Cómo el Fraunhofer ILT transforma procesos industriales con radiación de sincrotrón
En el equipo interdisciplinario "Laser Meets Synchrotron" en el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Hamburgo, el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Láser ILT y la RWTH Aachen - Cátedra de Tecnología de Láser trabajan en estrecha colaboración; investigan cuestiones científicas fundamentales de las cuales surgen innovaciones industriales. Además de los dos socios, el consorcio incluye a la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Núremberg, la Universidad de Stuttgart, la Universidad Técnica de Ilmenau y la Universidad Técnica de Viena.
El director de proyecto Christoph Spurk de la RWTH Aachen coordina el transporte y la instalación de los equipos, láseres y componentes ópticos, y distribuye las tareas entre especialistas en los campos de la física, TI, ciencia de materiales e ingeniería mecánica. El equipo de investigación opera en un sistema de turnos de tres turnos, 24/7, y realiza un total de 700 experimentos diferentes en siete días. Estos experimentos abarcan procesos industriales de láser como la soldadura, perforación y corte, con el objetivo de entender mejor las propiedades y el comportamiento de los materiales y, finalmente, optimizar los procesos.
"Con la radiación de sincrotrón, podemos visualizar procesos láser realistas en tiempo real en DESY, observar capilares de vapor, movimientos de fusión o la formación de poros", explica Spurk.
Precisión en tiempo real: Procesos láser optimizados para la industria y la investigación
Los resultados de la investigación muestran que mediante un ajuste específico de las configuraciones del láser es posible lograr una reducción significativa de las fisuras por tensión, minimizar la porosidad y aumentar la conductividad eléctrica. Las capilares de vapor y los movimientos de fusión, que a menudo conducen a defectos, se han visualizado por primera vez con alta resolución, lo que permite la optimización de los procesos de soldadura para baterías de alto rendimiento.
Con su destacada brillantez e intensidad, la radiación de sincrotrón permite investigaciones con una resolución en el rango de micrómetros e incluso nanómetros, proporcionando una visión de las estructuras materiales más finas y de los procesos dinámicos. Los sistemas ópticos enfocan la radiación láser de manera precisa sobre los materiales; para la visualización se utilizan cámaras de alta velocidad que alcanzan tasas de imagen de hasta 50,000 fotogramas por segundo; Spurk y su equipo ya están trabajando en un sistema que en el futuro debería alcanzar 200,000 Hz. Para la visualización del contraste de fase, el equipo utiliza centelleadores que convierten la radiación de rayos X en luz visible.
Si el contraste sigue siendo demasiado bajo, los investigadores añaden partículas de tungsteno o carburo de tungsteno al material. Las partículas son visibles en las imágenes como puntos negros y proporcionan información sobre el movimiento de fusión.
En el sector automotriz, la aviación, la tecnología del hidrógeno o la microelectrónica, por ejemplo, la soldadura sin errores de conexiones de cobre o de aluminio es esencial, lo que también se aplica a las conexiones de metal y plástico. Solo a través de la visualización en tiempo real se pueden identificar los más pequeños defectos de material que no serían visibles con métodos convencionales.
Conexiones de materiales innovadores: Nuevas perspectivas para la electromovilidad, la aviación y la microelectrónica.
«La investigación de combinaciones de materiales complejas como las uniones de cobre-aluminio es extremadamente importante para la electromovilidad, donde se utilizan en baterías de alto rendimiento y otros componentes críticos», explica el Dr. Alexander Olowinsky, jefe del departamento de unión y separación en el Fraunhofer ILT. «Gracias a los datos obtenidos en DESY, se pueden fabricar tales uniones con mayor resistencia y fiabilidad. En el área de la construcción ligera, también estamos investigando otros procesos de estructuración y los resultados se incorporan directamente en el desarrollo de nuevas tecnologías.»
La radiación de sincrotrón permite detectar de manera temprana las fisuras de tensión y estructuras no deseadas en las uniones de aluminio-titanio en la industria aeroespacial, optimizando así el proceso de fabricación. Además, la soldadura por láser de polvo de superaleaciones a base de níquel, como las palas de turbina, se mejora con la ayuda de tomas de alta velocidad. En la microelectrónica, los procesos de conexión de alta precisión son esenciales. El análisis de los movimientos de fusión en cintas de cobre ultradelgadas ayuda a evitar cortocircuitos y fatiga del material, lo que es especialmente importante para la producción de semiconductores y placas de circuito impreso.
De Big Data a Smart Data: Análisis precisos para innovaciones industriales
La experiencia de los socios de "Laser Meets Synchrotron" juega un papel clave en la utilización de esta tecnología. Los datos obtenidos requieren análisis especializados, que solo son posibles con un conocimiento sólido y software dedicado: el equipo de investigación regresa a los institutos con hasta 50 terabytes de datos.
«Nuestra fortaleza no solo radica en llevar a cabo estos experimentos, sino sobre todo en entender e interpretar los resultados, procesar los datos complejos y hacerlos utilizables», explica Christoph Spurk. «De Big Data hacemos Smart Data.» Esto solo es posible gracias a la orientación interdisciplinaria del equipo; solo así se pueden transferir los datos obtenidos en el sincrotrón a la práctica.
El beneficio económico para clientes y socios va mucho más allá de las optimizaciones de procesos: los datos y conocimientos obtenidos forman la base para modelos de negocio completamente nuevos, por ejemplo, en el área del desarrollo de materiales impulsado por datos. De este modo, las empresas pueden desarrollar materiales a medida para aplicaciones específicas con los resultados de análisis precisos, lo que les otorga una ventaja competitiva decisiva. Empresas como Audi, Bosch Research y Denso han podido hacer sus procesos de producción más eficientes y acortar los ciclos de desarrollo a través de la cooperación.
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