ES2295933T3 - Procedimiento y dispositivo para la retirada de material de varias capas de una superficie tridimensional por medio de laser a traves de la utilizacion de una red poligonal descrita por una funcion matematica y que representa la superficie. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la generación de una textura (2) sobre una superficie (1) curvada de forma discrecional a través de la erosión de material en capas (7) a través de un medio de erosión, como por ejemplo un láser, en el que la superficie (1) se describe a través de al menos una red poligonal, y esta red poligonal se puede descomponer en una pluralidad de superficies parciales, por ejemplo polígonos (3), en el que la superficie curvada de forma discrecional se describe al menos aproximadamente como función matemática, en el que las superficies parciales (3) describen un fragmento de la textura (2) a través de una pluralidad de puntos de imagen (4), a los que se asocia una escala de grises (5) y cada superficie parcial (3) presenta de esta manea sobre una pluralidad de puntos de imagen (4) una distribución de escalas de grises (5), en el que a cada escala de grises (5) se asocia un valor de distancia, que corresponde a la distancia de la superficie curvada (1) en este punto de imagen con respecto a la superficie de la textura, en el que esta superficie matemática se traduce directamente en una activación del medio de erosión (9) para la erosión línea por línea de la superficie para la generación de la estructura de la superficie.

Description

Procedimiento y dispositivo para la retirada de material de varias capas de una superficie tridimensional por medio de láser a través de la utilización de una red poligonal descrita por una función matemática y que representa la superficie.

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la retirada de material de acuerdo con una especificación predeterminada, por ejemplo un llamado modelo original (ver las reivindicaciones 1 y 22). La retirada de material se realiza desde una superficie tridimensional configurada de forma discrecional, especialmente no plana o simétrica rotativa, en la que la profundidad de la retirada de material puede ser diferente en cada lugar de la superficie.

Los procedimientos para la producción de una estructura superficial sobre una superficie tridimensional de forma discrecional requieren, para alcanzar una precisión en el intervalo de micrómetros, unas etapas de trabajo intensivas de tiempo y costosas. La producción de una estructura superficial se ha realizado hasta ahora por medio de procedimientos de decapado en forma de erosión capa por capa de una capa de material desde una superficie o por medio de procedimientos galvánicos, en los que un molde positivo con la estructura superficial deseada ha sido recubierto con un metal, que proporciona entonces una forma negativa para la producción de la pieza moldeada deseada o de la lámina. Estas variantes de procedimiento requieren siempre un gran número de etapas de procedimiento, para obtener una forma negativa para una única estructura de la superficie. Esto tiene también como consecuencia que en cada modificación de la estructura de la superficie inciden de nuevo las mismas etapas del procedimiento.

Hasta ahora se han propagado sobre todo dos procedimientos, para granear económicamente herramientas, por una parte se trata del graneado de decapado, en el que la superficie del cuerpo de topología discrecional se enmascara de forma diferente y luego se erosiona de forma selectiva por medio de un líquido de decapar. Este procedimiento se puede aplicar también con limitaciones capa por capa y genera entonces, sin embargo, una transición escalonada entre las crestas de graneado y los valles de graneado. Además, existen dificultades en el caso de geometrías complicadas de la superficie a granear.

Otro procedimiento es el llamado procedimiento de galvanización. En este caso se recubre un modelo positivo, el llamado modelo de forrado, con una lámina (o cuero), que presenta el graneado deseado. En un procedimiento de moldeo se transfiere entonces el graneado (de cuero) a una herramienta negativa, que se utiliza de nuevo para la producción de un modelo de baño (positivo). Sobre éste se aplica entonces en un baño galvánicamente una capa metálica. La herramienta galvánica obtenida de esta manera debe reforzarse entonces todavía, pero entonces solamente se puede utilizar también para determinados procedimientos para la producción de piezas, que no planean requerimientos excesivos en su superficie. Sobre todo se han difundido el procedimiento-Slush y el procedimiento de capa pulverizada, pero los dos últimos procedimientos mencionados son muy costosos de tiempo y de gastos. Como alternativa se ofrece una erosión de la superficie por medio de láser. La tecnología de la erosión de material por medio de láser se conoce a partir del documento DE2929866 A1 del sector del grabado con láser. La mayoría de las veces es importante la reproducción detallada exacta de un objeto, que presenta esencialmente una superficie bidimensional, es decir, plana. De esta manera, la erosión del material se realiza a lo largo de una profundidad esencialmente constante. Una reproducción de estructuras superficiales tridimensionales no es objeto de un procedimiento de este tipo, con lo que no se plantea el problema de una erosión de material para la generación de una estructura tridimensional.

La erosión de material a través de evaporación de una capa superficial por medio de láser se conoce a partir del documento DE4209923 C2. El rayo láser se ensancha y se conduce a través de espejos de desviación giratorios sobre una línea de referencia predeterminada por un ordenador. Las líneas de referencia forman un campo reticular. El campo reticular es recorrido varias veces por el rayo láser a lo largo de líneas de referencia desplazadas angularmente, siendo erosionado material a través de evaporación. A través de la variación de la dirección de las pistas de láser por medio de rotación en el plano de mecanización en un ángulo determinado se evitan sobreelevaciones sistemática en la capa límite. De esta manera se obtiene una estructura del tipo de red de las líneas reticulares. Esta tecnología encuentra aplicación de la misma manera exclusivamente en superficies bidimensionales de profundidad constante. Con la
tecnología descrita en la publicación de patente se consigue una erosión uniforme de material en el campo reticular.

Una conducción línea por línea del láser en trayectorias (líneas reticulares) o bien en pistas, en el campo de mecanización respectivo del láser se publica en el documento DE10032981 A1. Las pistas son aplicadas zona por zona sobre un cuerpo móvil de topología discrecional. Para evitar que en la zona de solape de las pistas en los límites de las zonas se configure una línea de separación nítida, que se produce a través de la erosión excesiva de material en la zona de solape, se desplazan los límites de las zonas con cada erosión. Con otras palabras, en el caso de la erosión en forma de líneas de una zona, no se deposita el láser en el borde a lo largo de una línea, sino que marcha en la proximidad de esta línea. El punto final de la erosión se encuentra entonces, en efecto, en una zona a distancia de esta línea, pero esta zona de distancia es diferente de una línea a otra. Puesto que los puntos finales se distribuyen de esta manera estadísticamente alrededor del valor medio de las líneas, no se puede percibir ningún defecto óptico. Este procedimiento es adecuado para la erosión de campos reticulares, que se encuentran sobre un plano. Pero tan pronto como los campos reticulares presentan una inclinación entre sí, se erosiona a través del medio de erosión otra cantidad de material, cuando el medio de erosión se aleja del campo reticular. De esta manera, debería registrarse cada punto final individual, debería determinarse la erosión de material y debería corregirse la erosión de material prevista para el campo reticular adyacente en la medida del valor absoluto erróneo. Por este motivo, el procedimiento solamente se puede utilizar para superficies tridimensionales con un gasto de cálculo adicional alto.

La erosión de material capa por capa para la generación de estructuras tridimensionales se describe en las dos publicaciones de patente US6300595 B1 y US6407361 B1. En este caso, las líneas sobre un gráfico tridimensional generado por medio de un programa EDV son convertidas en trayectorias para la erosión por medio de láser. Estas trayectorias se encuentran sobre capas planas. La erosión de material se realiza a lo largo de estas trayectorias sobre cada una de estas capas planas. La longitud de las trayectorias se deriva por cálculo a partir del gráfico tridimensional. De una manera más ventajosa, el gráfico consta de objetos fáciles de modelar, como semicírculos o pirámides. En concreto, se explica la posibilidad de agrupar varios gráficos de este tipo fáciles de describir geométricamente en una obra de arte compleja, pero cada uno de estos gráficos debe erosionarse de forma secuencial. En la zona de transición de todos los campos de mecanización se planteará en cada proceso de mecanización de una capa el problema de que se producen o bien rebabas o taladros en el molde. En gráficos, que generan una escotadura simétrica rotativa en una superficie plana, no se plantea este problema, que no permite la utilización del procedimiento descrito en las dos publicaciones de patente en el caso de estructuras superficiales complejas.

De acuerdo con las enseñanzas del documento DE10116672 A1 se procesan de forma diferente estructuras groseras y estructuras finas, siendo procesadas las zonas finas por medio de láser y las zonas groseras por medio de un dispositivo de erosión. Esta tecnología es adecuada especialmente para la mecanización de superficies metálicas, que están dispuestas, por ejemplo, sobre cilindros de impresión. La mecanización grosera se lleva a cabo por medio de dispositivos de erosión mecánica.

Como se conoce, por ejemplo, a través de erosión de material por medio de láser se pueden producir también estructuras complicadas, lo que se utiliza, por ejemplo, en la micro mecanización de materiales. Existen ya procedimientos para erosionar material de superficie grande con el láser. Sin embargo, hasta ahora no se ha conseguido proveer con estos procedimientos de láser conocidos anteriormente superficies curvadas discrecionales con una textura discrecional, en la que la exactitud de la erosión debe estar en el intervalo de algunas \mum. El motivo reside en que, como se ha mencionado anteriormente en la evaluación del estado de la técnica, los polígonos de la red poligonal no se encuentran en un plano. La zona de mecanización del medio de erosión se encuentra, sin embargo, en un plano, lo que significa que se modifica la profundidad de la erosión, tan pronto como el medio de erosión abandona el plano.

El documento US-B1-6 300 595, que se considera el estado más próximo de la técnica, publica un procedimiento para la generación de una textura sobre una superficie curvada a través de la erosión de material en capas a través de un láser, en el que fragmentos de la textura se describen a través una pluralidad de puntos de imagen, a los que está asociada una escala de grises, y la textura presenta sobre una pluralidad de puntos de imagen una distribución de escalas de grises, en el que a cada escala de grises está asociado un valor de distancia, que corresponde a la distancia en este punto de imagen con respecto a la superficie de la textura. Esta solicitud publica también un dispositivo para la erosión capa por capa de material desde una superficie para la generación de una estructura tridimensional con un láser que actúas de forma puntual sobre la superficie, en el que el medio de erosión realiza una erosión de material de acuerdo con las informaciones memorizadas en una imagen reticular, así como con un ordenador, a través del cual se activa el medio de erosión.

El cometido de la invención es erosionar una estructura superficial, como por ejemplo un graneado, de cuerpos de topología discrecional, es decir, superficies tridimensionales configuradas de forma discrecional. La invención se define con los objetos de las reivindicaciones 1 y 22. Esta superficie se describe al menos aproximadamente a través de una función matemática y se llama también modelo original, que se recubre con una red poligonal. A esta red poligonal se asocia en cada lugar un valor para la dimensión de la profundidad de la estructura superficial. El valor se puede expresar como un número de escalas de grises, que están asociadas a uno o varios puntos de la imagen del mapa de bits de textura original. A continuación se utilizan escalas de grises de forma representativa como ejemplo de esta asociación de valores. De esta manera, en cada caso, al menos una escala de grises configura un mapa de bits de textura original, en el que el mapa de bits de textura original está asociado a un polígono de la red poligonal del modelo original. La suma de los mapas de bits de textura original da como resultado la superficie del modelo original. Cada uno de los polígonos del modelo original se puede seleccionar precisamente tan grande que su mapa de bits de textura original se adapta a una zona de mecanización. Una zona de mecanización se determina a través del modo de trabajo del medio de erosión. Si el medio de erosión es un láser, la zona de mecanización se encuentra en el interior del paralelepípedo del foco. Se produce un paralelepípedo del foco cuando se dirigen los rayos láser, en el caso de empleo de una lente de campo plano en una posición determinada del escáner, sobre la superficie del cuerpo de topología discrecional de tal forma que se posibilita una erosión del material en el punto exacto. La distancia entre el escáner y el plano medio del paralelepípedo se da por la distancia focal de la óptica láser. La altura de la zona de mecanización, con campos máximos predeterminados del espesor de capa erosionado, se da por la profundidad máxima del foco (= desviación de la distancia focal) y su longitud lateral se da por la desviación máxima correspondiente de los espejos galvánicos en el escáner. Dentro del paralelepípedo del foco se puede aproximar la zona de mecanización a través de un polígono, cuyos vértices se encuentran todos sobre una superficie que tiene idealmente exactamente la distancia de la distancia focal con respecto a la óptica láser y está perpendicularmente a la dirección del rayo láser en la posición media de los espejos de desviación.

El polígono en la zona de mecanización contiene un mapa de bits de escalas de grises, que se obtiene a través de la proyección paralela del mapa de bits de textura original sobre el polígono de la zona de mecanización. La suma de los polígonos de las zonas de mecanización da como resultado de nuevo la superficie. El mapa de bits de escalas de grises contiene todas las informaciones sobre la erosión de material que debe realizarse en esta zona de mecanización. A cada zona de mecanización está asociado un mapa de bits de escalas de grises a través de proyección paralela, de manera que todos los mapas de bits de escalas de grises contienen las informaciones sobre la estructura de la superficie, que debe obtenerse a través de la erosión de material. La estructura de la superficie de cada superficie parcial se describe de esta manera a través de una imagen reticular, en este ejemplo el mapa de bits de escalas de grises mencionado anteriormente, que está constituido por puntos de imagen, estando dispuesta la superficie parcial a mecanizar en cada caso de la superficie totalmente en la zona del foco del láser. La posición de los puntos de la imagen sobre los polígonos en el espacio tridimensional corresponde a una posición bidimensional de las coordenadas sobre la superficie de las imágenes reticulares, es decir, de los mapas de bits de escalas de grises.

Las redes poligonales de cada superficie de intersección están dispuestas desplazadas entre sí, de manera que polígonos del mismo tipo no se encuentran nunca superpuestos con sus cantos. En este caso, tanto la posición, el ángulo como también el tamaño de los polígonos pueden ser diferentes de una capa a otra.

La erosión de material se realiza en la zona de mecanización de tal forma que a través del medio de erosión se lleva a cabo una erosión del material en un punto determinado con frecuencia hasta que se ha alcanzado un valor de la escala de grises. A tal fin, el medio de erosión recorre la zona de mecanización, lleva a cabo una erosión del material en los puntos en los que el valor de la escala de grises no se ha alcanzado todavía y avanza hacia la zona siguiente de mecanización hasta que todas las zonas de mecanización han sido recorridas por el medio de erosión, con lo que se termina la erosión de material de la primera capa. Para la capa próxima siguiente se lleva a cabo la erosión de acuerdo con el mismo proceso. Solamente se erosiona material donde no se ha alcanzado todavía el valor de la escala de grises, en los puntos restantes no se realiza ninguna erosión de material.

De esta manera, se abre la posibilidad de proveer superficies configuradas de forma discrecional, que están configuradas, por ejemplo, como herramientas o modelos, con una estructura superficial tridimensional, que se parece en la mayor medida posible a una estructura natural de la superficie. Una estructura de la superficie de este tipo es, por ejemplo, el graneado del cuero, que se caracteriza porque las crestas de graneado presentan diferentes alturas y dilataciones y la transición entre las crestas de graneado y los valles de graneado se desarrolla de una manera uniforme. Esta estructura de la superficie se puede reproducir con la ayuda de las superficies de intersección y de las escalas de grises dispuestas encima, de manera que se transfiera a una forma legible por máquina. Esta información se puede convertir entonces por un programa de procesamiento de datos en instrucciones de control para un dispositivo de erosión. Como dispositivo de erosión es adecuado especialmente un dispositivo láser, por medio del cual se puede conseguir la exactitud deseada en el intervalo de micrómetros.

Otro cometido de la invención es evitar líneas de separación y líneas límite visibles durante la erosión de material, estanco configuradas estas líneas de separación como rebabas o ranuras en la zona marginal de una zona de procesamiento.

Otro cometido de la invención es la realización de variantes discrecionales en la estructura de la superficie solamente a través de la programación del medio de erosión. La superficie deseada, que puede ser el resultado de una simulación, de una mecanización de un modelo original por medio de un programa de gráficos o de una exploración 3D, se traduce directamente en una activación del medio de erosión para la erosión línea por línea de la superficie para la generación de la estructura de la superficie.

Estos otros cometidos se realizan por medio del siguiente procedimiento para la erosión de material de una o de varias capas de una superficie tridimensional configurada de forma discrecional a través de un medio de erosión que actúa de forma puntual sobre una superficie, como un láser, en el que se genera una estructura superficial sobre la superficie tridimensional, pudiendo describirse la superficie a través de una función matemática y, por lo tanto, se puede aproximar a través de una red poligonal. La estructura de la superficie se designa a continuación también como textura. El procedimiento para la generación de una textura sobre una superficie curvada de forma discrecional, en el que la superficie se representa como función matemática, comprende la descomposición de la superficie en una pluralidad de superficies parciales. Las superficies parciales describen un fragmento de la textura a través de una pluralidad de puntos de imagen, a los que está asociada una escala de grises. Cada superficie parcial presenta, por lo tanto, una distribución de escalas de grises. A cada escala de grises se asocia un valor de distancia, que corresponde a la distancia más corta del plano tangencial en este punto de la imagen con respecto al punto sobre la superficie de la textura. La erosión de material se puede realizar en varias capas, estando asociada a cada capa una red poligonal propia. A través del valor de la distancia se establece el número de las capas, en las que debe realizarse una erosión de material. Este valor de la distancia puede ser un múltiplo del espesor de la capa. Las capas se pueden describir a través de la misma función matemática, que la superficie curvada. Cada capa está constituida por superficies parciales, en las que se trata en las superficies parciales de polígonos, sobre los que está indicado un punto de la imagen, cuando el valor de la distancia es mayor que la suma de los espesores de capa de las capas, que se encuentran entre la superficie curvada y la capa respectiva. La superficie parcial a mecanizar en cada caso de cada capa no tiene, en una configuración ventajosa, ninguna sección marginal en común con una de las superficies parciales mecanizadas anteriormente. Las superficies parciales de capas adyacentes no presentan, por lo tanto, ningún canto común. Los cantos de las superficies parciales de capas adyacentes no deben llegar a superponerse, puesto que en el borde de la capa se produce un error en la erosión. Este error puede consistir en la configuración de una rebaba o de un taladro. Las superficies parciales de capas adyacentes están dispuestas desplazadas entre sí, giradas unas con respecto a las otras o también dispuestas de forma aleatoria. De una manera alternativa o adicional, también las superficies parciales de capas adyacentes pueden presentar un tamaño diferente. A cada capa está asociada una red poligonal propia. La sección parcial de cada capa a mecanizar en cada caso no tiene ninguna sección marginal en común con una de las secciones parciales mecanizadas anteriormente. En otra configuración ventajosa, para cada superficie parcial o bien para cada polígono se predetermina una dirección angular diferente de las pistas del láser. Las pistas del láser inciden inclinadas sobre la superficie parcial, con lo que se evitan otros efectos marginales.

La red poligonal es inscrita en un programa de control de un medio de erosión, en el que el programa de control establece las zonas de mecanización. Una zona de mecanización de este tipo comprende al menos una superficie parcial. La zona de mecanización se encuentra en el interior de una zona del foco de un dispositivo de erosión, siendo recorrida la zona de mecanización línea por línea por un dispositivo de erosión. El dispositivo de erosión se conecta cuando un punto de la imagen se coloca en la capa que se encuentra en la zona de mecanización. El dispositivo de erosión no se conecta cuando no se reconoce ningún punto de la imagen de la capa, lo que es el caso exactamente cuando la escala de grises asociada al punto de la imagen presenta un valor, en el que no debe realizarse ya ninguna erosión. Si este valor es un valor de claridad y la erosión máxima está acoplada al punto más oscuro (negro), se ajusta la erosión cuando se alcanza el valor de claridad del punto de la imagen. Cuanto más claro es el punto de la imagen, tantas menos capas son erosionadas. En cambio, si la erosión máxima está acoplada al valor más claro, entonces se erosionan tantas más capas cuanto más claro es el punto de la imagen respectivo. En lugar de con valores de claridad se puede trabajar también con intensidades de color, zonas espectrales, longitudes de ondas o medidores de grados comparable, en tanto que sean adecuados para una representación gráfica de la estructura de la superficie en un modelo o se puedan transformar desde una representación gráfica en este modelo por medio de especificaciones claras para la erosión de material de varias capas.

El procedimiento encuentra aplicación para todos los materiales, que son adecuados para ser erosionados por el medio de erosión seleccionado. En comparación con cualquiera de los procedimientos de decapado o procedimientos galvánicos conocidos y que se encuentran en aplicación, el procedimiento ofrece la posibilidad de obtener dentro de un tiempo más corto una superficie graneada de mayor calidad, debiendo observarse menos limitaciones con respecto a la geometría de la estructura de la superficie y debiendo procurar en la selección del material solamente que el medio de erosión sea adecuado para realizar la erosión del material con la exactitud deseada.

La figura 1 es una representación de una superficie curvada.

La figura 2a es una representación de una textura como imagen de capas.

La figura 2b es la representación de la conversión de la textura en una imagen reticular.

La figura 2c es una sección a través de una textura.

La figura 2d es la representación de las superficies parciales con las imágenes reticulares.

La figura 3 es una representación de las capas con las superficies parciales y sus imágenes reticulares.

La figura 4 es una representación esquemática del procedimiento.

La figura 5 es una representación de la erosión de una superficie en varias capas.

La figura 6 es la representación de la erosión de superficies curvadas.

La figura 7 es un detalle de la figura 6 en representación tridimensional.

La figura 8 muestra una primera disposición de dos capas adyacentes.

La figura 9 muestra una segunda disposición de dos capas adyacentes.

La figura 10 muestra una tercera disposición de dos capas adyacentes.

La figura 11 muestra una cuarta disposición de dos capas adyacentes.

La figura 1 es la representación de una superficie curvada 1, que se puede describir a través de una función matemática. Esta superficie curvada 1 debe proveerse con una textura 2, es decir, con una estructura superficial. Con esta invención se realiza un procedimiento para la erosión formal selectiva capa por capa en un cuerpo de topología 15 discrecional, es decir, por lo tanto un cuerpo con la superficie 1 mencionada anteriormente. En este caso, debe aplicarse una estructura de la superficie 2, por ejemplo, en la forma de un graneado en el cuerpo de topología 15 discrecional. En particular, la estructura de la superficie 2 debe presentar transiciones, que se extiende de la manera más uniforme posible, entre las crestas de graneado y los valles de graneado. Por lo demás, no debe ser necesaria ninguna limitación, con respecto a la topología del cuerpo, por ejemplo sobre superficies cilíndricas o sobre superficies planas. Tales estructuras superficiales discrecionales o graneados deben poder representarse de tal forma que se puedan fabricar con un procedimiento conocido para la erosión de material, especialmente un procedimiento láser.

En la figura 2a se representa una estructura de la superficie 2 de este tipo en una reproducción bidimensional. La profundidad de la textura se simboliza a través de las líneas representadas, que corresponden a las cotas de un mapa. El contorno 20 de la estructura de la superficie 2 se ha seleccionado de forma discrecional, lo mismo que el desarrollo de las cotas. Este contorno debe generarse a través de un medio de erosión 9. Como medio de erosión 9 se puede emplear un rayo láser. La erosión del material se realiza entonces a través de la evaporación del material por medio de la energía térmica introducida por medio de rayo láser. El rayo láser es conducido, controlado por ordenador, a lo largo de la zona de mecanización 10 de acuerdo con la especificación de erosión descrita a continuación sobre el cuerpo de topología 15 discrecional. En el caso de superficies grandes, la mecanización se realiza, en general, por secciones, es decir, que en una sección se termina la erosión de material de todas las capas, antes de que se comience con la sección siguiente.

En la figura 2b se representa cómo se convierte la textura 2 en una imagen reticular. En este caso, hay que distinguir entre la descripción de la topología, es decir, de la geometría del cuerpo de topología 15 discrecional y del graneado, es decir, la estructuración fina deseada de la superficie, que se genera sobre el cuerpo de topología discrecional -o en formulación general de la superficie curvada- a través de un procedimiento de conformación. Esta imagen reticular o mapa de bits de textura original 3 se constituye a partir de puntos de imagen 4, en los que la escala de grises 5 representa una medida para el valor de la distancia 6 de la superficie curvada no mecanizada con respecto a la zona de base o fondo de la estructura de la superficie 2. Expresado de otra manera, el procedimiento para la generación de una textura 2 sobre una superficie 1 curvada de forma discrecional comprende la erosión de material en capas 7, en el que la superficie 1 se puede representar como función matemática. Esta superficie se descompone en una pluralidad de superficies parciales, es decir, polígonos de una red poligonal 17, como se representan, por ejemplo, en la figura 2d. A las superficies parciales, es decir, a los polígonos de la red poligonal 17 se asocia una imagen reticular, el mapa de bits de textura original 3. El mapa de bits de textura original 3 describe un fragmento de la textura 2 a través de una pluralidad de puntos de la imagen 4, a los que se asocia una escala de grises 5. Cada superficie parcial presenta, por lo tanto, sobre una pluralidad de puntos de la imagen 4, una distribución de escalas de grises 5, en la que a cada escala de grises 5 está asociado un valor de la distancia 6, que corresponde a la distancia normal del plano tangencial en la superficie curvada 1 en esta punto de la imagen con respecto a la superficie graneada. Este valor de la distancia 6 se representa de forma esquemática para la distancia desde la superficie curvada 1 hasta el punto más bajo del graneado 2.

En la industria del automóvil se emplean para la descripción de la topología de las llamadas superficies de forma libre, es decir, de las superficies curvadas, que se describen a través de una función matemática, en general NURSB (ranuras-N racionales no-uniformes). Cuando con una única superficie NURBS no se puede describir de una manera satisfactoria una geometría compleja, se yuxtaponen, por decirlo así, varios parches NURBS. Con frecuencia se cortan o recortan éstos todavía antes de la composición, a cuyo fin se emplean curvas NURBS que se encuentran sobre las superficies NURBS.

Para poder mecanizar esta topología con un medio de erosión 9, como por ejemplo un láser, debe dividirse en zonas de mecanización 10. Estas zonas de mecanización 10 se representan en detalle en la figura 3. El tamaño de la zona de mecanización 10 se selecciona de una manera ideal para que pueda ser recorrida línea por línea por el medio de erosión 9. Si el medio de erosión es un láser, entonces se explora, en la posición correspondiente del escáner (a ser posible, aproximadamente perpendicular a la zona de mecanización 10) solamente a través de la influencia sobre el espejo de galvanización. Por lo demás, la modificación de la distancia entre el escáner y la superficie parcial 19 debería mantenerse reducida. El objetivo debe ser en cualquier caso, en la selección del tamaño de la zona de mecanización, que no se produzca ninguna modificación no deseada del espesor de la erosión del material ni a través de la posición angular del medio de erosión, es decir, por ejemplo del láser, ni a través de la modificación de la distancia entre la superficie parcial 19 y el escáner. En cada zona de mecanización 10 hay que procurar que se coloque en conjunto en la zona del foco 11 del medio de erosión 9.

La zona de mecanización posible en una posición determinada del escáner se puede describir empleando una lente de campo plano a través del paralelepípedo del foco 11. La distancia entre el escáner y el plano medio del paralelepípedo se da a través de a distancia focal de la óptica láser. La altura de la zona de mecanización, en el caso de errores máximos predeterminados del espesor de capa erosionado, se da a través de la profundidad máxima del foco (= desviación desde la distancia focal) y su longitud lateral se da a través de la desviación máxima correspondiente de los espejos de galvanización en el escáner.

Dentro del paralelepípedo del foco 11 se puede aproximar la zona de mecanización 10 a través de un polígono, cuyos ángulos se encuentran todos sobre una superficie, que tiene de forma ideal exactamente la distancia de la distancia focal con respecto a la óptica láser y está perpendicularmente a la dirección del rayo láser en la posición media de los espejos de desviación. A este polígono corresponde ahora una superficie parcial 19 de la capa 7 a mecanizar, en la que la zona de mecanización 10 se obtiene a través de la proyección del polígono sobre la superficie NURBS y debe estar totalmente en el paralelepípedo del foco 11.

Toda la topología de la superficie 1 a mecanizar se describe de esta manera a través de una red reticular de superficies parciales 19 coherentes o de polígonos de diferente tamaño y forma. En este caso, las zonas marginales 13, es decir, los cantos del polígono se pueden seleccionar de una manera independiente de los bordes de los parches NURBS que describen la superficie parcial 19 a mecanizar, es decir, puede suceder y sucederá que uno o varios puntos del polígono se encuentran en un parche y uno o varios puntos del polígono sobre el parche NURBS adyacente.

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Para la descripción de la estructura fina de la superficie se asocia a cada polígono una imagen reticular 14 (mapa de bits) con la finalidad de la mejora de la capacidad de procesamiento a través del programa de control del láser. Esta imagen reticular 14 corresponde esencialmente a la superficie parcial 19 y está constituida por puntos de imagen de diferentes escalas de grises 12. En la figura 7 se representa que la imagen reticular 14 no corresponde exactamente a la superficie parcial 19. En este caso, el tamaño del punto de la imagen corresponde aproximadamente al tamaño del diámetro del cono de luz láser y la escala de grises 12 (claridad) del punto de la imagen corresponde a la profundidad de la estructura de la superficie 2 en este punto. Un punto blando significa en este ejemplo que no se erosiona ningún material en absoluto, mientras que un punto negro significa la erosión máxima de material (o a la inversa).

Se puede conseguir una exactitud todavía mayor a través de una descripción del punto láser a través de varios puntos de la imagen en el mapa de bits, en el que se puede recalcular sobre la diferente erosión de material transversalmente sobre el diámetro del punto láser. El inconveniente consiste en el incremento del mapa de bits y en la necesidad correspondientemente mayor de memoria y en el gasto de cálculo que resulta de ello en la electrónica de control.

La codificación del mapa de bits corresponde en este caso al número máximo de las capas 7, es decir, que en el caso de 256 escalas de grises (= 8 bits) por punto de imagen se pueden representar como máximo 256 capas. Para la memorización de esta imagen reticular se conocen diferentes formatos de ordenador con algoritmos de compresión correspondientes, que tienen como consecuencia una reducción muy fuerte de la necesidad de memoria.

En el caso general, la superficie parcial 19, es decir, el polígono, en raras ocasiones tendrá una forma cuadrada. Por lo tanto, se lleva a cabo una asociación de los puntos angulares del polígono en el espacio tridimensional en cada caso a un punto correspondiente sobre el mapa de bits 14 en coordenadas 2D (coordenadas de textura).

En la figura 4 se representa cuál es la relación entre la imagen reticular, que contiene los puntos de la imagen 4 con sus escalas de grises 5 y las capas 7, que siguen esencialmente el contorno de la superficie curvada. De esta manera, las capas 7 se pueden describir con funciones matemáticas esencialmente idénticas, como la superficie, o con una serie de funciones matemáticas, que se representan como parches NURBS. Las diferentes escalas de grises 5 se proyectan como especificación para la erosión de material sobre las capas individuales. La capa propiamente dicha se puede dividir de nuevo en superficies parciales 19, debiendo estar caracterizadas las superficies parciales de tal manera que se garantice la exactitud de la erosión a través del medio de erosión 9. La escala de grises 12 corresponde a la profundidad máxima de la erosión. De una manera correspondiente se lleva a cabo una erosión durante el tránsito de cada capa con el medio de erosión 9 en el lugar, que corresponde a la escala de grises 12. La suma de las erosiones por capa da como resultado, por lo tanto, la erosión total del material.

El ciclo del procedimiento se representa de forma esquemática en la figura 4 de la manera siguiente. El procedimiento para la erosión de material de varias capas de un cuerpo de topología 15 discrecional con una superficie 1 tridimensional de forma discrecional se lleva a cabo a través de un medio de erosión 9 que actúan de forma puntual sobre una superficie, como un láser, por medio del cual se genera una estructura de la superficie 2 sobre la superficie 1 tridimensional. Sobre la superficie 1 se definen zonas de mecanización 10, en las que una zona de mecanización 10 de este tipo se determina a través de la zona del foco 11 del medio de erosión. La superficie 1 se aproxima a través de redes poligonales 18 colocadas superpuestas, en las que cada polígono 19 de la red poligonal 18 está asociado a la zona de mecanización 10 del medio de erosión 9.

La estructura de la superficie 2 se describe a través de al menos un mapa de bits de escalas de grises 14. El mapa de bits de escalas de grises 14 comprende puntos de la imagen de diferentes escalas de grises 12 o de diferentes escalas de color. La claridad de la escala de grises 12, que corresponde a cada punto de la imagen del mapa de bits de escalas de grises 14 o la intensidad de la escala de color o el valor característico del color, como por ejemplo una longitud de onda en el caso de aplicación de mapas de bits de varios colores, determina la profundidad de la erosión del material.

La erosión del material se realiza en la pluralidad de capas 7, que corresponden al valor de la escala de grises. A cada capa 7 está asociada una red poligonal 18 propia. El polígono 19 de cada capa a mecanizar en cada caso no tiene ninguna sección marginal en común con uno de los polígonos mecanizados anteriormente, con lo que se pueden evitar los efectos marginales, que se pueden hacer visibles a través de la colocación y la retirada del medio de erosión sobre la superficie.

Para la realización del procedimiento se genera un modelo 1 tridimensional original por ordenador del cuerpo de topología 1 discrecional, que se describe a través de una red poligonal original 17. Las esquinas tridimensionales de los polígonos de la red poligonal original 17 corresponden a puntos bidimensionales en uno o varios mapas de bits de textura original 3. Los polígonos se transmiten al espacio bidimensional de los mapas de bits de textura original 3, en los que el valor de escalas de grises 5 de un punto de la imagen 4 corresponde al mapa de bits de textura original 3 de la erosión necesaria del material en el cuerpo de topología 15 discrecional y las zonas de mecanización 10 comprenden capas 7 individuales. La suma de las zonas de mecanización 10 dan como resultado la superficie 1 y la suma de las capas 7 da como resultado la estructura de la superficie 1 del cuerpo de topología 15 discrecional. Cada capa 7 se puede describir por medio de una red poligonal 18, en la que redes poligonales colocadas superpuestas están dispuestas desplazadas entre sí. La estructura de la superficie 2 del cuerpo de topología 15 discrecional se aproxima a través de redes poligonales 18 colocadas superpuestas y que están dispuestas desplazadas entre sí. A cada polígono 19 de la red poligonal 18 se asocia dentro de la zona de mecanización 10 un mapa de bits de escalas de grises 14 desde una proyección paralela de los mapas de bits de textura original 3 sobre el polígono 19 dentro de la zona de mecanización 10, de manera que se puede realizar la erosión de material a través del medio de erosión 9 en cada capa 7 de acuerdo con los valores de los mapas de bits de escalas de grises 14. El valor de la distancia 6 entre dos capas 7 corresponde, por lo tanto, a la diferencia de la claridad entre dos escalas de grises 12 adyacentes.

El modelo original se deriva a partir de la descripción del cuerpo de topología discrecional a través de superficies (de ranuras) CAD, que dan como resultado la red poligonal original 17.

Los valores de la claridad de las escalas de grises 12 de los mapas binarios de escalas de grises 14 se recalculan antes o durante la mecanización de la superficie 1 del cuerpo de topología 15 discrecional sobre el mapa de bits de textura original 3. En lugar de valores de claridad de escalas de grises 12 se pueden utilizar también escalas de colores o colores del espectro cromático.

En la figura 5 se representa cómo se realiza el proceso de la erosión cuando existe un fragmento esencialmente plano de la textura 2. La erosión se realiza desde la superficie 1 en capas de un espesor de capa esencialmente constante. Se han conseguido resultados satisfactorios para la autenticidad de la reproducción de la textura en espesores de capas de 5 \mum. El láser Nd:YAG utilizado para la erosión puede erosionar una capa de 5 \mum. Las imágenes reticulares tienen en este caso de una manera más ventajosa un tamaño de al menos 4 veces el espesor de capa, puesto que debido a las secciones marginales existen siempre zonas difusas. Las zonas marginales no sólo contienen en este caso los cantos de los polígonos 19, sino también las zonas marginales 13 de la escala de grises 12 hasta la que se erosiona como máximo en la capa respectiva. En la figura 5 se muestra claramente de la misma manera que la erosión se realiza capa por capa y que la erosión se lleva a cabo hasta que se ha alcanzado el contorno de la estructura de la superficie. El valor de la distancia 6 representado desde la superficie 1 hasta el contorno ha como resultado exactamente la escala de grises 12, hasta la que debe erosionarse. Además, se muestra que cada capa 7 está recubierta con respecto a las capas adyacentes con zonas de mecanización 10, que están dispuestas desplazadas entre sí. Las zonas de mecanización contienen las superficies parciales 19. Sobre la disposición desplazada se trata todavía con mayor exactitud más adelante.

Con una disposición correspondiente de los polígonos 19 es posible también agrupar las coordenadas de la textura de varios polígonos sobre un mapa de bits. Además, cuando se calcular y se memorizan los polígonos y los mapas de bits correspondientes, se puede predeterminar ya una dirección angular para las pistas del láser. Las pistas del láser no tienen que seguir necesariamente las líneas reticulares del mapa de bits, sino que se pueden emplear procedimientos del gráfico de ordenadores, que calculan los valores de claridad para una pista de láser, utilizando algoritmos Antialiasing (ver: una línea que se extiende diagonalmente sobre una pantalla de ordenador).

En la descripción del cuerpo de topología discrecional debe emplearse un medio de erosión, es decir, en este ejemplo un aparato láser, en el que el escáner, en el que se encuentran los espejos galvánicos, presenta con relación al cuerpo de topología discrecional una movilidad suficiente para poder aproximarse a una posición que se encuentra lo más perpendicular posible con respecto a cada polígono a distancia de la distancia focal de la óptica láser, es decir, que corresponde a aquella posición, que ha sido tomada como base para el cálculo de los polígonos.

Para el control del aparato láser en el sentido de una mecanización económica es necesario ordenar los polígonos en el conjunto de datos de tal forma que sean inscritos por la electrónica de control en una secuencia, que tiene como consecuencia vías de desplazamiento lo más reducidas posible del escáner. En la figura 6 se representa una sección a través de una superficie curvada 1, en la que las superficies parciales 19 están dispuestas esencialmente paralelas a la superficie curvada. Para mayor claridad solamente se representa una única capa 7 con sus superficies parciales 19. El medio de erosión 9 lleva a cabo una erosión a lo largo de una superficie parcial 19, siendo realizada la erosión solamente en la zona no detectada por el contorno de la estructura de la superficie 2. La zona de mecanización 10 puede coincidir en este caso con las zonas marginales 13 de la superficie parcial 19. Pero una zona de mecanización puede estar compuesta también por varias superficies parciales 19 o polígonos.

La figura 7 muestra de nuevo en detalle, cómo se realiza la erosión sobre la superficie parcial 19. El medio de erosión 9 recorre la imagen reticular, que está asociada a la superficie parcial 19 y lleva a cabo una erosión de material en todos los lugares, en los que la escala de grises 12 es mayor o igual (menos o igual) que el valor para la escala de grises de la capa 7, a la que pertenece la superficie parcial 19. La imagen reticular 14 es en este caso menor que la superficie parcial 19, lo que tiene como consecuencia que las zonas de mecanización 10 adyacentes se solapan con la zona del foco 11. Esta disposición puede ser ventajosa cuando la curvatura de la superficie, que se forma a través de la superficie parcial 19, es tan grande que se lleva a cabo una modificación de la erosión de la capa, condicionada por las propiedades del medio de erosión 9, lo que conduciría a una erosión irregular del material y se podría reconocer como error en la estructura de la superficie a generar.

Las posibilidades para evitar las líneas de separación, que se producen en la zona, en la que se termina una pista del láser y comienza la siguiente, se representan en las figuras 8 a 11. Estas líneas de separación se producen a través del incremento o la reducción de la erosión del material en los cantos de los polígonos. Se producen cuando se unen entre sí cantos de zonas de mecanización o bien de polígonos de una capa.

El espesor de capa se puede reducir ahora hasta tal punto que la línea límite resultante es en la altura insignificantemente pequeña en comparación con la altura total del graneado, que se produce a través de la erosión de varias capas y de esta manera no es ya visible. Se evita la adición del error de las líneas de separación a los cantos del polígono 13 porque a cada capa 7 a erosionar se asocia una red poligonal 18 tridimensional independiente propia, como se representa también en la figura 4. Esto se puede seleccionar de una manera totalmente libre, teniendo en cuenta las previsiones mencionadas anteriormente. En este caso debe observarse que los bordes poligonales 13 se interfieren, en efecto, (esto es inevitable), pero de ninguna manera se pueden superponer. En otro caso, se suman los errores de las líneas de separación de las diferentes capas. Esto significa, cuando se considera un punto discrecional sobre la superficie a mecanizar del cuerpo de topología discrecional es y una erosión de material en n capas, que este punto "pertenece" a n polígonos 19 diferentes de n redes poligonales 18 diferentes. En las figuras 8 a 11 se representan diferentes posibilidades de la disposición de capas adyacentes, en las que las superficies parciales 19 son polígonos. Las superficies parciales 19 de una capa 7 están adyacentes entre sí por medio de secciones marginales 13 comunes. Las secciones marginales 13 de las superficies parciales 19 de capas 7 adyacentes no pueden estar colocadas, sin embargo, superpuestas. De acuerdo con la figura 8, las superficies parciales 19 de capas 7 adyacentes presentan un tamaño diferente.

De acuerdo con la figura 9, las superficies parciales 19 de caspas 7 adyacentes están dispuestas desplazadas entre sí.

De acuerdo con la figura 10, las superficies parciales 19 de capas 7 adyacentes están giradas unas con respecto a las otras. De acuerdo con la figura 11, las superficies parciales 19 de capas 7 adyacentes están dispuestas de forma aleatoria. En este caso, se prescinde totalmente de una red poligonal, y para evitar cantos de separación visibles solamente se aprovecha la propiedad de que los cantos de los polígonos individuales no pueden superponerse.

Estos polígonos o bien se pueden dividir en un mapa de bits de textura o, en cambio, se distribuyen sobre más de uno hasta máximo n mapas de bits.

Con respecto a los mapas de bits de textura correspondientes debe tenerse en cuenta que en presencia de varios mapas de bits, la erosión correspondiente de la capa se distribuye sobre los mapas de bits individuales. Es decir, que la erosión definitiva del material en un punto determinado resulta a partir de la adición de los valores de grises individuales de los mapas de bits de textura en este punto. La figura 4 mencionada anteriormente muestra esta posibilidad en detalle.

Si debe reducirse todavía más el error de las líneas de separación, se puede aplicar un procedimiento, en el que se forma una zona de solape entre las zonas de mecanización, en la que las pistas de mecanización del láser encajan entre sí en las entradas y los puntos de transición se distribuyen estadísticamente.

Claims (24)

1. Procedimiento para la generación de una textura (2) sobre una superficie (1) curvada de forma discrecional a través de la erosión de material en capas (7) a través de un medio de erosión, como por ejemplo un láser, en el que la superficie (1) se describe a través de al menos una red poligonal, y esta red poligonal se puede descomponer en una pluralidad de superficies parciales, por ejemplo polígonos (3), en el que la superficie curvada de forma discrecional se describe al menos aproximadamente como función matemática, en el que las superficies parciales (3) describen un fragmento de la textura (2) a través de una pluralidad de puntos de imagen (4), a los que se asocia una escala de grises (5) y cada superficie parcial (3) presenta de esta manea sobre una pluralidad de puntos de imagen (4) una distribución de escalas de grises (5), en el que a cada escala de grises (5) se asocia un valor de distancia, que corresponde a la distancia de la superficie curvada (1) en este punto de imagen con respecto a la superficie de la textura, en el que esta superficie matemática se traduce directamente en una activación del medio de erosión (9) para la erosión línea por línea de la superficie para la generación de la estructura de la superficie.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque a través del valor de la distancia (6) se fija el número de las capas (7), en las que se erosiona material.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el valor de la distancia (6) puede ser un múltiplo de un espesor de capa.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque cada una de las capas (7) se puede describir a través de una red poligonal propia.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque cada capa (7) está constituida por superficies parciales (19).

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque las superficies parciales (19) son polígonos.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque las superficies parciales (19) de una capa (7) se delimitan entre sí por medio de zonas marginales (13) comunes.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque las zonas marginales (13) de las superficies parciales (19) de capas (7) adyacentes no se superponen unas sobre otras.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque las superficies parciales (19) de capas (7) adyacentes están dispuestas desplazadas entre sí.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque las superficies parciales (19) de capas (7) adyacentes están giradas unas con respecto a las otras.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque las superficies parciales (19) de capas (7) adyacentes están dispuestas de forma aleatoria.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque las superficies parciales (19) de capas (7) adyacentes presentan un tamaño diferente.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la red poligonal, constituida por superficies parciales (19), se inscribe en un programa de control de un medio de erosión (9).

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque el programa de control establece zonas de mecanización (10).

15. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque una zona de mecanización (10) comprende al menos una superficie parcial (19).

16. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque la zona de mecanización (10) se encuentra en el interior de una zona de enfoque (11) del medio de erosión (12).

17. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque la zona de mecanización (10) es recorrida línea por línea por el medio de erosión (9).

18. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque el medio de erosión (9) se conecta cuando un punto de imagen con una escala de grises (12) en encuentra en la capa (7) dispuesta en la zona de mecanización (10).

\newpage

19. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque el medio de erosión no se conecta cuando no se reconoce ningún punto de imagen con una escala de grises (12) de la capa (7).

20. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 15, caracterizado porque para cada superficie parcial (19) se predetermina una dirección angular diferente para el medio de erosión (9).

21. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 20, caracterizado porque el medio de erosión (9) incide inclinado sobre la superficie parcial (19).

22. Dispositivo para la erosión capa por capa de material desde un cuerpo de topología (15) discrecional para la generación de una estructura (2) tridimensional sobre el cuerpo de topología discrecional, con un medio de erosión (9), que actúa de forma puntual sobre la superficie, como por ejemplo un láser o un ordenador, a través del cual se activa el medio de erosión (9), siendo representada la topología de la superficie del cuerpo por medio de una red poligonal (17), por medio de la cual se describe la topología al menos aproximadamente como función matemática, siendo proyectada la red poligonal (17) con las informaciones contenidas en ella acerca de la erosión de material sobre la red poligonal (18), en el que se puede asociar al medio de erosión (9) en cada polígono (19) de la red poligonal (18) una zona de mecanización, en el que la zona de mecanización (10) se describe a través de al menos una imagen reticular (14), de manera que el medio de erosión (9) lleva a cabo, de acuerdo con las informaciones memorizadas en la imagen reticular (14), una erosión de material en la zona de mecanización (10), siendo repetido el ciclo para cada polígono (19) de la red poligonal (18).

23. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizado porque la imagen reticular (14) ha sido generada por medio de un dispositivo de escáner y contiene informaciones sobre la erosión punto por punto de material.

24. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizado porque la zona de mecanización (10) se encuentra totalmente en la zona de enfoque (11) del medio de erosión (9).