Dispositivo óptico de irradiación para un equipo para la fabricación de piezas tridimensionales mediante la irradiación por rayos láser de capas de polvo de un polvo de materia prima.

Dispositivo óptico de irradiación (10) para un equipo para la fabricación de piezas tridimensionales mediante irradiación de capas de polvo de un polvo de materia prima por medio de radiación láser,

incluyendo:

-un láser (12) para la generación de un rayo de luz (14), cuyo espectro como longitud de onda central (λ) es un valor mediano, caracterizado por:

- una fibra óptica multimodal (28) con una longitud de onda cut-off-(λCO,MM) para la longitud de onda central (λ) de un rayo de luz (14), entrante a través de una conexión de entrada (22), que presenta un primer perfil de haz (20, 23) para el guiado multimodal en el modo fundamental y, adicionalmente, en uno o más modos de orden superior, siendo la longitud de onda central (λ) del rayo de luz (14) más corta que la longitud de onda cut-off-(λCO,MM) de la fibra óptica (28), y

- un dispositivo óptico de conmutación (26) que para una estrategia camisa - núcleo es, opcionalmente, conmutable entre un primer estado conductor de luz y un segundo estado conductor de luz,

estando el dispositivo de conmutación (26) configurado para, en el primer estado conductor de luz, guiar el rayo de luz (14) entrante a través de una conexión de entrada (22) a una conexión de salida (24) de tal manera que el rayo de luz (14) presenta, al emerger de la conexión de salida (24), el primer perfil de haz (23), y en el segundo estado conductor de luz, guiar el rayo de luz (14) entrante a través de la conexión de entrada (22) a la conexión de salida (24) mediante la fibra óptica multimodal (28) de tal manera que el rayo de luz (14') presenta, al emerger de la conexión de salida (24), en la fibra óptica multimodal mediante una guía multimodal, un segundo perfil de haz (29) diferente del primer perfil de haz (23) y una anchura (D23) caracterizadora del primer perfil de haz (23) que en la distribución de intensidad lateral del primer perfil de haz (23) es más angosto que una anchura caracterizadora (D29) del segundo perfil de haz (29) en la distribución de intensidad lateral del segundo perfil de haz (29).

Dispositivo óptico de irradiación para un equipo para la fabricación de piezas tridimensionales mediante la irradiación por rayos láser de capas de polvo de un polvo de materia prima

La presente invención se refiere a un dispositivo óptico de irradiación según el preámbulo de la reivindicación 1, prevista para un equipo para la fabricación de piezas tridimensionales mediante la irradiación por rayos láser de capas de polvo de un polvo de materia prima. Además, la invención se refiere a un procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 8 para la operación de un dispositivo óptico de irradiación de este tipo y un equipo para la fabricación de piezas tridimensionales mediante la irradiación por rayos láser de capas de polvo de un polvo de materia prima.

La fusión selectiva lasérica (inglés: selective láser melting; abreviado: SLM) o el sinterizado selectivo lasérico (inglés: selective láser sintering; abreviado: SLS) es un procedimiento generativo por capas mediante el cual materias primas pulverulentas, en particular metálicas y/o cerámicas, pueden ser elaboradas para componer piezas de formas complejas tridimensionales. Para ello se aplica una capa de materia prima pulverulenta sobre un sustrato y en función de la geometría deseada de la pieza a fabricar se aplica, localmente, rayos láser de manera selectiva. Los rayos láser que penetran en la capa de polvo producen un calentamiento y, consecuentemente, una fusión o slnterización de las partículas de polvo de materia prima. A continuación, se aplican, sucesivamente, otras capas de polvo de materia prima sobre la capa ya tratada por láser y se irradian nuevamente hasta que la pieza tenga la forma y tamaño deseados. La fusión lasérica selectiva o sinterizado por láser pueden ser usados, en particular, para la fabricación de prototipos, útiles, repuestos o prótesis médicas, por ejemplo prótesis dentales u ortopédicas sobre la base de datos CAD.

Una estrategia de SLM/SLS consiste en dividir, vlrtualmente, la pieza a fabricar en un sector de camisa y un sector de núcleo. En primer lugar, en la fabricación de la pieza, el sector de camisa es irradiado mediante un rayo de luz que presenta un perfil de radiación comparativamente estrecho y/o gaussiano, mientras que, a continuación, el sector de núcleo es irradiado mediante un rayo de luz que presenta un perfil de rayo comparativamente ancho y/u homogéneo. Según ello, para esta así denominada estrategia camisa - núcleo se requieren al menos dos diferentes perfiles de haz.

El documento US 2001/0023861 A1 se refiere a un dispositivo de mecanización por láser para soldar, cortar, etc. mediante la aplicación de un haz lasérico sobre una pieza para el uso en un línea de fabricación de vehículos. En este caso, se encuentra dispuesto a lo largo de un trayecto de transmisión de un haz lasérico un primer y un segundo aparato de mando de fibra óptica (LWL), estando el primer láser conectado al primer aparato de mando (LWL) por medio de un primer cable de fibras ópticas y un segundo láser por medio de un segundo cable de fibras ópticas y los aparatos de mando de fibras ópticas están conectados por medio de un primer cable LWL y un segundo cable LWL. El primer aparato de mando LWL conecta, selectivamente, un primer y un segundo cable de fibras ópticas con un primer y un segundo cable LWL.

Un objetivo de la presente invención es indicar un dispositivo óptico de irradiación para un equipo para la fabricación de piezas mediante la irradiación por rayos láser de capas de polvo de un polvo de materia prima, un procedimiento para la operación de un dispositivo óptico de irradiación de este tipo y un equipo para la fabricación de piezas mediante la irradiación por rayos láser de capas de polvo de un polvo de materia prima, con ayuda de los cuales las piezas pueden ser fabricadas de manera más eficiente.

El objetivo anterior se consigue mediante un dispositivo óptico de irradiación con las características de la reivindicación 1, un procedimiento para la operación de un dispositivo óptico de irradiación con las características de la reivindicación 8, y un equipo con las características de la reivindicación 15.

La presente invención se basa, entre otros, en el conocimiento respecto de la propagación de luz en una fibra óptica.

Bajo fibra óptica se debe entender guía de ondas para ondas electromagnéticas. La luz a guiar en la fibra óptica puede ser conducida en la fibra óptica mediante guiado monomodal en modo fundamental o bien mediante guiado multimodal en modo fundamental y, adicionalmente, en uno o más modos de orden superior. El modo fundamental puede ser degenerado doblemente, por ejemplo en una fibra óptica cilíndricosimétrica, según los dos grados de libertad de polarización de una onda electromagnética. En este último caso se habla, sin embargo, de guiado monomodal.

Que un rayo de luz sea guiado en una fibra óptica mediante guiado monomodal o mediante guiado multimodal depende de los parámetros físicos del rayo de luz y de los parámetros físicos de la fibra óptica.

Para el guiado de un rayo de luz dentro de una fibra óptica cilindrica son relevantes, por ejemplo, la longitud de onda A del rayo de luz y la longitud de onda cut-off Acó de la fibra óptica. Un guiado monomodal del rayo de luz sólo es posible mientras la longitud de onda A es más larga que la longitud de onda cut-off Acó de la fibra óptica o de la misma longitud que la onda cut-off Acó de la fibra óptica, es decir es A > ACo- Si la longitud de onda A del rayo de luz

es más corta que la longitud de onda cut-off Acó, es decir A < Acó, se puede presentar el guiado multimodal. Consecuentemente, que una fibra óptica sea una fibra óptica monomodal o una fibra óptica multimodal depende de la longitud de onda cut-off Acó de la fibra óptica y de la longitud de onda A del rayo de luz a guiar. Si la longitud de onda cut-off de la fibra óptica Acó y/o la longitud de onda A del rayo de luz a guiar son desconocidas, es imposible hacer una aseveración basada en la cantidad de modos en que es guiado el rayo de luz.

Por ejemplo, para una fibra óptica cilindrica que presenta un núcleo (de fibra) con un diámetro de núcleo d y con un índice de refracción ni<y, asimismo, una camisa envolvente del núcleo (inglés: cladding) con un índice de refracción nM, se calcula la longitud de onda cut-off Acó de la fibra óptica según:

, ndMA co 2,405,

siendo NA la abertura numérica de la fibra óptica y

IfA = Jnx - nlf

En particular, la distribución de intensidad lateral del campo de modos, que representa una rayo de luz al emerger en un extremo de fibra de una fibra óptica multimodal, depende de mediante cuántos y mediante cuáles modos el rayo de luz es guiado en la fibra óptica multimodal. Contrariamente, mediante cuántos y mediante cuáles modos es guiado el rayo de luz en la fibra óptica multimodal depende, en particular, de cómo el rayo de luz es modulado en la fibra óptica multimodal. Ello significa que mediante una modulación cuidadosa del rayo de luz es posible generaren la fibra óptica multimodal casi cualquier perfil de haz del rayo de luz emergente de la libra óptica multimodal.

De esta manera, por ejemplo, es posible modular de tal manera un rayo de luz con un perfil de haz de forma gaussiana, que el rayo de luz, al reemerger de la fibra óptica multimodal, ilumine totalmente, en lo esencial, el núcleo de fibra de la fibra óptica multimodal y presente en al menos una sección parcial de la sección transversal del núcleo de fibra un perfil de haz casi homogéneo.

A la inversa, ello significa que para la generación de un perfil de haz deseado, en particular homogeneizado u homogéneo, emergente de una fibra óptica, la fibra óptica debe estar configurada, realmente, como una fibra óptica multimodal para el correspondiente rayo de luz.

O sea, con ayuda de una fibra óptica multimodal, el perfil de haz de un rayo de luz puede ser manipulado selectivamente. Es posible, en particular, mediante el desvío selectivo de un rayo de luz en una fibra óptica multimodal conmutar entre un primer perfil de haz y un segundo perfil de haz diferente del primer perfil de haz.

Un dispositivo óptico de irradiación según la invención para un equipo para la fabricación de piezas mediante la irradiación por rayos láser de capas de polvo de un polvo de materia prima se indica en la reivindicación 1.

Consecuentemente, el dispositivo óptico de irradiación según la invención permite que mediante el desvío selectivo de un rayo de luz se pueda, mediante una fibra óptica multimodal, conmutar entre un primer perfil de haz y un segundo perfil de haz diferente del primer... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo óptico de irradiación (10) para un equipo para la fabricación de piezas tridimensionales mediante irradiación de capas de polvo de un polvo de materia prima por medio de radiación láser, incluyendo:

-un láser (12) para la generación de un rayo de luz (14), cuyo espectro como longitud de onda central (A) es un valor mediano, caracterizado por:

- una fibra óptica multimodal (28) con una longitud de onda cut-off-(Aco.MM) para la longitud de onda central (A) de un rayo de luz (14), entrante a través de una conexión de entrada (22), que presenta un primer perfil de haz (20, 23) para el guiado multimodal en el modo fundamental y, adicionalmente, en uno o más modos de orden superior, siendo la longitud de onda central (A) del rayo de luz (14) más corta que la longitud de onda cut-off-(Aco.MM) de la fibra óptica (28), y

- un dispositivo óptico de conmutación (26) que para una estrategia camisa - núcleo es, opcionalmente, conmutable entre un primer estado conductor de luz y un segundo estado conductor de luz,

estando el dispositivo de conmutación (26) configurado para, en el primer estado conductor de luz, guiar el rayo de luz (14) entrante a través de una conexión de entrada (22) a una conexión de salida (24) de tal manera que el rayo de luz (14) presenta, al emerger de la conexión de salida (24), el primer perfil de haz (23), y en el segundo estado conductor de luz, guiar el rayo de luz (14) entrante a través de la conexión de entrada (22) a la conexión de salida (24) mediante la fibra óptica multimodal (28) de tal manera que el rayo de luz (14) presenta, al emerger de la conexión de salida (24), en la fibra óptica multimodal mediante una guia multimodal, un segundo perfil de haz (29) diferente del primer perfil de haz (23) y una anchura (D23) caracterizadora del primer perfil de haz (23) que en la distribución de intensidad lateral del primer perfil de haz (23) es más angosto que una anchura caracterizadora (D2g) del segundo perfil de haz (29) en la distribución de intensidad lateral del segundo perfil de haz (29).

2. Dispositivo óptico de irradiación según la reivindicación 1, incluyendo el dispositivo de conmutación (26) una primera unidad deflectora de luz (30) configurada para guiar, en el segundo estado deflector de luz del dispositivo de conmutación (26), el rayo de luz (14) que presenta el primer perfil de haz (23), entrante a través de la conexión de entrada (22), a un primer extremo de fibra (32) de la fibra óptica multimodal (28), de tal manera que el rayo de luz (14) presenta el segundo perfil de haz (29) al emerger de un segundo extremo de fibra (34) de la fibra óptica multimodal (28), y el dispositivo de conmutación (26) incluye, además, una segunda unidad deflectora de luz (40) configurada para, en el segundo estado conductor de luz del dispositivo de conmutación (26), desviara la conexión de salida (24) el rayo de luz (14) que presenta el segundo perfil de haz (29, 35) emergente del segundo extremo de fibra (34) de la fibra óptica multimodal (28).

3. Dispositivo óptico de irradiación según la reivindicación 2, incluyendo la primera unidad deflectora de luz (30) del dispositivo de conmutación (26) un primer espejo deflector de luz (36) que puede ser movido hacia dentro o fuera de la trayectoria de rayos del rayo de luz (14) entrante a través de la conexión de entrada (22), y un primer colimador deflector de luz (38) configurado para, en el segundo estado conductor de luz, enfocar el rayo de luz (14) guiado mediante el primer espejo deflector de luz (36) en el primer extremo de fibra (32) de la fibra óptica multimodal (28), y la segunda unidad deflectora de luz (40) del dispositivo de conmutación (26) incluyendo un segundo espejo deflector de luz (42) que es movible hacia dentro o hacia fuera de la trayectoria de rayos del rayo de luz (14) entrante a través de la conexión de entrada (22) y un segundo colimador deflector de luz (44) configurado para, en el segundo estado conductor de luz, colimar el rayo de luz (141) emergente del segundo extremo de fibra (34) de la fibra óptica multimodal (28) y guiarlo al segundo espejo deflector de luz (42) que en el segundo estado conductor de luz guía el rayo de luz (14') a la conexión de salida (24).

4. Dispositivo óptico de irradiación según una de las reivindicaciones 1 a 3, incluyendo, además:

- una fibra óptica monomodal (16) apropiada para el guiado monomodal de la longitud de onda central (A) del rayo de luz (14) generado, y

- un colimador de entrada (18) configurado para colimar el rayo de luz (14) emergente de la fibra óptica monomodal (16) y guiarlo a través de la conexión de entrada (22).

5. Dispositivo óptico de irradiación según la reivindicación 4, estando el láser (12) configurado para generar el rayo de luz (14) con una longitud de onda central (A) que es más larga que una longitud de onda cut-off (Aco.sm) de la fibra óptica monomodal (16) necesaria para el guiado monomodal.

6. Dispositivo óptico de irradiación según las reivindicaciones 4 o 5, estando un extremo de fibra (17) de la fibra óptica monomodal (16), el colimador de entrada (18), la primera unidad deflectora de luz (30) y el primer extremo de fibra (32) de la fibra óptica multimodal (28) dispuestos entre sí de tal manera que el rayo de luz (14), al emerger del segundo extremo de fibra (34) de la fibra óptica multimodal (28), presenta un segundo perfil de haz (29, 35) nivelado, homogenizado, casi homogéneo y/o casi con forma de sombrero de copa.

7. Dispositivo óptico de irradiación según una de las reivindicaciones 4 a 6, incluyendo, además:

- componentes ópticos (46, 48, 48a, 54) para enfocar el rayo de luz (14, 14') emergente de la conexión de salida en un foco (50) y para el guiado tridimensional del foco (50) en el espacio.

8. Procedimiento para la operación de un equipo óptico de irradiación para un equipo para la fabricación de piezas tridimensionales mediante la irradiación por rayos láser de capas de polvo de un polvo de materia prima, con los pasos:

- generación de un rayo de luz (14), cuyo espectro como longitud de onda central (A) es un valor mediano, y

- guiado a través de una conexión de entrada (22) del rayo de luz (14) que presenta la longitud de onda central (A) y un primer perfil de haz (20, 23),

caracterizado por:

- puesta a disposición de una fibra óptica multimodal (28) con una longitud de onda cut-off-(Aco.MM) apropiada para la longitud de onda central (A) del rayo de luz (14) entrante a través de la conexión de entrada (22), para el guiado multimodal en el modo fundamental y, adicionalmente, en uno o más modos de orden superior, siendo la longitud de onda central (A) del rayo de luz (14) más corta que la longitud de onda cut-off-(Aco.MM) de la fibra óptica (28), y

- conmutación opcional mediante un dispositivo de conmutación (26) para una estrategia camisa - núcleo entre un primer estado conductor de luz y un segundo estado conductor de luz,

siendo el rayo de luz (14) entrante guiado en el primer estado de conducción a través de la primera conexión de entrada (22), a una conexión de salida (24) de tal manera que el rayo de luz (14) presenta, al emerger de la conexión de salida (24), el primer perfil de haz (23), y en el segundo estado conductor de luz, guiar el rayo de luz (14) entrante a través de la conexión de entrada (22) de tal manera a la conexión de salida (24) mediante la fibra óptica multimodal (28), que el rayo de luz (14) presenta, al emerger de la conexión de salida (24), en la fibra óptica multimodal (28) mediante una guía multimodal un segundo perfil de haz (29) diferente del primer perfil de haz (23) y una anchura (D23) caracterizadora del primer perfil de haz (23) que en la distribución de intensidad lateral del primer perfil de haz (23) es más angosto que una anchura caracterizadora (D29) del segundo perfil de haz (29) en la distribución de intensidad lateral del segundo perfil de haz (29).

9. Procedimiento según la reivindicación 8, siendo en el segundo estado de guiado de luz del dispositivo de conmutación (26) el rayo de luz (14) que presenta el primer perfil de haz (20, 23), entrante a través de la conexión de entrada (22), guiado a un primer extremo de fibra (32) de la fibra óptica multimodal (28) mediante una primera unidad deflectora de luz (30) del dispositivo de conmutación (26) de tal manera que el rayo de luz (14') presenta el segundo perfil de haz (29, 35) al emerger de un segundo extremo de fibra (34) de la fibra óptica multimodal (28) y, en el segundo estado conductor de luz del dispositivo de conmutación (26), el rayo de luz (14') que presenta el segundo perfil de haz (29, 35), emergente del segundo extremo de fibra (34) de la fibra óptica multimodal (28) guiado mediante una segunda unidad deflectora de luz (40) del dispositivo de conmutación (26) a la conexión de salida (24).

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el cual se mueve entre el primer y el segundo estado conductor de luz un primer espejo deflector de luz (36) de la primera unidad deflectora de luz (30) hacia dentro o fuera de la trayectoria de rayos del rayo de luz (14) entrante a través de la conexión de entrada (22) y en el segundo estado conductor de luz, el rayo de luz (14) guiado mediante el primer espejo deflector de luz (36) es enfocado mediante un primer colimador deflector de luz (38) de la primera unidad deflectora de luz (30) en el primer extremo de fibra (32) de la fibra óptica multimodal (28), y entre el primer y el segundo estado conductor de luz un segundo espejo deflector de luz (42) de la segunda unidad deflectora de luz (40) es movido hacia dentro o fuera de la trayectoria de rayos del rayo de luz (14) entrante a través de la conexión de entrada (22) y en el segundo estado conductor de luz, el rayo de luz (14) emergente del segundo extremo de fibra (34) de la fibra óptica multimodal (28) es colimado mediante un segundo colimador deflector de luz (44) de la segunda unidad deflectora de luz (40) y guiado al segundo espejo deflector de luz (42) y guiado mediante el segundo espejo deflector de luz (42) a la conexión de salida (24).

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 10, incluyendo, además, los pasos:

- guiado del rayo de luz (14) generado mediante una fibra óptica monomodal (16) apropiada para la longitud de onda central (A) del rayo de luz (14) generado para el guiado monomodal de tal manera que el rayo de luz (14) presenta, al emerger de la fibra óptica monomodal (16), un primer perfil de haz (20, 23) mediante el guiado monomodal en la fibra óptica monomodal (16), y

- colimado del rayo de luz (14) emergente de la fibra óptica monomodal (16) y guiado del rayo de luz (14) colimado a través de la conexión de entrada (22) mediante un colimador de entrada (18).

12. Procedimiento según la reivindicación 11, siendo mediante el láser (12) generado el rayo de luz (14) con una longitud de onda central (A) que es más larga que una longitud de onda cut-off (Aco.sm) de la fibra óptica monomodal

(16) necesaria para el guiado monomodal.

13. Procedimiento según las reivindicaciones 11 o 12, siendo un extremo de fibra (17) de la fibra óptica monomodal (16), el colimador de entrada (18), la primera unidad deflectora de luz (30) y el primer extremo de fibra (32) de la fibra óptica multimodal (28) dispuestos entre sí de tal manera en el segundo estado conductor de luz que el rayo de luz (14'), al emerger del segundo extremo de fibra (34) de la fibra óptica multimodal (28) presenta un segundo perfil

de haz (29, 35) nivelado, homogenizado, casi homogéneo y/o casi con forma de sombrero de copa.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 13, incluyendo, además, los pasos:

- enfocado del rayo de luz (14, 14') emergente de la conexión de salida (24) en un foco (50) y guiado tridimensional del foco (50) en el espacio mediante componentes ópticos (46, 38, 48a, 54).

15. Equipo (100) para la fabricación de piezas tridimensionales mediante irradiación de capas de polvo de un polvo 15 de materia prima por medio de radiación láser, incluyendo:

- un sustrato (130) sobre el cual es posible aplicar capas de polvo (140) de un polvo de materia prima y

- un dispositivo óptico de irradiación (10) según una de las reivindicaciones 1 a 7, estando el dispositivo óptico de irradiación (10) configurado y dispuesto de tal manera para irradiar mediante el rayo de luz (14, 14') una capa de polvo (140) aplicada sobre el sustrato 130, para del polvo de materia prima fabricar una pieza tridimensional

mediante un procedimiento generativo de construcción.