Microdepósitos de lubricante por láser de nanosegundo

En este contexto, el texturizado superficial mediante láser se ha consolidado como una técnica avanzada que permite modificar de forma controlada la superficie del material para dotarlo de funcionalidades específicas [2]. Entre las diferentes estrategias desarrolladas, la generación de microestructuras capaces de actuar como microdepósitos de lubricante ha demostrado ser especialmente eficaz para mejorar las condiciones de lubricación en regímenes límite o mixtos, favoreciendo la retención de lubricante y reduciendo el contacto directo entre superficies [3].

La obtención de este tipo de microestructuras se ha asociado tradicionalmente al uso de láseres de pulsos ultracortos, especialmente láseres de femtosegundo. Estos sistemas operan con duraciones de pulso del orden de 10⁻¹⁵ segundos, lo que permite un elevado aporte de energía en un tiempo muy corto. Como consecuencia, la interacción con el material se produce con una mínima difusión térmica, dando lugar a procesos de ablación altamente precisos y con una zona afectada térmicamente prácticamente despreciable [4]. Esta característica facilita la generación de geometrías micrométricas con bordes bien definidos, ausencia de rebabas y elevada calidad superficial [5].

Sin embargo, estas ventajas vienen acompañadas de importantes limitaciones desde el punto de vista industrial. La generación de pulsos ultracortos requiere sistemas ópticos complejos, basados en técnicas avanzadas de amplificación y compresión de pulsos, lo que incrementa significativamente el coste de adquisición y mantenimiento. Asimismo, estos sistemas presentan generalmente una menor eficiencia energética y una productividad reducida en comparación con fuentes de pulso más largo, debido a limitaciones en la potencia media utilizable y a la necesidad de operar en condiciones altamente controladas. Este conjunto de factores se traduce en inversiones elevadas y en una mayor dificultad para su integración en entornos industriales convencionales [6].

Frente a estas limitaciones, los láseres de nanosegundo representan una alternativa tecnológica más accesible. Estos sistemas operan con duraciones de pulso del orden de 10⁻⁹ segundos, lo que implica una interacción más prolongada con el material y, por tanto, una mayor influencia de los fenómenos térmicos durante el proceso. Esta diferencia fundamental se traduce en la aparición de zonas afectadas térmicamente más amplias y en la formación de material resolidificado en el contorno de las cavidades generadas.

No obstante, los láseres de nanosegundo presentan ventajas significativas en términos de robustez, eficiencia y coste. Su diseño es considerablemente más simple, lo que permite reducir tanto la inversión inicial como los costes operativos. Además, ofrecen mayores velocidades de procesado y una mayor facilidad de integración en sistemas industriales automatizados. Estas características los convierten en una opción especialmente atractiva para aplicaciones donde la ultra-precisión del femtosegundo no sea imprescindible y pueda alcanzarse un compromiso adecuado entre calidad geométrica, productividad y coste [7].

En este contexto, resulta de gran interés analizar hasta qué punto es posible utilizar fuentes de nanosegundo para la generación de microdepósitos de lubricante con funcionalidad tribológica, identificando sus limitaciones, así como las estrategias necesarias para el control preciso de sus dimensiones. El presente trabajo aborda este objetivo mediante el desarrollo de una metodología experimental orientada a la generación de texturas funcionales, prestando especial atención a la caracterización del proceso y al control de los parámetros que gobiernan la formación de las microestructuras.

El desarrollo del proceso de texturizado se ha estructurado en una secuencia metodológica orientada a garantizar tanto la funcionalidad de las geometrías obtenidas como la viabilidad del proceso desde el punto de vista industrial.

En una primera fase se han definido las texturas objetivo, estableciendo de forma precisa los valores de diámetro y profundidad de los microdepósitos de lubricante. Esta definición inicial resulta crítica, ya que condiciona la selección posterior de parámetros y permite orientar el proceso hacia aplicaciones tribológicas específicas. Las geometrías consideradas se sitúan en el rango micrométrico, con diámetros del orden de varias decenas de micras y profundidades inferiores a la micra, valores adecuados para favorecer la retención de lubricante sin comprometer la integridad superficial del componente [3].

• T1: D= 30 [??m]; P = 0,4 [??m]
• T2: D= 50 [??m]; P= 0,4 [??m]
• T3: D= 15 [??m]; P= 0,4 [??m]

Una vez definidas las geometrías objetivo, se ha llevado a cabo una fase de caracterización del sistema láser centrada en el análisis del posicionamiento focal. Este aspecto ha resultado especialmente relevante debido a la elevada sensibilidad del proceso frente a pequeñas variaciones en la distancia entre el cabezal láser y la superficie de trabajo, especialmente en geometrías de muy baja profundidad, donde el proceso opera en rangos de potencia muy reducidos y el margen operativo es extremadamente estrecho. En estas condiciones, existe una diferencia mínima entre no producir modificación alguna sobre el material, obtener la geometría deseada o generar una ablación excesiva.

Como se aprecia en las curvas, la variación de la densidad energética con el desenfoque no es lineal. Debido a la forma del haz, en las proximidades del foco existe una cierta tolerancia en la que pequeños desplazamientos apenas afectan a la densidad energética incidente. Sin embargo, cuando el sistema se encuentra más alejado de la posición focal óptima, la densidad energética disminuye rápidamente, reduciendo de forma significativa la interacción del láser con el material. Por ello, pequeñas variaciones en la posición focal pueden modificar de manera considerable el resultado del mecanizado.

Tal y como se observa en la figura, la profundidad de las cavidades presenta una dependencia directa con el desenfoque aplicado, identificándose un punto óptimo de funcionamiento desplazado respecto al enfoque nominal. Este comportamiento pone de manifiesto la necesidad de efectuar una calibración precisa del sistema, así como de establecer criterios de compensación que permitan corregir los errores de posicionamiento focal. La aplicación de estos ajustes ha permitido mejorar de forma significativa la repetibilidad del proceso y reducir la dispersión en las medidas obtenidas.

En fases posteriores, se ha procedido a la identificación de los parámetros de proceso más relevantes y a la evaluación de su influencia sobre la geometría de los micro-orificios generados. Para ello, se han analizado variables como la potencia del láser, la frecuencia de repetición de pulsos (Hz), la duración del pulso (ns) y la velocidad de escaneado (mm/s). A partir de esta identificación, se han diseñado y ejecutado distintos ensayos experimentales con el objetivo de establecer tendencias y relaciones funcionales entre parámetros y resultados.

El análisis experimental ha permitido establecer que la potencia del láser controla de forma directa tanto el diámetro como la profundidad de los microdepósitos, mientras que el número de pulsos aplicados sobre una misma posición permite incrementar la profundidad sin modificar significativamente el diámetro.

Con el objetivo de analizar de manera aislada la influencia de la frecuencia y la duración del pulso sobre la geometría obtenida, se seleccionaron distintas combinaciones de ambos parámetros y, para cada una de ellas, se ajustó iterativamente la potencia del láser hasta alcanzar una profundidad objetivo de 0,4 µm. De este modo, fue posible comparar el diámetro resultante para una misma profundidad de mecanizado y evaluar específicamente el efecto de la frecuencia y la longitud de pulso sobre el control dimensional del texturizado.

Los resultados obtenidos muestran que los parámetros más determinantes para dicho control son precisamente la frecuencia y la duración del pulso. Las representaciones gráficas correspondientes evidencian que el diámetro de los micro-orificios depende de forma clara de la duración del pulso, observándose un comportamiento prácticamente determinista en este parámetro.

Por el contrario, la frecuencia presenta una influencia menos significativa cuando se ajusta adecuadamente la potencia para mantener constante la energía media suministrada al material. Este fenómeno responde a la redistribución de la energía en el tiempo: un incremento de la frecuencia implica un mayor número de pulsos con menor energía individual, efecto que puede ser compensado mediante el ajuste de la potencia.

Este resultado subraya la importancia de una correcta selección conjunta de la frecuencia y la duración del pulso, ya que ambos parámetros condicionan la densidad energética efectiva en la superficie y, por tanto, la geometría final de las cavidades. Una configuración inadecuada puede dar lugar a variaciones significativas en el diámetro de los microdepósitos, comprometiendo la funcionalidad tribológica del patrón.

A partir de la optimización de parámetros y de la aplicación de estrategias de compensación focal, se han obtenido texturas superficiales que reproducen de forma satisfactoria las geometrías objetivo definidas inicialmente. Las topografías medidas mediante microscopía confocal, evidencian una distribución homogénea de los microdepósitos y una buena correspondencia con los valores de diámetro y profundidad establecidos.

En términos de productividad, el proceso permite operar a elevadas velocidades de escaneado sin comprometer la separación entre impactos, siempre que se mantenga una correcta sincronización entre velocidad y frecuencia. Este aspecto resulta clave para la implementación del proceso en entornos industriales, donde la capacidad de procesamiento superficial constituye un factor determinante.

No obstante, en todos los ensayos realizados se ha observado la aparición de material resolidificado en el contorno de las cavidades, fenómeno inherente a los procesos de interacción térmica asociados a láseres de nanosegundo. Esta acumulación de material puede afectar tanto a la caracterización geométrica como al comportamiento funcional de la superficie, especialmente en aplicaciones tribológicas donde se requieren acabados definidos.

La eliminación del material resolidificado requiere la aplicación de operaciones de postprocesado, tales como limpieza ultrasónica, tratamientos químicos o procesos de acabado mecánico. Estas operaciones adicionales introducen una etapa extra en el flujo de fabricación, lo que podría considerarse una limitación desde el punto de vista productivo.

Se ha optado por un proceso de pulido como etapa de acabado, aunque no constituye la única alternativa viable. La aplicación de este tratamiento permite eliminar completamente la capa de material resolidificado generado durante el texturizado, obteniéndose geometrías finales precisas y con una calidad superficial comparable a la alcanzada mediante procesado con láser de femtosegundo.

El análisis global del proceso muestra que el ahorro de costes asociado al uso de láser de nanosegundo frente al femtosegundo compensa de forma notable la necesidad de estas operaciones de acabado. La reducción en el coste de inversión, junto con la mejora en la productividad del proceso, permite mantener la viabilidad económica de la solución incluso considerando la etapa de postprocesado.

El estudio realizado demuestra que el láser de nanosegundo constituye una alternativa técnicamente viable para la generación de microdepósitos de lubricante en superficies metálicas, siempre que se lleve a cabo una caracterización exhaustiva del proceso y un control riguroso de los parámetros de operación.

La metodología propuesta, basada en la definición previa de geometrías objetivo, la caracterización del sistema para la compensación del error de posicionamiento focal y la optimización de parámetros mediante ensayos experimentales, permite obtener resultados reproducibles y funcionales.

Aunque el proceso presenta limitaciones inherentes, como la formación de material resolidificado, la combinación de alta productividad y menor coste de inversión posiciona al láser de nanosegundo como una solución competitiva para aplicaciones industriales orientadas a la mejora del comportamiento tribológico.

Referencias

[1] Holmberg, K., & Erdemir, A. Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions.Friction 5 (2017) 263-284

[2] Zhou, J. et al. Review of Laser Texturing Technology for Surface Protection and Functional Regulation of Aluminum Alloys. Coatings (MDPI) 15(5) (2025)567.

[3] Lawrence, J., & Waugh, D. G. (Eds.). Laser Surface Engineering: Processes and Applications. Elsevier, 2014. ISBN: 978-1782420743

[4] Niu, S. et al. Recent Advances in Applications of Ultrafast Lasers. Photonics, 11(9) (2024), 857.

[5] Raciukaitis, G. Ultra-Short Pulse Lasers for Microfabrication: A Review. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 27(6) (2021), 1–12.

[6] Weber, R., & Graf, T. The challenges of productive materials processing with ultrafast lasers. Advanced Optical Technologies, 10(4–5) (2021), 239–245.

[7] Zhang, J., Yao, J., Chen, H., and Zhou, Y., Studies on laser material processing with nanosecond and ultrashort pulses, Proc. SPIE, 6832 (2008), 683203

Texturizado láser para la mejora de adhesión en recubrimientos y uniones aeronáuticas

Una de las aplicaciones más consolidadas del texturizado láser en el ámbito aeroespacial es la preparación superficial de componentes destinada a mejorar la adhesión de recubrimientos funcionales y uniones adhesivas. En particular, en el caso de los recubrimientos térmicos (TBC, Thermal Barrier Coatings), ampliamente utilizados en turbinas aeronáuticas, la calidad de la interfaz entre el sustrato metálico y la capa cerámica resulta determinante para la durabilidad del sistema.

El texturizado permite generar una topografía superficial controlada que incrementa el área efectiva de contacto y favorece el anclaje mecánico del recubrimiento. A diferencia de procesos convencionales, como el granallado o los tratamientos químicos, la estructuración mediante láser ofrece una elevada reproducibilidad y la posibilidad de diseñar patrones específicos adaptados a los requisitos del sistema. Esta capacidad resulta especialmente relevante en componentes de geometría compleja, donde la uniformidad del tratamiento superficial condiciona el comportamiento del recubrimiento en servicio.

En el caso de uniones adhesivas, el principio es análogo. La generación de microcavidades o patrones texturizados mejora la interacción entre la superficie metálica y el adhesivo, aumentando la resistencia mecánica de la unión. Este efecto es particularmente significativo en aleaciones ligeras utilizadas en estructuras aeronáuticas, donde la optimización de la adherencia permite reducir el uso de fijaciones mecánicas y, en consecuencia, el peso del conjunto.

En este contexto, el uso de láseres de nanosegundo representa una alternativa de interés para este tipo de aplicaciones. Aunque el proceso genera material resolidificado en el contorno de las estructuras, este puede eliminarse mediante etapas de limpieza o acabado superficial, que en muchos casos ya forman parte de la cadena de fabricación. La combinación de bajo coste relativo, alta productividad y capacidad de control geométrico hace que esta tecnología resulte particularmente adecuada como etapa de preparación superficial previa a procesos de recubrimiento o ensamblaje en el sector aeronáutico.

En consecuencia, el texturizado mediante láser de nanosegundo se posiciona como una herramienta viable para mejorar la calidad de interfaces en sistemas multicapa y uniones estructurales, contribuyendo a incrementar la fiabilidad y el rendimiento de componentes críticos en entornos de elevada exigencia.