Modelamiento fluido-dinámico de microtoberas de cold spray para la depositación de partículas de cobre utilizando mezclas helio-nitrógeno

Abstract

El propósito de este trabajo es aplicar modelamiento computacional fluido-dinámico (CFD) para estimar la eficiencia de depósito de partículas de Cobre en el proceso de Cold Spray con microtoberas. Con ello se busca estudiar la conveniencia del uso de mezclas Helio-Nitrógeno como gas de trabajo. Esto como una alternativa al uso de Helio puro que presenta un mejor desempeño para este tipo de proceso, pero al mismo tiempo, tiene un costo comercial mayor que el Nitrógeno. Este trabajo muestra que por medio de la caracterización de las propiedades termodinámicas de las mezclas Helio-Nitrógeno, es posible utilizar herramientas CFD para calcular la velocidad y temperatura de impacto de las partículas, y con ello estimar la eficiencia y factibilidad del proceso. En total se simulan ocho configuraciones diferentes de microtobera, con largos que varían entre 37 mm y 48 mm y con diámetros de salida que varían entre 2.4 mm y 3 mm. Se determina que el proceso de Cold Spray para partículas de Cobre no es factible para microtoberas de largo menor a 48 mm si se utiliza Nitrógeno puro, siendo la eficiencia máxima obtenible un 39%, lo que está en el límite de factibilidad. Como alternativas para mejorar la eficiencia del proceso aparece el precalentado de las partículas de Cobre y el uso de las mezclas Helio-Nitrógeno. Con respecto a este último punto, a partir del uso de una mezcla con un 28% de Helio (fracción molar), la eficiencia del proceso mejora hasta en un 74%. Mientras que para una mezcla con un 60% Helio, la eficiencia de depósito mejora hasta alcanzar un 90%. Esta investigación es un avance significativo para reducir el costo operacional de las microtoberas de Cold Spray. Además de contribuir con el estudio de nuevas tecnologías de manufactura aditiva con Cobre, el mineral más importante de la industria chilena.