaluarlo: cuando la entalpía normalizada entra en cierto intervalo umbral, la relación ancho/profundidad del baño de fusión cae rápidamente desde el modo de conducción, de 1,2–1,8, hasta por debajo de 1,0, entrando en modo keyhole. Usar la relación ancho/profundidad del baño de fusión como indicador indirecto medible en planta es mucho más eficaz que fijarse solo en el número de densidad de energía: tras montar y pulir muestras de escaneado de cordón único, se miden directamente el ancho y la profundidad de fusión con un microscopio metalográfico, con bajo coste y un criterio intuitivo.

3. Calibración de la ventana de proceso: progresión en tres niveles desde cordón único hasta bloque

Se recomienda dividir la calibración en tres niveles y converger gradualmente, evitando fabricar muchas probetas desde el inicio.

Primer nivel: escaneado de cordón único (Single Track). Se escanean cordones únicos sobre el sustrato siguiendo una matriz de potencia × velocidad, con separación suficiente para evitar interferencias entre cordones. Se observa la continuidad del cordón: las zonas con esferoidización evidente (Balling) o discontinuidades se descartan directamente; las regiones continuas, con bordes rectos y relación ancho/profundidad de 1,2–1,8 entran en la zona candidata. Este paso solo requiere una placa base, tiene el menor coste y puede eliminar aproximadamente la mitad del espacio de parámetros.

Segundo nivel: matriz de densidad en bloques. Dentro de la zona candidata se seleccionan combinaciones de potencia—velocidad de 3×3 o 4×4, se imprimen cubos de prueba de 10 × 10 × 10 mm, se mide la densidad relativa mediante el método de Arquímedes y se complementa con el recuento de porosidad en secciones metalográficas. En ingeniería, se toma como línea de decisión de zona densa una densidad relativa ≥ 99,5 %, porosidad metalográfica < 0,5 % y ausencia de poros esféricos en cadena. El punto de máxima densidad suele estar cerca del límite de keyhole; por tanto, no debe elegirse el pico de densidad como parámetro de producción. Debe seleccionarse el centro de la zona densa, de modo que exista margen tanto respecto al límite de falta de fusión como al límite de keyhole.

Tercer nivel: verificación de sensibilidad geométrica. Se repite la validación con una probeta característica que contenga paredes delgadas (0,3–0,5 mm), voladizos, aristas agudas y pequeños orificios. En paredes delgadas, la disipación térmica es peor y la acumulación de calor es severa, por lo que en producción real suelen aparecer señales de keyhole antes que en probetas macizas. Este paso determina el rango de aplicabilidad geométrica de la ventana de proceso, y debe indicarse en el documento de trabajo que “esta ventana es aplicable a estructuras con espesor de pared ≥ X mm”.

4. Desenfoque y tamaño de punto: la cuarta y quinta variables ignoradas

Muchos equipos calibran con gran detalle, pero no incorporan al control el desenfoque ni el diámetro del punto láser. Tomando como ejemplo un punto gaussiano habitual, el foco nominal ronda los 70–80 μm; por cada desplazamiento de desenfoque de 0,5 mm, el diámetro del punto que llega a la superficie del polvo puede aumentar de 80 μm a más de 120 μm, y la densidad de potencia disminuye aproximadamente a la mitad, lo suficiente para empujar los parámetros desde la zona central hacia la zona de falta de fusión. Por ello, el desenfoque debe estar controlado al mismo nivel que los parámetros de proceso: cada vez que se cambie la ventana protectora, se ajuste el trayecto óptico o se sustituya el galvanómetro, debe recalibrarse el foco y registrarse el tamaño de punto medido, en lugar de seguir usando el valor de fábrica.

También se subestima la degradación real de la potencia láser. La calibración usa potencia nominal, pero la potencia que llega a la superficie del polvo está afectada por contaminación de lentes, envejecimiento de la fibra óptica y temperatura del agua de refrigeración. La experiencia práctica de mantenimiento de equipos indica que: una desviación de potencia medida superior al 5 % debe activar la recalibración de la ventana, y en la tabla de parámetros debe registrarse la potencia medida, no la nominal. Este requisito debe vincularse en el mismo documento de trabajo con el ciclo de inspección del sistema óptico: posición cero del galvanómetro, transmitancia de la ventana protectora y calibración de potencia.

5. Salpicaduras y flujo de gas: convertir la observación en indicadores cuantificables

Las salpicaduras suelen considerarse un problema secundario de “algo de suciedad en planta”, pero en realidad son una señal temprana del estado energético. Hay tres métodos de cuantificación viables: primero, colocar láminas de muestreo sobre el lecho de polvo para contar el número de partículas de salpicadura por unidad de área y su distribución de tamaños; segundo, registrar con una cámara coaxial o lateral la morfología de la pluma y las fluctuaciones de brillo; tercero, medir periódicamente la velocidad de degradación de la transmitancia de la ventana protectora. Ninguno de los tres requiere equipos costosos, pero permiten convertir “parece más o menos igual” en datos de serie temporal.

El flujo de gas protector también debe cuantificarse. Si la velocidad del flujo cruzado es demasiado baja, la pluma y las salpicaduras forman apantallamiento y dispersión en el trayecto del láser, provocando atenuación e inestabilidad energética; si es demasiado alta, puede arrastrar polvo fino y destruir la uniformidad del lecho de polvo. Un intervalo de ingeniería habitual es 2–4 m/s, exigiendo además que el campo de flujo sea uniforme dentro del área de trabajo. La manifestación de un flujo no uniforme es muy reconocible: la calidad de fabricación cambia sistemáticamente con la posición en distintas zonas del lecho de polvo, en lugar de fluctuar de forma aleatoria. Ante este tipo de “defecto dependiente de la posición”, el primer sospechoso debe ser el flujo de gas o el extendido de polvo, no los parámetros.

6. Convertir la ventana de proceso en reglas de liberación ejecutables

El valor de la calibración solo se materializa cuando se incorpora a reglas. Un documento de ventana de proceso útil debe incluir, como mínimo: material y lote aplicables, número de equipo y potencia medida, tamaño de punto medido y desenfoque, los cuatro elementos de parámetros y sus bandas de variación permitidas, límites de la zona densa y explicación del margen del punto de trabajo seleccionado, rango de aplicabilidad geométrica, condiciones que activan la recalibración —cambio de ventana, cambio de lote de polvo, desviación de potencia > 5 %, parada del equipo superior al tiempo especificado—, así como el método de confirmación de primera pieza.

En la etapa de liberación se recomienda asociar un bloque estándar: en cada lote o turno se imprime junto con la carga una probeta de densidad/características; si la densidad no cumple, se considera anómalo el estado de proceso de ese lote, en lugar de esperar a descubrirlo durante la inspección del producto terminado. De este modo, la ventana de proceso pasa de ser “conocimiento de ingeniería” a convertirse en “regla de línea de producción”, y el punto de control de calidad se desplaza desde la inspección final hacia el proceso.

Conclusión

La estabilidad del proceso LPBF no se obtiene mediante ajustes empíricos finos, sino trazando límites, cuantificando márgenes e incorporándolos a reglas. Hay que recordar tres acciones: usar la relación ancho/profundidad del baño de fusión y la entalpía normalizada en lugar de una única densidad de energía para evaluar el keyhole; emplear una progresión de tres niveles —cordón único, bloque y pieza característica— para converger la ventana dejando margen en ambos sentidos; e incorporar el desenfoque, el tamaño de punto, la potencia medida, las salpicaduras y el flujo de gas al mismo nivel de control que los parámetros. Al lograr estos tres puntos, el problema de “esta vez salió bien y la próxima no” se reducirá significativamente, y la capacidad de proceso podrá realmente entregarse, reutilizarse y auditarse.