Los científicos de la Universidad de Aston han iniciado un proyecto para desarrollar un modelo matemático para mejorar el proceso de fundición de metal líquido.
Se espera que este enfoque evite la rápida oxidación de las aleaciones ligeras de aluminio cuando se exponen por primera vez al aire. Investigadores del Reino Unido creen que un mayor conocimiento al respecto podría mejorar el proceso de impresión 3D con metales ligeros.
Esta investigación será financiada por una subvención de £80.000 del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC) y está dirigida por el Dr. Paul Griffiths, profesor titular de Matemáticas Aplicadas, con sede en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Físicas de la Universidad.
A partir de abril de 2024, este proyecto de 12 meses se denomina «Desarrollo de un modelo no newtoniano preciso de reología de superficie» y se llevará a cabo en colaboración con el Instituto Tecnológico de Grenoble (INP) en Francia.
«El objetivo de esta investigación es desarrollar un modelo matemático que represente con precisión el acoplamiento bidireccional entre un flujo de metal líquido y la capa de óxido suprayacente cuando esta última se comporta como una interfaz líquido/gas no newtoniana», explicó el Dr. Griffiths.
Mejorando la fundición de metales líquidos a través de las matemáticas
Actualmente, la industria del transporte está viendo cómo los metales tradicionales, como el acero, son reemplazados por aleaciones más ligeras.
Una de las principales ventajas de este abandono del acero es que dichas aleaciones no se oxidan. Sin embargo, las aleaciones ligeras se oxidan rápidamente cuando se exponen por primera vez a las condiciones ambientales. Esto afecta negativamente a su calidad y vida útil, limitando su utilidad en aplicaciones de producción industrial.
Para superar estos desafíos, el equipo de investigación se centrará en las finas películas de óxido que se desarrollan en las aleaciones. Aunque estas películas actúan como una capa protectora contra las condiciones externas, ayudando a proteger contra la corrosión, causan problemas.
Durante el proceso de fundición, cuando el aluminio se funde, finas películas de óxido pueden quedar atrapadas en la corriente de metal líquido. Este proceso de encapsulación puede ocurrir repetidamente y da como resultado la incrustación de películas de óxido en el producto final, lo que reduce la calidad y la vida útil de las piezas fundidas.
Según los investigadores, comprender mejor cómo controlar este proceso de oxidación ayudará a reducir los costos del ciclo de vida de fabricación. Los investigadores sostienen que esto conducirá a una mayor demanda de aleaciones ligeras y a menores emisiones de gases de efecto invernadero, dado que se requiere menos energía para transportar productos más ligeros.
El objetivo final de este proyecto es desarrollar un modelo matemático que pueda describir con precisión la dinámica entre el flujo de metal líquido y la capa de óxido, que no se puede determinar con los métodos actuales.
«El objetivo de este proyecto es describir tanto las características de la superficie (perfiles de velocidad y cizallamiento) como los importantes efectos de la curvatura de la superficie», afirmó el Dr. Griffiths. «El beneficio de un modelo mecanístico más apropiado para la superficie oxidada del flujo de metal fundido conducirá a una mejor comprensión del proceso de arrastre que afecta a la aleación».
Se espera que los hallazgos ofrezcan nuevos conocimientos sobre cómo controlar este proceso de oxidación en un entorno práctico. El modelo matemático será validado y verificado contra las observaciones experimentales disponibles.
Investigación en fabricación aditiva de metales
La investigación para mejorar la fabricación aditiva de metales no es nada nuevo. El año pasado, un equipo de investigadores de múltiples instituciones, incluido el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y el Real Instituto de Tecnología KTH en Suecia, anunció avances en la comprensión de cómo las velocidades de enfriamiento afectan las propiedades del metal durante la fusión de polvo por láser. LPBF).
Los científicos han luchado anteriormente para producir metales que tengan estructuras cristalinas específicas y predeterminadas. En consecuencia, la impresión 3D de metal a menudo produce piezas con formas complejas que se agrietan prematuramente. Este estudio investigó cómo las velocidades de enfriamiento afectan la estructura cristalina de los metales con el objetivo de controlar la microestructura del metal durante los pasos iniciales de la impresión 3D.
En última instancia, los hallazgos de los científicos confirmaron las predicciones de un modelo computacional que describe el endurecimiento de aleaciones, llamado modelo de endurecimiento basado en Kurtz-Giovannola-Trivedi (KGT). Como tal, el estudio demostró que este modelo se puede utilizar para predecir y controlar piezas metálicas durante la impresión 3D, mejorando la coherencia en la producción a gran escala.
Por otra parte, investigadores de la Universidad de Tsinghua y la Universidad Nacional de Singapur estudiaron el efecto del flujo de fluido en las propiedades mecánicas de piezas metálicas impresas en 3D. Las estructuras cristalinas en forma de árbol, llamadas dendritas, pueden crecer y extenderse a medida que el metal fundido se solidifica. A medida que crecen, las dendritas pueden afectar negativamente a las propiedades mecánicas del metal.
Por ello, el equipo de investigación estudió cómo crece la dendrita en diferentes condiciones de flujo. En última instancia, el equipo descubrió que el flujo de fluido y la tasa de solidificación tienen un efecto significativo en la formación de dendritas en la impresión 3D de metal.
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La imagen presentada muestra la fundición del metal. Foto vía Autodesk.
