Estudio fluido-dinámico de los procesos de manufactura de microtoberas y su influencia en las velocidades de partículas de cobre en el Cold Spray

Abstract

El objetivo de este trabajo es aplicar estudios fluidodinámicos a los procesos de manufactura de microtoberas, evaluando cómo su geometría y rugosidad influyen en las velocidades de partículas de cobre en el proceso de Cold Spray.

Para ello, se estudian y comparan diversas geometrías y niveles de rugosidad en tres métodos de fabricación: taladrado, impresión 3D y electroerosión por perforación, con el fin de estimar la eficiencia de deposición de 100 partículas de cobre empleando helio como gas propulsor.

Este estudio analiza tres microtoberas, cada una diseñada específicamente para uno de los métodos de fabricación, manteniendo constantes el diámetro de garganta, el diámetro de salida y la longitud de la microtobera, con medidas de 1 mm, 2 mm y 40 mm, respectivamente. Cada microtobera se modeló con un mallado promedio de 200 mil elementos. En total, se simularon los tres procesos, generando contornos de velocidad, temperatura, presión y número de Mach. Posteriormente, a través del modelo de fase discreta (DPM), se inyectaron 100 partículas de diámetros entre 5 y varios micrómetros en ocho configuraciones de tamaños de partículas.

El análisis determina que el proceso más eficiente es la impresión 3D, logrando una eficiencia del 33.24% y demostrando una mayor eficacia en la proyección de partículas más frías en el proceso de Cold Spray en comparación con los otros métodos.

Como trabajo futuro, se propone investigar otras geometrías de microtoberas y modelos de viscosidad, así como alargar las microtoberas para aumentar su eficiencia termodinámica, explorar modelos de turbulencia adicionales y realizar una verificación experimental. Esto permitiría aplicar estos conocimientos en la creación y reparación de componentes, generando un valor agregado al cobre, un mineral de gran importancia para la economía nacional.\\