Aparato para revestimiento por láser.

Un sistema (102) para la fabricación automática de un artículo,

que comprende:

una base de datos (106) de diseño auxiliada por ordenador que incluye una descripción del artículo que se va a fabricar;

una mesa de trabajo (114) para soportar un sustrato (206);

un láser (110) controlable que tiene un haz direccionable a una región localizada del sustrato (206) y adaptado para formar una colada fundida (204) sobre el mismo; medio (208) acoplado al láser (110) para alimentar material en la colada fundida (204) de tal manera que se cree un depósito que tenga una dimensión física; medios de traslación para mover el sustrato (206) con respecto al láser y el medio de alimentación (208); medio de detección óptica (302) operativo para generar una señal eléctrica indicativa de la dimensión física del depósito a medida que se está creando; y

un controlador (104) de retroalimentación que es operativo para ajustar el láser (110) de acuerdo con la señal eléctrica, controlando por lo tanto la rata de deposición de material, en donde el controlador de retroalimentación (104) está en interfaz operativamente con el medio de traslación y el láser (110) y configurado para ajustar la dimensión física del depósito de acuerdo con la descripción del artículo que va a ser fabricado en la base de datos de diseño (106) auxiliada por ordenador.

Aparato para revestimiento por láser

Campo de la invención La invención se relaciona con un aparato para formar depósitos de metal fundido, denominados “coladas fundidas”, sobre la superficie de una pieza de trabajo utilizando un haz de láser y una fuente de metal de deposición, típicamente un metal en polvo inyectado o un alambre de metal.

Antecedentes de la invención Actualmente, una de las dificultades enfrentadas por los fabricantes es la brecha de tiempo entre el concepto y el desarrollo de una nueva tecnología y la introducción de productos reales al mercado. En la manufactura, una etapa limitante de tiempo crítica para muchos productos es el diseño y fabricación de moldes y matrices. Las matrices complejas pueden tomar desde semanas hasta un año para perfeccionarse antes de la manufactura de un producto. En los procesos de manufactura actuales, son necesarias etapas añadidas para superar las deficiencias de los métodos de fabricación actuales. Por ejemplo, para moldes y matrices, los productos deben ser maquinados para proveer canales de enfriamiento y un acabado de superficie aceptable.

Procesos conocidos que depositan metal dan como resultados un producto sinterizado debido al atrapamiento de óxidos y un material inadecuadamente unido. Aún en el caso donde se presenta una deposición de material aceptable, el proceso frecuentemente conlleva la formación de tensiones las cuales deben ser aliviadas. Un proceso tal conocido es el revestimiento por láser, en donde se utiliza un láser para generar una colada fundida sobre un material de sustrato mientras que un segundo material, típicamente un polvo o un alambre, es introducido, fundido y unido metalúrgicamente.

El revestimiento se distingue en general de la aleación sobre la base de que el revestimiento funde una cantidad relativamente pequeña del material de sustrato base con respecto a la cantidad del material depositado, y el sistema en polvo libera un volumen controlado de partículas de metal hacia este volumen fundido. Las partículas se dispersan a través de este volumen fundido y forman una deposición de una composición deseada sobre la capa externa del sustrato. El retiro del haz de láser del volumen fundido, tal como por avance de la pieza de trabajo de sustrato con respecto al punto focal del haz, hace que el volumen fundido sea enfriado rápidamente. El enfriamiento ocurre de manera tan rápida que el volumen retiene frecuentemente las características de la mezcla fundida.

Las técnicas de revestimiento por láser convencionales mueven el artículo metálico con respecto al punto focal mediante el uso de plantillas de posicionamiento, manipuladores de partes y similares. El punto focal del haz por lo tanto permanece fijo en el espacio, y constituye el punto de pulverización. El movimiento uniforme del artículo metálico usualmente requiere una plantilla de posicionamiento complicada la cual es difícil de manufacturar, muy costosa, y usualmente no muy exitosa, particularmente con geometrías intrincadas. Por esta razón, el revestimiento por láser de las partes metálicas que tienen geometrías diferentes a las relativamente planas ha sido casi imposible de alcanzar sobre una base uniforme consistente. Hasta el tiempo presente, no ha sido posible controlar la dimensión y propiedades del depósito. El control cercano de la dimensión es necesario con el fin de aplicar las técnicas de revestimiento básicas a la producción de partes que tienen tolerancias cerradas, microestructuras y propiedades aceptables, y que pueden ser producidas a un coste razonable y dentro de un periodo de tiempo razonable.

La US 5, 659, 479, considerada como la técnica anterior más cercana al asunto de la reivindicación 1, describe un aparato para controlar, en tiempo real, las variables de procesamiento en un procesamiento por láser de materiales utilizando procedimientos de control de lógica difusa dentro de un controlador de lógica difusa. El aparato comprende un detector de luz visible como parte del bucle de control para detectar la luz que proviene de la zona de interacción láser-material. La luz detectada es procesada para determinar el número de pixeles de brillo por encima de un número predefinido. A partir de este procesamiento elemental, se obtienen variables de entrada al sistema, y estas variables de entrada son introducidas al controlador de lógica difusa para un paso de interferencia con la salida que está siendo utilizada para controlar una variable de procesamiento con láser tal como potencia del láser, intensidad del láser y velocidad de proceso.

La JP07-108389 describe un aparato para llevar a cabo el monitorio en línea de la calidad del revestimiento en el momento de formación de una cuenta de revestimiento durante el maquinado del revestimiento. La potencia de revestimiento provista a partir de una boquilla de suministro es fusionada a un miembro que va a ser revestido utilizando un haz de láser 4. La intensidad de las longitudes de onda de luz asociadas con los elementos contenidos en cada material contenida en la luz radiante generada a partir de un punto de fusión de la parte en maquinación se mide al menos por un sensor de longitud de onda de luz radiante y las dimensiones y forma de la parte en maquinación y revestimiento se obtiene mediante una parte de procesamiento de datos. Las dimensiones y datos de forma de las partes en maquinación-revestimiento son retroalimentadas a una máquina de haces de láser a partir de una parte de control de máquina de haz de láser y se controlan las condiciones de maquinación.

La presente invención es útil en controlar automáticamente la formación de material sobre un sustrato y es particularmente útil en la fabricación de partes metálicas a través de operaciones de revestimiento repetitivas como podría ser requerido para manufactura en volumen pequeño, operaciones de prototipo y similares.

Ampliamente, y en términos generales, se utiliza un láser para calentar localmente un punto sobre un sustrato, formando una colada fundida en la cual se alimenta polvo para crear un depósito que tiene una dimensión física. Se utilizan medios de detección óptica acoplados a un sensor optoélectrico para monitorear una dimensión física del depósito, y un controlador de retroalimentación es operativo para ajustar el láser de acuerdo con la señal eléctrica, controlando por lo tanto la rata de deposición del material.

En la realización preferida, la dimensión física es la altura del depósito, y el sistema incluye adicionalmente una interfaz hacia un sistema de diseño auxiliado por ordenador (CAD) incluyendo una descripción de un artículo que va a ser fabricado, permitiendo que el controlador de retroalimentación compare la dimensión física del depósito con la descripción y ajuste la energía del láser de acuerdo con la misma.

En términos de aparato específico, los medios de detección ópticos incluyen preferiblemente una máscara con apertura a través de la cual pasa la luz desde el depósito para alcanzar el sensor optoélectrico, y el controlador de retroalimentación incluye los circuitos para ajustar el láser de acuerdo con la presencia o ausencia de la luz desde el depósito.

Un sistema para fabricar automáticamente un artículo de acuerdo con características únicas de la invención es un sistema de acuerdo con la reivindicación 1. En una disposición, los medios de traslación mueven la mesa de trabajo mientras que el láser y los medios de alimentación permanecen estacionarios, mientras que, en una configuración diferente, los medios de traslación mueven el láser y los medios de alimentación mientras que la mesa de trabajo permanece estacionaria. Como alternativa adicional, tanto el láser/alimentación al material como la mesa de trabajo/sustrato pueden ser movidos simultáneamente, preferiblemente bajo control de retroalimentación.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es una vista esquemática de un sistema de deposición de metal directo que incluye un controlador de retroalimentación y un sistema CAD/CAM para producción automatizada de partes.;

la figura 2 es una vista esquemática de una boquilla de aspersión de láser que forma una colada fundida sobre un artículo de sustrato;

la figura 3 es una vista esquemática de una boquilla de aspersión de láser que forma una colada fundida sobre un artículo de sustrato, que incluye una ilustración de una porción del dispositivo de retroalimentación;

la figura 4 es una vista esquemática de un sistema de monitoreo óptico la cual ilustra características importantes de un controlador de retroalimentación;

la figura 5 es una vista esquemática de una colada fundida, un eje óptico, una máscara, y... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (102) para la fabricación automática de un artículo, que comprende:

una base de datos (106) de diseño auxiliada por ordenador que incluye una descripción del artículo que se va a fabricar; una mesa de trabajo (114) para soportar un sustrato (206) ; un láser (110) controlable que tiene un haz direccionable a una región localizada del sustrato (206) y adaptado para

formar una colada fundida (204) sobre el mismo; medio (208) acoplado al láser (110) para alimentar material en la colada fundida (204) de tal manera que se cree un depósito que tenga una dimensión física;

medios de traslación para mover el sustrato (206) con respecto al láser y el medio de alimentación (208) ; medio de detección óptica (302) operativo para generar una señal eléctrica indicativa de la dimensión física del depósito a medida que se está creando; y

un controlador (104) de retroalimentación que es operativo para ajustar el láser (110) de acuerdo con la señal eléctrica, controlando por lo tanto la rata de deposición de material, en donde el controlador de retroalimentación (104) está en interfaz operativamente con el medio de traslación y el láser (110) y configurado para ajustar la dimensión física del depósito de acuerdo con la descripción del artículo que va a ser fabricado en la base de datos de diseño (106) auxiliada por ordenador.

2. El sistema (102) de la reivindicación 1, en donde el medio de traslación mueve la mesa de trabajo (114) mientras el láser (110) y el medio de alimentación (208) permanecen estacionarios.

3. El sistema (102) de la reivindicación 1, en donde el medio de traslación mueve el láser (110) y el medio de alimentación (208) mientras que la mesa de trabajo (114) permanece estacionaria.

4. El sistema (102) de la reivindicación 1, en donde el sustrato (206) y el material que alimenta la colada fundida son metálicos.

5. El sistema (102) de la reivindicación1, en donde el material que alimenta la colada fundida es un polvo metálico.

6. El sistema (102) de la reivindicación 1, en donde el controlador de retroalimentación (104) ajusta la potencia del haz de láser para ajustar la rata de deposición de material.

7. El sistema (102) de la reivindicación 1, en donde el controlador de retroalimentación (104) ajusta el tamaño del punto del haz de láser para ajustar la rata de deposición de material.

8. El sistema (102) de la reivindicación 1, en donde el controlador de retroalimentación (104) ajusta la rata de alimentación de material para ajustar la rata de deposición de material.

9. El sistema (102) de la reivindicación 1, en donde el controlador de retroalimentación (104) ajusta la rata de movimiento como sucede entre el haz de láser y el sustrato para ajustar la rata de deposición de material.

10. El sistema (102) de la reivindicación 1, en donde la dimensión física es la altura del material por encima del sustrato.

11. El sistema 102) de la reivindicación 1, en donde el medio de detección óptica (302) incluye una máscara con apertura (504) a través de la cual la luz del depósito pasa hasta alcanzar el sensor optoeléctrico (506) .