ES2856399T3 - Método y sistema para fabricación aditiva usando un haz de luz - Google Patents

Método y sistema para fabricación aditiva usando un haz de luz Download PDF

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Abstract

Un método para la producción de un objeto por fabricación aditiva, comprendiendo el método las etapas de: a) suministrar material de construcción; y b) fundir el material de construcción usando un haz de luz (2); en el que las etapas a) y b) se llevan a cabo de modo que produzcan progresivamente el objeto a partir del material de construcción fundido; en el que en la etapa b), el haz (2) se proyecta sobre el material de construcción para crear un punto primario (2A) sobre el material de construcción, siendo escaneado el haz de manera repetitiva en dos dimensiones de acuerdo con un primer patrón de escaneado para crear un punto efectivo (21) sobre el material de construcción, teniendo dicho punto efectivo una distribución de energía bidimensional, y en el que dicho punto efectivo (21) se desplaza en relación con el objeto que se está produciendo para producir progresivamente el objeto fundiendo el material de construcción; y en el que la distribución de energía bidimensional del punto efectivo (21) se adapta dinámicamente durante el desplazamiento del punto efectivo (21) en relación con el objeto que se está produciendo.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y sistema para fabricación aditiva usando un haz de luz
Campo técnico
La presente invención se refiere a la fabricación de objetos tridimensionales mediante fabricación aditiva.
Estado de la técnica
Los objetos tridimensionales pueden fabricarse de muchas maneras, tal como mediante moldeo en un molde o mediante la eliminación de material de una pieza en elaboración, por ejemplo, usando máquinas de desbastar. Sin embargo, durante las últimas décadas, se ha ido haciendo cada vez más popular la denominada fabricación aditiva (FA). En la fabricación aditiva se añade material al objeto que se está produciendo, de modo que se forme un objeto tridimensional. Es decir, la fabricación aditiva se basa en la adición de material en lugar de la eliminación de material.
Algunas tecnologías de FA implican el uso de un haz de energía que se aplica sobre un material de construcción para fundir el material de construcción. Añadiendo progresivamente capas de material de construcción fundido, se produce el objeto tridimensional. Los materiales de construcción incluyen polímeros, metales, cerámicas y materiales compuestos, y a menudo se suministran en forma de polvo. Hay que distinguir aquí entre sistemas que usan un haz de electrones y sistemas que usan un haz de luz, generalmente un haz láser.
Un ejemplo de tecnología de FA es el denominado proceso de fusión en lecho de polvo (PBF, del inglés “powder bed fusion”). Los procesos PBF incluyen una o más fuentes térmicas para inducir la fusión entre las partículas de polvo en una cierta zona de una capa de polvo que corresponde a una sección transversal del producto que se está formando, y medios para añadir y alisar capas de polvo. Un ejemplo bien conocido de esta clase de proceso es el denominado proceso de sinterizado selectivo por láser (SLS, del inglés “Selective Laser Sintering”), en donde un haz láser funde una delgada capa de polvo (por ejemplo, una capa de polvo con un grosor del orden de aproximadamente 0,1 mm) en una zona que corresponde a la sección transversal del objeto que hay que formar.
El polvo se extiende a través de un área de construcción usando un rodillo de nivelación en contrarrotación, y que se precalienta a una temperatura próxima al punto de fusión y/o a la temperatura de transición vítrea del material de construcción. La finalidad del precalentamiento es reducir los requisitos de potencia del haz láser. Una vez se ha distribuido y precalentado el material, se proyecta un haz láser enfocado sobre la capa de material de construcción y el punto láser se desplaza sobre una zona de dicha capa para fundir progresivamente el material en esta zona. Esta zona se corresponde a una sección transversal del producto que hay que formar, por lo que la fusión del material de construcción en esta zona crea una loncha del producto. A continuación, se baja el área de construcción y se aplica una nueva capa de material de construcción, soportada por el material de construcción fundido y por el polvo que lo rodea. Repitiendo estas etapas, el producto va creciendo loncha a loncha, hasta que se acaba. Hay al menos cuatro mecanismos de fusión diferentes que se usan en los procesos PBF: concretamente, sinterizado en estado sólido, sinterizado inducido químicamente, sinterizado en fase líquida y fusión completa. En procesos usados comercialmente, tienden a dominar el sinterizado en fase líquida y la fusión. Ejemplos de procesos y sistemas SLS se divulgan en los documentos US 2014/0079916-A1 y US-6215093-B1.
Otra tecnología FA que implica el uso de haces de energía electromagnética (normalmente haces láser) es el denominado proceso de deposición por haz (BD, del inglés “beam deposition”). En esta clase de procesos, el material de construcción se calienta aplicando un haz de energía al material de construcción mientras está siendo depositado. Si bien en los procesos PBF descritos anteriormente el material de construcción primero se deposita en una capa y a continuación el haz de energía lo calienta selectivamente, en los procesos BD el material está siendo calentado y fundido según se está depositando. Los procesos BD incluyen procesos de deposición de metal basados en láser (LBMD, del inglés “laser-based metal deposition”), que implican normalmente un cabezal de deposición que integra una o más boquillas de polvo y óptica láser. El proceso entraña un movimiento relativamente controlado entre el cabezal de deposición y un substrato, moviendo el cabezal de deposición, el sustrato o ambos. Un ejemplo de un sistema de deposición por haz se divulga en el documento US- 2012/0138258-A1. Ejemplos de boquillas de deposición de polvo se divulgan en el documento US- 2014/0015172-A1 y en el documento WO-2008/003942-A2.
El documento US-2013-0168902-A1 divulga un sistema de fusión en lecho de polvo en el que el área de fusión es detectada por un dispositivo sensor, con la finalidad de control de calidad.
El documento US-2012/0266814-A1 describe cómo para depositar una cobertura relativamente ancha, debe hacerse solapando una serie de revestimientos, lado con lado. Se explica que si solo se incrementa el diámetro del haz láser, entonces la temperatura en el centro del charco fundido es tal que pueden producirse altos niveles de vaporización del material aditivo, o el sustrato puede fundir hasta una profundidad excesiva. Además, el material de sustrato circundante puede alterarse en una profundidad excesiva, etc. El documento describe un sistema en el que el haz láser es conformado en un aparato de conformación del haz que comprende un espejo plano y un elemento óptico de difracción con el fin de permitir una distribución de energía del haz diferente de la gaussiana tradicional para mejorar el proceso. Por ejemplo, puede disponerse la intensidad para que sea relativamente alta en el borde de entrada del punto láser o en los bordes del punto láser.
El documento US-2013/0300035-A1 divulga un sistema de fusión en lecho de polvo y destaca la necesidad de controlar la temperatura del material de construcción irradiado para evitar deformaciones geométricas y grietas y para asegurar una fusión completa. También menciona la necesidad de reducir el tiempo de producción y la necesidad de barrer el haz con la máxima eficacia posible sobre el área seleccionada. Menciona cómo puede usarse un patrón de escaneado que tenga líneas paralelas y cómo existe la necesidad de tener en cuenta el calor de las líneas previamente escaneadas, lo que puede realizarse variando la potencia o la velocidad del haz. El documento propone un método que implica cálculos relativos a una trayectoria del haz creada y un haz imaginario. La invención divulgada en este documento se refiere a un método en donde la deposición de energía del haz que va a ser usado puede preajustarse basándose en cálculos.
El documento US-2011/0305590-A1 divulga una disposición de deposición por haz en donde, en una realización, se procesa la radiación láser de modo que genere una zona de intensidad relativamente alta usada para consolidar el polvo, y una zona de intensidad relativamente baja usada para calentar un sustrato para mitigar la distorsión del sustrato durante la fabricación.
Generalmente, la fusión de la zona o parte seleccionada de una capa se obtiene escaneando haz láser sobre la zona siguiendo una trayectoria del haz, de modo que el punto láser proyectado sobre la capa se desplace sobre la superficie de la capa para calentar posteriormente diferentes partes de la zona, normalmente una pluralidad de pistas paralelas, hasta que toda la zona haya sido calentada y fundida en la medida deseada. El documento US-2004/0099996-A1 es un ejemplo de cómo se aplica la energía de radiación en pistas. El documento US-2006/0215246-A1 divulga que hay dos tipos de escaneado láser realizados comúnmente en sistemas de creación rápida de prototipos: escaneado de trama y escaneado vectorial. El documento US-2004/0200816-A1 también enseña que se usaron el escaneado de trama y/o el escaneado vectorial para llenar el área que hay que fundir, por ejemplo, fundiendo el polvo a lo largo de una delimitación de la sección transversal en forma de vector, bien antes o bien después de un escaneado de trama que llena el área. Este documento sugiere el uso de una realimentación térmica de la imagen para controlar la temperatura, por ejemplo, controlando la potencia del haz y/o la velocidad escaneado.
El documento US-2003/0127436-A1 enseña una forma de reducir el tiempo de construcción de un artículo reduciendo el número de líneas de escaneado de trama requeridas para cada sección transversal del artículo.
El documento US-2003/0028278-A1 enseña el escaneado de trama con una distancia de línea a línea seleccionada entre escaneados, con la localización de las líneas de escaneado centrada sustancialmente entre las localizaciones de las líneas de escaneado de las capas previas. De ese modo, puede reducirse el número de escaneados requeridos para la formación de un artículo sin degradación de la resistencia estructural.
El documento DE-10112591-A1 enseña algunos patrones de escaneado láser alternativos en el contexto de la fabricación aditiva.
El documento US-5904890-A enseña la adaptación de la velocidad con la que se desplazan el haz al láser y el punto láser a lo largo de las líneas del patrón de escaneado, que depende de la longitud de las líneas, para lograr una distribución de densidad más homogénea.
El documento US-2013/0216836-A1 enseña, en el contexto de un proceso de fusión/sinterizado, el uso de una trayectoria de escaneado no lineal para reducir el tiempo que necesita el haz de la fuente de radiación electromagnética para atravesar un área.
El documento US-2014/0154088-A1 enseña la relación entre la orientación de grano secundaria y el patrón de escaneado de un haz de energía.
El documento DE-102009015282-A1 enseña la aplicación de diferentes cantidades de energía a diferentes partes de la capa que se está sinterizando o fundiendo selectivamente, basándose en una función o en datos de una tabla. De ese modo pueden mejorarse las características mecánicas del producto.
Los documentos US-2011/0168090-A1 y US-2011/0168092-A1 enseñan aparatos de deposición por láser que tienen anchas boquillas de rociado, de modo que puede depositarse un recubrimiento relativamente ancho de grosor uniforme. Las boquillas anchas se combinan con un haz láser ancho que puede obtenerse por medio de técnicas de manipulación del haz tales como, por ejemplo, escaneado.
El documento US-2010/0036470-A1 divulga procesos para la fabricación de electrodos basada en láser y menciona el control del proceso por parámetros que incluyen energía del láser y tamaño del punto láser. El documento US-2008/0296270-A1 divulga la deposición directa de metal usando un láser y una boquilla de polvo, con un sistema de control para controlar los parámetros del proceso, incluyendo la potencia del láser y la velocidad de recorrido. También se menciona la potencia del haz láser como un parámetro del proceso. El documento US-2006/0032840-A1 enseña la adaptación de la potencia del láser basándose en control por realimentación. El documento US-2009/0206065-A1 enseña el procesamiento de polvo por láser seleccionado con ajuste de los parámetros del proceso, incluyendo la potencia del láser y/o el tamaño del punto láser. El documento US-2002/0065573-A1 menciona parámetros tales como potencia del láser, diámetro del haz, distribución temporal y espacial del haz, tiempo de interacción y caudal del polvo. El documento propone el uso de un diodo láser para una respuesta rápida y un ajuste fino del proceso con rapidez.
El documento WO-2014/071135-A1 enseña, en el contexto de la fabricación aditiva, el concepto de la modulación adecuada de un pulso de haz láser para controlar con exactitud y precisión la cantidad de calor aplicado a un material en polvo, particularmente con la finalidad de conseguir un control mucho más fino de las características del objeto final producido por el método.
El documento US-2006/0119012-A1 enseña un método para producir piezas usando sinterizado por láser, en el que se expone polvo fusible a una pluralidad de escaneados de láser con niveles de energía controlados y durante periodos de tiempo para fundir y densificar el polvo.
El documento CN-1648802-A divulga el uso de un haz de alta energía para sinterizar o fundir y depositar material sucesivamente. El documento parece enseñar un rápido escaneado usando un haz de electrones. A través de uno o varios bastidores de escaneado, el material del área de formación ha elevado su temperatura de forma síncrona para alcanzar la temperatura de sinterizado o de refusión para depositarlo sobre el área de formación antes de una refrigeración síncrona. Se cree que esto reduce las tensiones térmicas y eleva la precisión y la calidad de la formación.
El documento US-2010/0007062-A1 divulga el precalentamiento homogéneo de material en polvo escaneando un haz de alta energía a lo largo de trayectorias predeterminadas sobre un área de precalentamiento.
El documento DE-10208150-B4 enseña que puede reducirse la rugosidad de la superficie del objeto que se está produciendo permitiendo que el escaneado del haz láser de la parte correspondiente de la capa de polvo oscile adelante y atrás en la dirección de su movimiento general a lo largo de la pista, calentando de ese modo la misma parte varias veces. El documento también enseña que puede añadirse un movimiento en la dirección lateral a este movimiento en la dirección longitudinal de la pista, con la finalidad de ajustar o variar el ancho de la pista. El método que incluye el movimiento del punto láser adelante y atrás a lo largo de la pista puede usarse también para otras partes de la capa que están siendo fundidas, no solamente para la que está definiendo la superficie del objeto. La velocidad, el tamaño o la potencia del punto láser pueden modificarse durante este movimiento adelante y atrás. El documento indica que el láser puede crear figuras de Lissajous en movimiento.
El documento US-2003/0075529-A1 divulga el uso de una óptica de enfoque ajustable para controlar la geometría del haz en el contexto de un proceso de deposición por haz. Pueden controlarse parámetros tales como el ancho del camino y distribución de intensidad. Puede usarse un elemento de vibración u oscilación de modo que pueda determinarse el ancho del camino ajustando la amplitud de la oscilación.
El documento US-2001/0002287-A1 enseña el uso de una óptica de conformación del haz para crear haces láser no simétricos, incluyendo haces láser con una parte de entrada que tiene una intensidad del haz láser mayor que una parte de salida, imponiendo un gradiente térmico sobre el material depositado durante la resolidificación.
El documento US-2012/0267345-A1 enseña cómo, en el contexto de la fabricación aditiva, la forma de sección transversal del haz láser se ajusta durante el proceso para controlar la distribución de la energía usando medios reflectores deformables, tales como un espejo deformable.
No solo puede usarse un haz láser sino también un haz de electrones para la fabricación aditiva. Sin embargo, en el caso de un haz de electrones, la sección transversal del haz no puede conformarse usando la óptica de la misma manera que con un haz láser, y hay que hacer un planteamiento diferente. El documento WO-2004/056509-A1 enseña, entre otros, el uso de un haz de electrones para producir un objeto tridimensional, y sugiere el uso de un término de interferencia para proporcionar una distribución de calor más favorable en el área alrededor del punto focal o para proporcionar un trazado ampliado. El uso de un movimiento con un componente en una dirección perpendicular a la dirección de movimiento principal, puede ser especialmente ventajoso en el contexto de un haz de electrones para proporcionar alguna clase de punto calentado efectivo que sea más ancha que el punto focal del haz de electrones, es decir, de modo similar a lo que puede lograrse usando la óptica apropiada cuando el haz de energía es un haz láser. El escaneado de un haz de electrones para crear figuras más o menos complejas es bien conocido en la técnica, compárese, por ejemplo, cómo este concepto se ha implementado durante décadas en los tubos de rayos catódicos. Es bien conocido en la técnica el control de la dirección de los haces de electrones usando campos magnéticos sin necesidad de desplazamiento físico de componentes.
Como se explica, por ejemplo, en el documento US-2002/0145213-A1, el sinterizado selectivo por láser se ha basado tradicionalmente en un planteamiento de marca por marca, o punto por punto. El documento US-2002/0145213-A1 sugiere una técnica diferente, basada en la creación de imágenes de tóner de polvo transferible de un polvo de adhesión y al menos un polvo modificador de acuerdo con el diseño CAD correspondiente. La construcción del objeto tiene lugar área por área, en lugar de punto por punto.
El documento US-2008/0038396-A1 enseña la producción de objetos tridimensionales mediante solidificación de un material de construcción usando radiación electromagnética. La entrada de energía es a través de una unidad de creación de imágenes que comprende un número predeterminado de píxeles.
El documento US-2003/0052105-A1 sugiere un planteamiento por píxeles para sinterizado por láser, incluyendo, por ejemplo, el uso de un dispositivo de microespejo digital.
El documento US-2002/0051853-A1 divulga la producción de un objeto capa por capa, usando un haz láser único para delimitar las características del objeto que está siendo formado y, a continuación, una serie de haces láser equidistantemente para llenar rápidamente las zonas uniformes, acelerando de ese modo el proceso.
El documento WO-2014/016402-A1 divulga un dispositivo que comprende un cabezal galvanométrico capaz de dirigir un haz láser hacia cada punto de una zona de sinterizado máximo de un campo de sinterizado en donde dicho cabezal galvanométrico es colocado en una posición predeterminada. El dispositivo comprende además medios limitantes capaces de limitar el direccionamiento del haz láser a una zona de sinterizado efectiva situada en el interior de dicha zona de sinterizado máximo, y medios de movimiento para mover dicho cabezal galvanométrico en un plano paralelo al plano de dicho campo de sinterizado, permitiendo colocar dicho cabezal galvanométrico en al menos dos posiciones diferentes, asociándose una zona de sinterizado efectiva a cada posición de dicho cabezal galvanométrico.
El documento CN-103567441-A divulga un método para sinterizado por láser en el que el tamaño del punto láser se modifica durante el proceso para acelerar el proceso.
El documento CN-203227820-U divulga un método en el que el tamaño del punto láser se modifica durante el proceso para adaptar el tamaño al ancho del componente que se está fabricando.
El documento US-5753171-A enseña el uso de un dispositivo de enfoque variable mediante el que puede variarse el enfoque del haz de luz durante la solidificación de una capa, de modo que diferentes partes de la capa se someten a tratamiento térmico con diferentes diámetros de haz.
El documento WO-2014/006094-A1 divulga un método que comprende una etapa de adquisición de la silueta geométrica de una sección bidimensional que hay que fundir; una etapa de determinación de una trayectoria de referencia a partir de dicha silueta geométrica de la sección, teniendo dicha trayectoria de referencia una forma que se correlaciona con la forma de dicho contorno geométrico; una etapa de determinación de una serie trayectorias basándose en dicha trayectoria de referencia; y una etapa de control del haz láser de modo que se mueva lo largo de un conjunto de trayectorias predeterminadas de acuerdo con una estrategia de movimiento que define un orden de las trayectorias a lo largo de las cuales moverse y, para cada trayectoria, un punto a partir del que iniciar el movimiento. Este método se dirige a una productividad mejorada.
El documento US-2013/0270750-A1 reconoce que la velocidad del proceso no puede incrementarse simplemente aumentando la potencia y/o la velocidad de escaneado: una potencia incrementada puede acabar produciendo vaporización, mientras que una velocidad de escaneado aumentada reduce el tiempo de residencia que puede acabar siendo demasiado corto. Este documento sugiere un planteamiento basado en el uso simultáneo de dos haces láser.
El documento US-2005/0186538-A1 enseña que el tiempo de producción puede reducirse cuando la energía de un haz de alta energía se acopla al interior del material en varias etapas. En la primera etapa, la energía se acopla en una cierta posición en la capa de material hasta que la parte respectiva de la capa en dicha posición se ha calentado hasta una temperatura justamente por debajo de su punto de fusión. En la etapa final de acoplamiento de energía, el haz calienta entonces dicha parte por encima del punto de fusión, fundiendo de ese modo el material hasta la capa que hay por debajo. De esta manera, se forma el producto que se está fabricando.
El documento WO-2013/079581-A1 divulga cómo puede variarse la entrada de energía por unidad de tiempo en función del lugar de irradiación respectivo sobre la capa de polvo, teniendo en cuenta la capacidad de disipación térmica de una zona directamente circundante definida. La entrada de energía se modula automáticamente de forma adecuada ajustando los parámetros de irradiación tales como densidad de energía de la radiación en el lugar de irradiación y/o duración de la irradiación del lugar de irradiación.
El documento DE-10320085-A1 se refiere a procesos de sinterizado por láser o de fusión por láser y debate la adaptación del calentamiento por láser adaptando durante la producción de un objeto características tales como densidad de potencia, velocidad de escaneado, ancho de la pista, distancia entre las pistas, diámetro del haz láser y potencia del haz.
El documento US-2004/0094728-A1 divulga un sistema en el que el escáner se puede mover por encima de una plataforma sobre la que se está formando el objeto, para permitir de esa forma la producción de grandes objetos con buena calidad.
El documento WO-2014/037281-A2 divulga un método y un sistema para el endurecimiento por láser de superficies de piezas en elaboración, con un enfoque especial sobre cigüeñales. El endurecimiento por láser del acero es un concepto bien conocido, pero algunas piezas son problemáticas debido a la presencia de zonas más sensibles al calor que pueden sufrir daños cuando les calienta el haz láser. Por ejemplo, en el caso de cigüeñales, un problema reside en la presencia de más partes sensibles al calor tales como las áreas adyacentes a los orificios del aceite de lubricación. El documento WO-2014/037281-A2 enseña cómo pueden superarse estos y similares problemas usando un punto láser efectivo con una distribución de energía bidimensional que pueden adaptarse dinámicamente para evitar el sobrecalentamiento de las subáreas más sensibles al calor.
Descripción de la invención
Un primer aspecto de la invención se refiere a un método de acuerdo con la reivindicación 1 para la producción de un objeto por fabricación aditiva, comprendiendo el método las etapas de:
a) suministrar material de construcción; y
b) fundir el material de construcción usando un haz de luz;
en el que las etapas a) y b) se llevan a cabo de modo que produzcan progresivamente el objeto a partir del material de construcción fundido;
en el que en la etapa b), el haz se proyecta sobre el material de construcción para producir un punto primario sobre el material de construcción, siendo escaneado de manera repetitiva el haz en dos dimensiones de acuerdo con un primer patrón de escaneado para crear un punto efectivo sobre el material de construcción, teniendo dicho punto efectivo una distribución de energía bidimensional,
y en el que dicho punto efectivo se desplaza en relación con el objeto que se está produciendo para producir progresivamente el objeto fundiendo el material de construcción.
El material de construcción puede ser cualquier material adecuado para fabricación aditiva por fusión mediante calor aplicado con un haz de luz, tal como un haz láser. En muchas realizaciones de la invención, el material de construcción se suministra en forma de polvo. En muchas realizaciones de la invención, el material de construcción se selecciona de entre el grupo que comprende metales, polímeros, cerámicas y materiales compuestos, y mezclas o combinaciones de los mismos.
El término fundir (fundiendo, etc.) no debería interpretarse en sentido estricto y engloba cualquier alteración del material de construcción suministrado adecuado para la fabricación de un objeto a partir de él. En el presente documento, el concepto “fusión” engloba mecanismos de fusión tales como el sinterizado en estado sólido, la unión inducida químicamente, el sinterizado en fase líquida y la fusión completa.
El haz de luz es un haz de radiación electromagnética, por ejemplo, un haz láser. El punto láser efectivo puede crearse y adaptarse usando, por ejemplo, cualquiera de las técnicas descritas en el documento WO-2014/037281-A2.
Mientras que el documento WO-2014/037281-A2 se enfoca sobre el endurecimiento láser de piezas en elaboración previamente producidas, tales como cigüeñales, que presentan subáreas sensibles al calor tales como las adyacentes a los orificios del aceite de lubricación, se ha descubierto que los principios divulgados en el presente documento con relación al escaneado del haz láser pueden aplicarse también al área de fabricación aditiva, en donde pueden usarse para mejorar la manera en la que se funde el material de construcción, en términos de velocidad y/o calidad.
En algunas realizaciones de la presente invención, el método se implementa como un método de fusión en lecho de polvo, por ejemplo como un método de SLS (Sinterizado Selectivo por Láser). En otras realizaciones de la invención, el método se implementa como un método de deposición por haz, por ejemplo, un método de deposición por haz láser.
El desplazamiento efectivo del punto en relación con el objeto que se está produciendo puede llevarse a cabo de acuerdo con un segundo patrón de escaneado. Es decir, el punto real/primario, o sea, el punto que produce el haz en cualquier momento dado, se escanea de acuerdo con un primer patrón de escaneado para crear el punto efectivo y este punto efectivo puede desplazarse de acuerdo con el segundo patrón de escaneado. De ese modo, se combinan o superponen dos tipos de movimientos: el movimiento del punto primario de acuerdo con el primer patrón de escaneado y el movimiento del punto efectivo de acuerdo con el segundo patrón de escaneado.
La expresión “distribución de energía bidimensional” se refiere a la manera en la que se distribuye la energía aplicada por el haz de energía sobre el punto efectivo, por ejemplo, durante un barrido del haz a lo largo del primer patrón de escaneado.
La presente invención permite una fusión relativamente rápida de un área sustancial, debido al hecho de que el punto efectivo puede tener un tamaño sustancial, tal como, por ejemplo, más de 4, 10, 15, 20 o 25 veces el tamaño (área) del punto primario. Por ello, el calentamiento de una cierta zona o área del material de construcción para lograr la fusión puede conseguirse más rápidamente que si el calentamiento se llevara a cabo simplemente desplazando el punto primario sobre toda el área, por ejemplo, siguiendo un patrón de escaneado compuesto de una pluralidad de líneas paralelas, dispuestas próximas entre sí. El uso de un punto efectivo que tenga un área relativamente grande permite una alta productividad aunque sigue permitiendo que cada parte del material de construcción sea calentada durante una cantidad de tiempo relativamente sustancial, permitiendo de ese modo un calentamiento menos agresivo sin comprometer la productividad. El punto primario puede tener un área sustancialmente más pequeña que la del punto efectivo. Por ejemplo, en algunas realizaciones de la invención, el punto primario tiene un tamaño de menos de 4 mm2, tal como menos de 3 mm2, al menos durante parte del proceso. El tamaño del punto primario puede modificarse durante el proceso, para optimizar la forma en la que se está formando cada parte específica del objeto, en términos de calidad y productividad.
Por un lado, el uso de un punto efectivo creada escaneando el punto primario de manera repetitiva en dos dimensiones de acuerdo con un primer factor de escaneado, hace posible crear un punto efectivo que tenga una distribución de energía bidimensional seleccionada, que es sustancialmente independiente de la óptica específica (lentes, espejos, etc.) que se está usando, y que puede confeccionarse y adaptarse para proporcionar una fusión mejorada u optimizada del material de construcción y la producción del objeto, desde diferentes puntos de vista, incluyendo la velocidad con la que tiene lugar la producción en términos de kilogramos o unidades por hora, y calidad. Por ejemplo, el calor puede distribuirse de modo que la parte de entrada del punto efectivo tenga una densidad de energía mayor que una parte de salida, incrementando de ese modo la velocidad con la que se inicia la fusión, mientras que la parte de salida puede servir para mantener la fusión durante un tiempo suficiente para alcanzar una profundidad y/o una calidad deseadas, optimizando de ese modo la velocidad con la que el punto efectivo puede desplazarse en relación con el objeto que se está produciendo, sin renunciar a la calidad de la fusión. También, la distribución de energía bidimensional puede adaptarse en relación con los lados del punto efectivo, dependiendo de las características del material de construcción o del objeto en estos lados, por ejemplo, para aplicar menos calor en áreas en donde el material de construcción ya presenta una temperatura relativamente alta, por ejemplo, debido al calentamiento que ha tenido lugar recientemente, por ejemplo, durante un barrido anterior del punto efectivo en correspondencia con un área adyacente a la que se está calentando actualmente. También, el punto efectivo puede adaptarse de acuerdo con la forma del objeto que se está formando, por ejemplo, el punto efectivo puede hacerse más delgado (es decir, menos ancho), o más ancho en una dirección tal como la dirección lateral (es decir, la dirección perpendicular a la dirección en la que el punto efectivo se está desplazando a lo largo del segundo patrón de escaneado) cuando esto es necesario para la fusión del material de construcción en una cierta área del objeto que se está produciendo, por ejemplo, para corresponder al ancho de la parte del objeto que se está produciendo en ese área. Por ejemplo, en algunas realizaciones de la invención, el ancho del punto efectivo puede adaptarse dinámicamente para coincidir con la dimensión respectiva (tal como el ancho) de la parte respectiva del objeto que se está produciendo en las diferentes posiciones a lo largo de una pista a lo largo de la cual se está barriendo el punto efectivo, mientras que el punto efectivo se barre a lo largo de la pista. Realmente, no solo puede adaptarse dinámicamente el ancho general o el promedio del punto efectivo sino también la forma del punto efectivo, tal como la forma en la que varía el ancho del punto efectivo a lo largo de la longitud del punto efectivo, por ejemplo, para corresponder a la forma de la parte respectiva del objeto que se está formando en cada momento. Por ejemplo, la distribución de energía bidimensional puede adaptarse de modo que la proyección del punto efectivo sobre el material de construcción presente una forma adaptada a la forma del objeto que se está formando, por ejemplo, para adoptar una forma a modo de cuña o similar en correspondencia con una parte estrechada del objeto que se está formando, etc.
La forma del punto efectivo y/o la distribución de energía bidimensional pueden adaptarse siempre que sea necesario, adaptando de este modo en cualquier momento dado el proceso al objeto específico que se está produciendo y a la parte específica del objeto que se está produciendo. En algunas realizaciones de la invención, la distribución de energía bidimensional puede variarse en función del lugar de irradiación respectivo sobre la capa de polvo, teniendo en cuenta la capacidad de eliminación térmica de una zona circundante. En algunas realizaciones de la invención, la distribución de energía bidimensional puede variarse teniendo en cuenta características deseadas del producto en diferentes zonas del producto, tales como diferentes requisitos de porosidad y/o dureza, por ejemplo, dependiendo de la distancia a una superficie del producto. Esto puede ser útil para acelerar el sinterizado de áreas que requieran menos dureza, mejorando de ese modo la productividad.
Además, usando el punto efectivo, creada escaneando el punto primario en dos dimensiones, se incrementa la flexibilidad en términos de, por ejemplo, adaptación de un sistema a diferentes objetos que hay que producir. Por ejemplo, puede reducirse o eliminarse la necesidad de sustituir o adaptar la óptica aplicada. La adaptación puede llevarse a cabo más frecuentemente, al menos en parte, simplemente adaptando el software que controla la distribución de energía bidimensional del punto efectivo.
La expresión “primer patrón de escaneado” no implica que el punto primario deba seguir siempre el mismo patrón de escaneado cuando se crea el punto efectivo, sino que simplemente se pretende distinguir el patrón de escaneado del punto primario, usado para crear el punto efectivo, del patrón con el que el punto efectivo se desplaza o escanea en relación con el objeto que se está produciendo; el patrón de escaneado seguido por el punto efectivo se conoce a veces como el segundo patrón de escaneado.
En muchas realizaciones de la invención, la velocidad o velocidad media con la que se desplaza el punto primario de acuerdo con el primer patrón de escaneado es sustancialmente mayor que la velocidad con la que se desplaza el punto efectivo en relación con el objeto. Una velocidad alta del punto primario a lo largo del primer patrón de escaneado reduce las fluctuaciones de temperatura dentro del punto efectivo durante cada barrido del punto primario a lo largo del primer patrón de escaneado.
En sistemas de la técnica anterior, el charco de fusión o charco, es decir, el área o la zona en donde tiene lugar la fusión, corresponde sustancialmente al punto primario proyectado por el haz sobre el material de construcción. Es decir, en sistemas de la técnica anterior, el denominado charco de fusión en donde el material de construcción está siendo fundido tiene generalmente un tamaño que corresponde sustancialmente al del punto primario, y el charco se desplaza de acuerdo con el desplazamiento del punto primario, por ejemplo, a lo largo de la circunferencia de una zona que hay que fundir, a lo largo de líneas de escaneado de trama que llenan un área en donde debe fundirse el material de construcción, o a lo largo de una línea en donde se está depositando el material de construcción en un proceso de deposición por haz. Por el contrario, de acuerdo con la presente invención, el charco más bien corresponde al punto efectivo, o a una parte sustancial del mismo. Por ejemplo, en muchas realizaciones de la invención el charco tiene un ancho que corresponde sustancialmente al ancho del punto efectivo (en una dirección perpendicular a la dirección en la que se está desplazando el punto efectivo) y el charco se desplaza generalmente de acuerdo con el desplazamiento del punto efectivo. Es decir, en lugar de ser desplazado de acuerdo con el desplazamiento del punto primario siguiendo el primer patrón de escaneado, el charco se desplaza de acuerdo con el desplazamiento del punto efectivo, de modo que sigue el segundo patrón de escaneado.
Naturalmente, la presente invención no excluye la posibilidad de llevar a cabo parte del proceso de fusión operando con el punto primario de forma convencional. Por ejemplo, puede desplazarse el punto primario para llevar a cabo la fusión en correspondencia con la silueta o el contorno de una zona que hay que fundir, o para llevar a cabo la fusión en correspondencia con ciertos detalles del objeto que se está produciendo, mientras que el punto efectivo descrito anteriormente puede usarse para llevar a cabo la fusión de otras partes o zonas, tales como el interior o la parte principal de una zona que hay que fundir. El experto en la materia elegirá el grado en el que se usará el punto efectivo en lugar del punto primario para crear el charco, dependiendo de situaciones tales como la productividad y la necesidad de confeccionar cuidadosamente la silueta de una zona que hay que fundir o una cierta parte de un objeto que se está produciendo. Por ejemplo, es posible usar el punto primario para delimitar una zona que hay que fundir y para fundir los límites entre esta zona y las zonas en donde el material de construcción no tiene que fundirse, mientras que el punto efectivo se usa para fundir el material de construcción dentro de la zona delimitada. En algunas realizaciones de la invención, durante el proceso, el primer patrón de escaneado puede modificarse para reducir el tamaño del punto efectivo hasta que acabe correspondiendo al punto primario, y viceversa.
Es decir, no es necesario usar el punto efectivo para llevar a cabo toda la fusión que debe tener lugar cuando se produce el objeto. Sin embargo, al menos parte de la fusión del material de construcción se lleva a cabo usando el punto efectivo descrita anteriormente. Por ejemplo, puede preferirse que cuando se produce un objeto, durante al menos el 50 %, 70 %, 80 % o 90 % del tiempo durante el que se aplica el haz al material de construcción, se aplica para crear el punto efectivo de la invención.
La distribución de energía bidimensional del punto efectivo se adapta dinámicamente durante el desplazamiento del punto efectivo en relación con el objeto que se está produciendo. De ese modo, puede conseguirse la adaptación del punto efectivo al área o la zona del objeto que se está produciendo actualmente. La expresión adaptación dinámica pretende señalar el hecho de que la adaptación puede tener lugar dinámicamente durante el desplazamiento del punto efectivo, es decir, “en proceso”, sin interrumpir el proceso para, por ejemplo, conmutar entre diferentes ópticas, y sin conmutar entre diferentes haces de luz. Pueden usarse diferentes medios para lograr esta clase de adaptación dinámica, algunos de los cuales se mencionan a continuación. Por ejemplo, en algunas realizaciones de la invención, el sistema de escaneado puede utilizarse para lograr la adaptación dinámica (por ejemplo, adaptando el funcionamiento de espejos galvánicos u otros medios de escaneado para modificar el primer patrón de escaneado y/o la velocidad del punto primario a lo largo del patrón de escaneado o a lo largo de uno o más segmentos o partes de los mismos), y/o pueden adaptarse la potencia del haz y/o del tamaño del punto primario. Puede usarse un control en bucle abierto o en bucle cerrado para controlar la adaptación dinámica. La adaptación dinámica puede afectar a la forma en la que se distribuye la energía dentro de un área dada del punto láser efectivo, y/o a la forma real del punto láser efectivo, y puede afectar frecuentemente al tamaño y/o la forma del charco. Por ejemplo, la longitud del punto efectivo (por ejemplo, a lo largo de la dirección del movimiento del punto efectivo) y/o el ancho del punto efectivo (por ejemplo, perpendicularmente a la dirección de movimiento del punto efectivo) pueden adaptarse dinámicamente durante el proceso, y/o pueden crearse “agujeros” (es decir, áreas en donde no se aplica energía o solo se aplica muy poca energía) dentro del punto efectivo en correspondencia con áreas en donde no se desea fusión del material de construcción. El tamaño y la forma del charco pueden determinarse mediante la distribución de energía bidimensional.
En algunas realizaciones de la invención, la distribución de energía bidimensional del punto efectivo se adapta dinámicamente durante el desplazamiento del punto efectivo a lo largo de la pista, por ejemplo, para adaptar el ancho del punto efectivo a una dimensión correspondiente de una parte del objeto que se está produciendo.
En algunas realizaciones de la invención, la adaptación dinámica tiene lugar una o varias veces, por ejemplo, continuamente, durante un barrido del punto efectivo a lo largo de la pista, tal como a lo largo del segundo patrón de escaneado o una parte del mismo, por ejemplo, a lo largo de una parte recta o curva del segundo patrón de escaneado. Por ejemplo, el ancho del punto efectivo pueda adaptarse una o más veces, tal como continuamente, durante un barrido del punto efectivo a lo largo de dicha pista, tal como a lo largo de una parte recta o curva del segundo patrón de escaneado.
En algunas realizaciones de la invención, la adaptación de la distribución de energía bidimensional del punto efectivo se lleva a cabo adaptando la potencia del haz, tal como encendiendo y apagando selectivamente el haz. Esto incluye la interrupción del haz en su origen, así como otras opciones tales como la interrupción del haz por interferencia con su trayectoria, por ejemplo mediante un obturador, y combinaciones de las mismas. Por ejemplo, cuando se usa un láser tal como un láser de fibra, el haz láser puede apagarse y encenderse muy rápidamente, haciendo posible así obtener una distribución de energía deseada mediante al apagar y encender el haz láser mientras sigue el patrón de escaneado. De ese modo, puede lograrse un calentamiento encendiendo el haz láser durante ciertas líneas o partes de líneas del patrón de escaneado. Por ejemplo, puede adoptarse a un planteamiento mediante píxeles, conforme a lo cual se determina la distribución de energía bidimensional mediante el estado de encendido/apagado del láser durante diferentes partes o segmentos del primer patrón de escaneado.
En algunas realizaciones de la invención, la adaptación de la distribución de energía bidimensional del punto efectivo se lleva a cabo adaptando el primer patrón de escaneado.
En algunas realizaciones de la invención, la adaptación de la distribución de energía bidimensional del punto efectivo se lleva a cabo adaptando la velocidad con la que el punto primario se mueve a lo largo de al menos una parte del primer patrón de escaneado.
Es decir, la distribución de energía bidimensional puede adaptarse, por ejemplo, adaptando la potencia del haz — por ejemplo, conmutando entre diferentes estados de potencia tales como entre encendido y apagado—, y/o adaptando el patrón de escaneado — por ejemplo, añadiendo o excluyendo segmentos, o modificando la orientación y/o la longitud de segmentos, o cambiando completamente un patrón por otro—, y/o adaptando la velocidad con la que se mueve el haz a lo largo del patrón de escaneado, tal como a lo largo de uno o más segmentos del mismo. La elección entre diferentes medios para la adaptación de la distribución de energía bidimensional puede realizarse basándose en circunstancias tales como la capacidad del equipo para cambiar rápidamente entre estados de potencia del haz, y en la capacidad del escáner para modificar el patrón a seguir y/o la velocidad con la que se mueve el punto primario a lo largo del patrón de escaneado.
En algunas realizaciones de la invención, el enfoque del haz se adapta dinámicamente durante el desplazamiento del punto primario a lo largo del primer patrón de escaneado y/o durante el desplazamiento del punto efectivo en relación con el objeto que se está produciendo. Por ejemplo, puede modificarse dinámicamente el foco del haz de luz a lo largo del eje óptico durante el proceso, por ejemplo, para variar o mantener el tamaño del punto primario mientras se está desplazando a lo largo del primer patrón de escaneado, y/o mientras el punto láser efectivo se está desplazando en relación con el objeto que se está produciendo. Por ejemplo, el enfoque óptico puede adaptarse para mantener constante el tamaño del punto primario mientras el punto primario se está moviendo sobre la superficie del objeto que se está produciendo (por ejemplo, para compensar distancias variables entre el escáner y la posición del punto de luz primaria sobre el objeto que se está produciendo).
En algunas realizaciones de la invención, el tamaño del punto primario se adapta dinámicamente durante el desplazamiento del punto primario a lo largo del primer patrón de escaneado y/o durante el desplazamiento del punto efectivo en relación con el objeto que se está produciendo, para modificar la distribución de energía bidimensional y/o el tamaño del punto efectivo.
En algunas realizaciones de la invención, durante al menos una etapa del método, el punto efectivo comprende una parte de entrada que tiene una densidad de energía mayor que una parte de salida del punto efectivo (esta disposición puede preferirse cuando se desee alcanzar rápidamente una cierta temperatura y proporcionar posteriormente entrada de energía suficiente, por ejemplo, para mantener el material a la temperatura requerida durante una cierta cantidad de tiempo), o el punto efectivo comprende una parte de entrada que tiene una densidad de energía menor que una parte de salida del punto efectivo (esta disposición puede preferirse cuando se desee precalentar primero el material durante algún tiempo, antes de hacer que alcance una cierta temperatura, tal como aquella en la que tiene lugar la fusión del material de construcción). En algunas realizaciones de la invención, el punto efectivo comprende una parte intermedia que tiene una densidad de energía mayor que una parte de entrada y una parte de salida del punto efectivo. En algunas realizaciones de la invención, las características del punto efectivo son una distribución de energía sustancialmente uniforme, con una densidad de energía sustancialmente constante en todo el punto efectivo.
Como se ha indicado anteriormente, la distribución de energía bidimensional puede adaptarse dinámicamente mientras se está llevando a cabo el método, por ejemplo, de modo que sea diferente en relación con diferentes partes del objeto que se está produciendo, y esta adaptación puede llevarse a cabo no solamente al inicio y/o al final de la pista seguida por el punto efectivo, sino también dentro de la pista. Por ejemplo, la distribución de energía bidimensional puede adaptarse dinámicamente de acuerdo con la forma de la parte del objeto que se está formando en cada momento, por ejemplo, como una función del ancho de la parte que hay que formar, teniendo en cuenta orificios o aberturas en el objeto que se está formando, etc.
En algunas realizaciones de la invención, la velocidad media del punto primario a lo largo del primer patrón de escaneado es sustancialmente mayor que la velocidad media con la que se desplaza el punto efectivo en relación con el objeto que se está produciendo. Por ejemplo, la velocidad media del punto primario a lo largo del primer patrón de escaneado puede ser preferentemente al menos diez veces mayor, más preferentemente al menos 100 veces mayor, que la velocidad media con la que se desplaza el punto efectivo en relación con el objeto que se está produciendo. Una alta velocidad del punto primario reduce las fluctuaciones de temperatura dentro del punto efectivo durante un barrido del punto primario a lo largo del primer patrón de escaneado.
En algunas realizaciones de la invención, el haz se escanea de acuerdo con dicho primer patrón de escaneado de modo que dicho primer patrón de escaneado es repetido por el haz con una frecuencia de más de 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 o 300 Hz (es decir, repeticiones del patrón de escaneado por segundo). Una alta tasa de repetición puede ser apropiada para reducir o impedir fluctuaciones de temperatura no deseadas en las áreas que están siendo calentadas por el punto efectivo, entre cada ciclo de escaneado, es decir, entre cada barrido del haz a lo largo del primer patrón de escaneado. En algunas realizaciones de la invención, el primer patrón de escaneado permanece constante, y en otras realizaciones de la invención el primer patrón de escaneado se modifica entre algunos o todos los barridos del haz a lo largo del patrón de escaneado.
En algunas realizaciones de la invención, el tamaño (esto es, el área) del punto efectivo, tal como el tamaño medio del punto efectivo durante el proceso o el tamaño del punto efectivo durante al menos un momento del proceso, tal como el tamaño máximo del punto efectivo durante el proceso, es más de 4, 10, 15, 20 o 25 veces el tamaño del punto primario. Por ejemplo, en algunas realizaciones de la invención puede usarse un punto primario que tenga un tamaño del orden de 3 mm2 para crear un punto efectivo que tenga un tamaño de más de 10 mm2, tal como más de 50 o 100 mm2 El tamaño del punto efectivo puede modificarse dinámicamente durante el proceso, pero puede preferirse frecuentemente un tamaño medio grande para mejorar la productividad, y un tamaño máximo puede ser útil para mejorar la productividad durante al menos parte del proceso, por ejemplo, cuando se producen/funden grandes áreas internas de un objeto que se está produciendo.
En algunas realizaciones de la invención, las etapas a) y b) se llevan a cabo repetidamente en una pluralidad de ciclos, en donde cada ciclo comprende:
- llevar a cabo la etapa a), suministrando el material de construcción como una capa;
- llevar a cabo la etapa b) para fundir el material de construcción en una zona de dicha capa, correspondiendo dicha zona a una sección transversal del objeto que se está produciendo.
De ese modo, usando este planteamiento, el objeto crece loncha a loncha, teniendo cada loncha un grosor que corresponde al grosor de la parte fundida de la capa. Por ejemplo, esta realización puede englobar la implementación de la invención como un proceso de fusión en lecho de polvo, por ejemplo, como un proceso SLS. El material de construcción puede, por ejemplo, colocarse sobre una plataforma, que se desplaza hacia abajo una distancia que corresponde al grosor de la zona fundida, cada vez que se ha llevado a cabo la etapa b). El material de construcción puede estar en forma de polvo y puede distribuirse en una capa que tenga un grosor predeterminado usando, por ejemplo, un rodillo de nivelación de polvo en contrarrotación.
En algunas realizaciones de la invención, las etapas a) y b) se llevan a cabo en paralelo, de modo que el material de construcción es fundido por el punto efectivo cuando se está suministrando, produciendo un crecimiento continuo progresivo del objeto que se está produciendo. Esta opción engloba procesos de deposición por haz. Por ejemplo, el material de construcción puede suministrarse en forma de polvo y ser calentado por el haz para fundirse, formando un charco fundido. El objeto que se está produciendo, o un sustrato sobre el que se ha de producir pueden moverse con relación al haz láser mientras continúa proporcionándose el material de construcción, mediante lo que se forma, enfría y solidifica un rastro de material de construcción fundido.
El método puede llevarse a cabo bajo el control de un ordenador, con datos de entrada que incluyen aquellos que definen la estructura del objeto que hay que producir, por ejemplo, datos de CAD relativos a la estructura del objeto que hay que producir.
En algunas realizaciones de la invención, el primer patrón de escaneado es un patrón de escaneado poligonal que comprende una pluralidad de líneas. Por ejemplo, el primer patrón de escaneado puede ser un polígono tal como un triángulo, un cuadrado o rectángulo, un pentágono, un hexágono, un heptágono, un octágono, etc. El polígono no necesita ser un polígono perfecto, por ejemplo, las líneas que componen el polígono pueden estar en algunas realizaciones más o menos curvadas y los bordes del polígono en donde se unen las líneas pueden estar redondeados, etc.
En algunas realizaciones de la invención, el primer patrón de escaneado comprende una pluralidad de líneas, tal como una pluralidad de líneas rectas o curvas, que en algunas realizaciones de la invención están dispuestas sustancialmente paralelas entre sí. En algunas realizaciones de la invención, hay dos, tres, cuatro o más de estas líneas.
En algunas realizaciones de la invención, el primer patrón de escaneado comprende al menos tres segmentos, y dicho escaneado del haz de energía se lleva a cabo para que dichos haz o punto sigan al menos uno de dichos segmentos más frecuentemente de lo que siguen al menos otro de dichos segmentos. Esta disposición es ventajosa porque mejora la flexibilidad y la forma en la que puede usarse el patrón de escaneado para proporcionar una distribución de energía adecuada y, siempre que se desee, simétrica o sustancialmente simétrica. Por ejemplo, uno de dichos segmentos puede usarse como una trayectoria o puente seguido por el haz cuando se mueve entre dos de los otros segmentos, de modo que la transferencia del punto proyectado por el haz entre diferentes partes (tal como una final y una inicial) del primer patrón de escaneado puede llevarse a cabo usando segmentos (tales como segmentos intermedios) del patrón de escaneado para la transferencia, mediante lo cual la transferencia puede llevarse a cabo frecuentemente sin apagar el haz y sin distorsionar la simetría de la distribución de energía bidimensional, cuando se desea tal simetría.
En algunas realizaciones de la invención, el primer patrón de escaneado comprende al menos tres líneas rectas o curvas sustancialmente paralelas distribuidas una tras otra en una primera dirección, extendiéndose generalmente dichas líneas en una segunda dirección, en donde dichas al menos tres líneas comprenden una primera línea, al menos una línea intermedia y una última línea, dispuestas una tras otra en dicha primera dirección, en donde dicho escaneado del haz se lleva a cabo de modo que dichos haz o punto siguen dicha línea intermedia con mayor frecuencia de la que dicho haz sigue dicha primera línea y/o dicha última línea. Es decir, por ejemplo, el haz puede seguir en promedio dicha línea intermedia dos veces más frecuentemente de lo que sigue dicha primera línea y dicha última línea, por ejemplo, el haz puede trasladarse a lo largo de la línea intermedia cada vez que se mueve desde la primera línea hacia la última línea, y viceversa. Es decir, la línea o líneas intermedias pueden servir como una clase de puente seguido por el punto proyectado cuando se mueve entre la primera y la última línea.
Se ha encontrado que esta disposición es práctica y fácil de implementar, y se ha encontrado que pueden obtenerse frecuentemente distribuciones de energía adecuadas adaptando la velocidad de escaneado y sin adaptar sustancialmente la potencia del haz. Es posible también modificar la potencia del haz durante el escaneado para adecuar la distribución de energía, pero la conmutación rápida de la potencia no es siempre posible o deseable, y tener el haz, tal como un haz láser, a un bajo nivel de potencia o apagado durante partes sustanciales del ciclo de escaneado puede implicar un uso subóptimo de la capacidad del equipo, lo que puede ser una seria desventaja cuando el equipo, tal como un equipo láser, se usa para fabricación aditiva. Por ello, es a menudo deseable operar con el haz enteramente en el estado encendido, para aprovechar totalmente la potencia disponible.
Es deseable a menudo usar tres o más líneas dispuestas en esta forma, es decir, una tras otra en una dirección diferente, por ejemplo perpendicular, de la dirección a lo largo de la que se extienden las líneas, para lograr una extensión sustancial del punto efectivo no solamente en la dirección a lo largo de las líneas, sino también en la otra dirección, para hacer que el punto efectivo sea adecuado para calentamiento de un área suficientemente ancha a una temperatura suficientemente alta y para mantener la temperatura al nivel o niveles deseados durante el tiempo suficiente, mientras que se permite que el punto efectivo se traslade con una velocidad relativamente alta, permitiendo de este modo una productividad alta. Por ello, es frecuentemente una ventaja una extensión sustancial del punto efectivo en dos dimensiones.
En algunas realizaciones de la invención, el primer patrón de escaneado comprende al menos tres líneas o segmentos sustancialmente paralelos, distribuidos uno tras otro en una primera dirección, tal como en la dirección a lo largo de la que se traslada el punto efectivo durante el proceso, extendiéndose dichas líneas en una segunda dirección, tal como en una dirección perpendicular a la primera dirección. En algunas realizaciones de la invención, dichas al menos tres líneas comprenden una primera línea, al menos una línea intermedia y una última línea, dispuestas una tras otra en dicha primera dirección, y el escaneado del haz se lleva a cabo de modo que el punto proyectado se escanea a lo largo de dichas líneas de acuerdo con una secuencia conforme a la cual el punto, después de seguir dicha primera línea, sigue dicha línea intermedia, dicha última línea, dicha línea intermedia y dicha primera línea, en ese orden.
La definición anterior no significa que el escaneado deba iniciarse con la primera línea, sino que solo indica la secuencia de acuerdo con la que el haz rastrea o sigue las líneas anteriormente mencionadas del patrón de escaneado. Además, no excluye que entre medias (tal como antes o después) siguiendo algunas o todas las líneas indicadas anteriormente, el haz pueda seguir otras líneas, tal como líneas que interconectan las líneas primera, última e intermedia, y/o líneas intermedias adicionales.
Es decir, en estas realizaciones, después de moverse a lo largo de la primera línea, el haz siempre sigue dicha línea intermedia dos veces antes de moverse de nuevo a lo largo de la primera línea. Aunque un planteamiento más directo podría haber sido llevar a cabo el escaneado de modo que después de dicha última línea el haz y su punto proyectado volvieran directamente a dicha primera línea, se ha encontrado que la secuencia seguida de acuerdo con estas realizaciones de la invención es adecuada para lograr una distribución de energía simétrica alrededor de un eje de simetría que se extiende en dicha primera dirección.
En algunas realizaciones de la invención, el patrón de escaneado comprende una pluralidad de dichas líneas intermedias. El número de líneas pueden elegirlo el operador o el diseñador del proceso o el diseñador del equipo dependiendo, por ejemplo, del tamaño del punto primario proyectado por el haz y la extensión deseada del punto efectivo, por ejemplo, en la primera dirección. Por ejemplo, un número mínimo de líneas puede ser en algunas realizaciones tres líneas, pero en muchas implementaciones prácticas puede usarse un número mayor de líneas, tal como cuatro, cinco, seis, diez o más líneas, cuando se cuentan la primera, la última y las líneas intermedias. En algunas realizaciones de la invención, el número de líneas se modifica para modificar la distribución de energía, mientras el punto efectivo se traslada a lo largo del área superficial en donde ha de tener lugar la fusión del material de construcción.
En algunas realizaciones de la invención, el punto primario se desplaza con una velocidad mayor a lo largo de dicha al menos una línea intermedia que a lo largo de dichas primera y última líneas. Esto es preferido frecuentemente para lograr una distribución de energía adecuada en dicha primera dirección, al menos durante una parte o una parte sustancial del proceso. La velocidad más alta del haz cuando se mueve a lo largo de las líneas intermedias, o al menos cuando se mueve a lo largo de una o algunas de ellas, compensa el hecho de que el haz se mueve a lo largo de dichas líneas intermedias con el doble de frecuencia a como se mueve a lo largo de la primera y la última línea. Por ejemplo, la velocidad del punto primario a lo largo de las líneas intermedias puede ser en algunas realizaciones de la invención alrededor del doble de la velocidad del punto primario a lo largo de la primera y/o la última línea. La velocidad puede ser diferente para diferentes líneas intermedias. La velocidad para cada línea puede elegirse de acuerdo con la distribución de energía deseada en la primera dirección. En este caso, la velocidad con la que el punto efectivo se desplaza a lo largo de líneas diferentes o segmentos del patrón de escaneado puede modificarse dinámicamente mientras el punto efectivo está trasladándose a lo largo del área en donde ha de tener lugar la fusión del material de construcción, por ejemplo, para adaptar la distribución de energía para optimizar la forma en la que está teniendo lugar el proceso, por ejemplo, para incrementar la calidad del producto.
En algunas realizaciones de la invención, el patrón de escaneado comprende adicionalmente líneas que se extienden en dicha primera dirección, entre los extremos de la primera, la última y las líneas intermedias, por lo que el punto primario sigue dichas líneas que se extienden en dicha primera dirección cuando se mueve entre dicha primera línea, dichas líneas intermedias y dicha última línea. En algunas realizaciones de la invención, el punto primario se desplaza con una velocidad mayor a lo largo de dichas líneas que se extienden en la primera dirección, que a lo largo de dicha primera línea y dicha última línea, al menos durante parte del proceso.
En algunas realizaciones de la invención, el haz se desplaza a lo largo de dicho primer patrón de escaneado sin encender y apagar el haz y/o mientras mantiene la potencia del haz sustancialmente constante. Esto hace posible llevar a cabo el escaneado a una alta velocidad sin tener en cuenta la capacidad del equipo, tal como un equipo láser, para conmutar entre diferentes niveles de potencia, tal como entre encendido y apagado, y hace posible usar un equipo que pueda no permitir una conmutación muy rápida entre niveles de potencia. También, proporciona un uso eficiente de la potencia de salida disponible, es decir, de la capacidad del equipo en términos de potencia.
Es conocido en la técnica el uso de haces de electrones para fabricación aditiva. La presente invención usa un haz de luz, tal como un haz láser, en lugar de un haz de electrones. Se prefiere un haz de luz tal como un haz láser, debido a cuestiones tales como coste, fiabilidad y disponibilidad. Hay disponibles sistemas de escaneado apropiados, por ejemplo, basados en medios reflectores electrónicamente controlados tales como espejos. En algunas realizaciones de la invención, la potencia del haz láser es mayor de 1 kW, tal como mayor de 3 kW, mayor de 4 kW, mayor de 5 kW o mayor de 6 kW, al menos durante parte del proceso. Tradicionalmente, cuando un punto láser primario se escanea en trama para llenar la zona del material de construcción que hay que fundir, se han usado frecuentemente láseres que tienen potencias del orden de 400 W. Con el presente planteamiento, basado en la creación de un punto láser efectivo mayor, pueden usarse mayores potencias, por lo que puede mejorarse la productividad.
En algunas realizaciones de la invención, el primer patrón de escaneado puede implementarse en línea con las enseñanzas del documento WO-2014/037281-A2, por ejemplo, en línea con las enseñanzas en relación con las figuras 9-11 del mismo.
Otro aspecto de la invención se refiere a un sistema 1 de acuerdo con la reivindicación 24 para la producción de un objeto mediante fabricación aditiva, comprendiendo el sistema
medios para suministrar material de construcción, y
medios para producir un haz de luz, tal como un haz láser, para fundir selectivamente el material de construcción para producir progresivamente el objeto a partir del material de construcción fundido. El sistema comprende un escáner para el escaneado del haz de luz en al menos dos dimensiones. El sistema está programado para llevar a cabo el método descrito anteriormente.
Por ejemplo, el sistema puede comprender una mesa de trabajo sobre la que ha de construirse un objeto/producto tridimensional, un dispensador de polvo dispuesto para depositar una delgada capa de polvo sobre la mesa de trabajo para la formación del lecho de polvo, un dispositivo que produce un haz para emitir energía al polvo mediante lo que tiene lugar la fusión del polvo, medios para controlar el haz a través del lecho de polvo para la formación de una sección transversal del producto tridimensional mediante la fusión de partes de dicho lecho de polvo, y un ordenador en el que se almacena información acerca de las secciones transversales sucesivas del producto tridimensional, secciones transversales que construyen el producto tridimensional. El ordenador controla los medios para guiar el haz a través del lecho de polvo para formar la sección transversal del objeto tridimensional, y el objeto se forma mediante la fusión sucesiva de secciones transversales sucesivamente formadas a partir de capas de polvo sucesivamente depositadas por el dispensador de polvo.
En algunas realizaciones de la invención, los medios para suministrar material de construcción comprenden un cabezal de rociado de polvo que comprende un bastidor que define una abertura, estando dispuesto el escáner en correspondencia con dicho bastidor para escanear el haz en dos dimensiones a través de dicha abertura, estando dispuesto el cabezal de rociado de polvo para distribuir el material de construcción en forma de polvo en correspondencia con dicha abertura de modo que el haz pueda fundir selectivamente el material de construcción a medida que está siendo distribuido. Esta disposición es práctica y permite una deposición y una fusión controladas del material de construcción. Pueden incorporarse medios de succión para eliminar el polvo que no se ha fundido.
Breve descripción de los dibujos
Para completar la descripción y a fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripción e ilustran realizaciones de la invención, que no deberían interpretarse como restrictivas del alcance de la invención, sino solamente como ejemplos de cómo puede llevarse a cabo la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:
La figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de un sistema de acuerdo con una realización posible de la invención, adaptada para fusión en lecho de polvo.
La figura 2 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una distribución de energía bidimensional.
La figura 3A es una vista en perspectiva esquemática de una parte de un sistema de acuerdo con otra realización posible de la invención.
La figura 3B es una vista superior del cabezal de rociado de polvo del sistema de acuerdo con la realización de la figura 3A.
Las figuras 4A-4C ilustran esquemáticamente tres cabezales de rociado de polvo diferentes de acuerdo con tres realizaciones diferentes de la invención.
Las figuras 4D y 4E ilustran cómo el cabezal de rociado de polvo puede asociarse al escáner permitiendo que las dos partes se desplacen conjuntamente en relación con un objeto que se está produciendo.
La figura 5 ilustra esquemáticamente un punto efectivo creada por un patrón de escaneado que comprende una pluralidad de líneas paralelas.
Las figuras 6A y 6B ilustran un patrón de escaneado posible que comprende una pluralidad de líneas paralelas. Las figuras 7A y 7B ilustran un patrón de escaneado para crear un punto efectivo de acuerdo con una realización de la invención.
Las figuras 8A y 8B ilustran un patrón de escaneado para crear un punto efectivo de acuerdo con otra realización de la invención.
Las figuras 9A-9C ilustran patrones de escaneado de acuerdo con otras realizaciones de la invención.
La figura 10 ilustra esquemáticamente un punto efectivo de acuerdo con una realización posible de la invención. Las figuras 11A-11D ilustran esquemáticamente diferentes distribuciones de energía bidimensionales de un punto efectivo de acuerdo con una realización de la invención.
Las figuras 12A-12G ilustran esquemáticamente cómo la distribución de energía bidimensional de un punto efectivo se adapta dinámicamente durante un barrido del punto efectivo lo largo de una pista, de acuerdo con una realización de la invención.
Descripción de formas de llevar a cabo la invención
La figura 1 ilustra esquemáticamente un sistema SLS de acuerdo con una realización posible la invención, para producir un objeto a partir de un material de construcción que se suministra en forma de polvo, tal como un polvo metálico. El sistema comprende un equipo láser 1 para producir un haz láser 2, y un escáner 3 que incluye dos espejos o similares para un escaneado bidimensional del haz láser 2 en el plano horizontal (X-Y). El equipo para producir un haz láser puede ser en algunas realizaciones de la invención un equipo adecuado para producir haces láser que tengan una capacidad de potencia relativamente alta, tal como 1 kW o más. Un ejemplo de un dispositivo adecuado es el Ytterbium Laser System modelo YLS-6000-CT-Y13, de IPG Photonics, con una potencia nominal de 6 kW.
El sistema comprende además una disposición para la distribución del material de construcción, que comprende una disposición similar a una mesa con una superficie superior 101 con dos aberturas 102 a través de las que se alimenta el material de construcción desde dos cartuchos de alimentación 103. En el centro de la superficie superior 101 hay una abertura adicional, dispuesta en correspondencia con una plataforma 104 que puede desplazarse en la dirección vertical, es decir, en paralelo con un eje Z del sistema. El polvo se suministra desde los cartuchos 103 y se deposita sobre la parte superior de la plataforma 104. Se usa un rodillo 105 de nivelación de polvo en contrarrotación para distribuir el polvo en una capa 106 que tenga un grosor homogéneo.
El haz láser se proyecta sobre la capa 106 del material de construcción en la parte superior de la plataforma 104 para fundir el material de construcción en una zona o área 11 seleccionada, que corresponde a una sección transversal del objeto que se está produciendo. Una vez se ha fundido el material de construcción en esta área 11, se baja la plataforma una distancia que corresponde al grosor de cada capa de material de construcción, se aplica una nueva capa 106 de material de construcción usando el rodillo 105 y se repite el proceso, esta vez de acuerdo con la sección transversal del objeto que debe producirse en correspondencia con la nueva capa.
Tradicionalmente, la fusión se llevaba a cabo escaneando haz láser sobre el área 11 que hay que fundir, por ejemplo, haciendo que el punto láser proyectado siguiera una pluralidad de líneas paralelas extendidas a través del área que hay que fundir, hasta que toda el área seleccionada se hubiera fundido. De acuerdo con la presente realización de la invención, el haz láser (y el punto láser primario que proyecta el haz sobre el material de construcción) se escanea de manera repetitiva a una velocidad relativamente alta siguiendo un primer patrón de escaneado (ilustrado como un conjunto de líneas que se extienden en paralelo con el eje Y en la figura 1), creando de ese modo un punto láser efectivo 21, ilustrado como un cuadrado en la figura 1. Esto se logra usando el escáner 3. Este punto láser efectivo 21 se desplaza de acuerdo con un segundo patrón de escaneado, por ejemplo, en paralelo con una pluralidad de líneas paralelas. En la figura 1, una flecha indica cómo el punto láser efectivo 21, por ejemplo, puede desplazarse en paralelo con el eje X del sistema. La figura 1 ilustra cómo una parte 11A del área 11 que hay que fundir se ha fundido durante un barrido anterior del punto láser efectivo 21 en paralelo con el eje X, mientras que otra parte 11B está aún esperando a ser fundida. Después de que se haya fundido, se bajará la plataforma 104 y se aplicará una nueva capa de material de construcción en forma de polvo.
El desplazamiento del punto láser efectivo 21 de acuerdo con el segundo patrón de escaneado puede lograrse de la misma forma mediante el escáner 3, y/o debido al desplazamiento del escáner o del equipo asociado, por ejemplo, a lo largo de pistas (no mostradas en la figura 1), tal como pistas que se extienden en paralelo con el eje X y/o el eje Y.
En muchas variantes de esta realización, se proporcionan medios de precalentamiento tales como fuentes de luz IR u otros dispositivos de calentamiento para precalentar la capa de polvo, por ejemplo, a una temperatura próxima al punto de fusión y/o la temperatura de transición vítrea del material de construcción, reduciendo de ese modo la potencia que ha de aplicar el haz láser para lograr la fusión del material de construcción. En otras variantes de la realización, o además de los medios de precalentamiento, puede llevarse a cabo el precalentamiento mediante una parte de entrada del punto láser efectivo 21.
En algunas realizaciones de la invención, el sistema puede incluir medios 5 para adaptar dinámicamente el tamaño del punto primario (por ejemplo, para modificar la distribución de energía bidimensional y/o el tamaño del punto láser efectivo 21) y/o el foco del haz láser a lo largo del eje óptico. Esto hace posible controlar (tal como variar o mantener) el tamaño del punto láser primario mientras se está desplazando lo largo del primer patrón de escaneado, y/o mientras el punto láser efectivo 21 se está desplazando en relación con el objeto que se está produciendo. Por ejemplo, el enfoque óptico puede adaptarse para mantener constante el tamaño del punto primario mientras el punto primario se está moviendo sobre la superficie del objeto que se está produciendo (por ejemplo, para compensar distancias variables entre el escáner y la posición del punto láser primario sobre el objeto que se está produciendo). Por ejemplo, medios para adaptar dinámicamente el enfoque del haz láser pueden comprender en algunas realizaciones de la invención una unidad de enfoque varioSCAN®, que puede obtenerse en SCANLAB AG (www.scanlab.de).
La figura 2 ilustra esquemáticamente cómo un punto láser efectivo 21 presenta una distribución de energía bidimensional en donde se aplica más energía en algunas partes del punto láser efectivo que en otras durante un barrido del punto láser primario por el primer patrón de escaneado. En este caso, la flecha indica cómo está trasladándose el punto láser efectivo a lo largo de una capa de polvo de metal, por lo que la capa presenta una parte 11A fundida y una parte 11B que aún no se ha fundido. En este caso, se aplica más energía en correspondencia con la parte de entrada que en correspondencia con la parte de salida del punto láser efectivo 21.
Las figuras 3A y 3B ilustran parte del sistema de acuerdo con una realización alternativa de la invención, en la que el material de construcción es alimentado en paralelo al calentamiento del mismo usando el haz láser y el escáner 3. Como se ha ilustrado en la figura 3A, el sistema comprende un aparato que incluye un cabezal de procesamiento 200 que comprende un cabezal de suministro de polvo 201 integrado con el escáner 3, comprendiendo el cabezal de suministro de polvo 201 un bastidor 202 sustancialmente rectangular en el que hay dispuesta una pluralidad de boquillas 203, recibiendo las boquillas el material de construcción, normalmente en forma de polvo, a través de canales 205 mostrados en la figura 3B. De ese modo, el material de construcción en forma de polvo 204 es expulsado a través de las boquillas 203, formando una película o una capa de polvo relativamente delgadas, en correspondencia con una abertura definida por el bastidor 202. El escáner 3 proyecta el haz láser 2 a través de esta abertura y escanea el haz láser para producir el punto láser efectivo 21, como se ha explicado anteriormente y cómo se muestra esquemáticamente en las figuras 3A y 3B. En algunas realizaciones de la invención, el cabezal de suministro de polvo 201 y el escáner 3 están dispuestos para moverse juntos, por ejemplo, formando parte de un mismo dispositivo, que puede desplazarse en relación con el objeto que se está produciendo, de modo que el material es así selectivamente aplicado y fundido sobre este objeto, en correspondencia con las áreas en las que el objeto está creciendo a medida que se está produciendo. En las figuras 3A y 3B, el patrón de escaneado se ilustra esquemáticamente como un patrón en forma de un “8 digital”, esto es, con tres líneas paralelas interconectadas por dos líneas en los extremos de las tres líneas paralelas.
Las figuras 4A, 4B y 4C ilustran algunas opciones de diseño diferentes para el cabezal de suministro de polvo, que corresponden a tres realizaciones diferentes de la invención. La figura 4A ilustra el cabezal de suministro de polvo de acuerdo con las realizaciones de las figuras 3A y 3B. Las figuras 4B y 4C ilustran algunos diseños alternativos. En todos estos casos, hay un bastidor 202 que define una abertura o un canal a través de los cuales puede proyectarse el haz láser sobre el polvo que se expulsa a través de las boquillas 203. Básicamente, este planteamiento está en línea con algunas de las denominadas boquillas láser y de polvo coaxiales que son conocidas en la técnica, pero siendo la abertura central suficientemente grande como para permitir el escaneado del haz láser 2 en dos dimensiones, a lo largo del primer patrón de escaneado. En algunas realizaciones de la invención, el cabezal de procesamiento que incluye el cabezal de suministro de polvo 201 con el bastidor 202 y las boquillas 203, así como el escáner 3, pueden desplazarse para desplazar el punto láser efectivo en relación con el objeto que se está produciendo. Es decir, en estas realizaciones de la invención, el escáner puede usarse para crear el punto láser efectivo con su distribución de energía bidimensional, mientras que el desplazamiento del cabezal de procesamiento 200 con el cabezal de suministro de polvo 201 y el escáner 3 proporciona el desplazamiento del punto láser efectivo y el charco. En otras realizaciones de la invención, el cabezal de procesamiento 200 puede ser fijo y el objeto que se está produciendo puede desplazarse en relación con el cabezal de procesamiento.
Los cabezales de suministro de polvo 201 de las figuras 4A, 4B y 4C pueden incluir todos ellos una pluralidad de boquillas, dispuestas para proporcionar una corriente sustancialmente bidimensional de material de construcción, es decir, una corriente que sea relativamente delgada comparada con su extensión en las otras dos direcciones. En lugar de una pluralidad de boquillas, puede usarse una boquilla más ancha. En algunas realizaciones de la invención, los medios para rociado del polvo pueden implementarse basándose en las enseñanzas de los documentos US-2011/0168090-A1 y US-2011/0168092-A1.
El cabezal de suministro de polvo puede incorporar también medios de succión 206 para la recuperación del polvo que no ha sido fundido por el haz láser, como se ilustra esquemáticamente en la figura 4B.
Las figuras 4D y 4E ilustran esquemáticamente cómo el cabezal de procesamiento 200, de acuerdo con una realización posible de la invención, puede incluir un escáner 3 colocado adyacente al cabezal de suministro de polvo 201, en este caso, por encima de él para proyectar el haz láser hacia abajo, a través de la abertura del bastidor, sobre el objeto 4 que se está produciendo. El material de construcción está siendo selectivamente fundido por el haz láser mientras está siendo alimentado a través de las boquillas. El cabezal de procesamiento 200 se conecta a actuadores 300 a través de varillajes 301. En esta realización de la invención, el desplazamiento se basa en el concepto de manipulador paralelo. Sin embargo, pueden usarse cualesquiera otros medios de desplazamiento del cabezal de procesamiento. En algunas realizaciones de la invención, es el objeto que se está produciendo el que se desplaza en relación con el cabezal de procesamiento. También puede usarse una combinación de estos dos planteamientos.
Se ha descubierto que a menudo puede ser práctico proporcionar un patrón de escaneado que comprenda más de dos líneas dispuestas una tras otra en la dirección de traslado del punto láser efectivo (es decir, la dirección del movimiento relativo entre el punto láser efectivo y el objeto que se está construyendo), tal como se ilustra esquemáticamente en la figura 5, en donde se crea el punto láser efectivo 21 mediante una pluralidad de líneas paralelas, que se extienden en una dirección perpendicular a la dirección en la que se está desplazando el punto láser efectivo en relación con el objeto que se está construyendo (esta dirección se indica con una flecha en la figura 5). Las líneas pueden tener la misma o diferentes longitudes y el espacio entre líneas posteriores es uno de los parámetros que puede usarse para controlar la distribución de energía bidimensional.
Un patrón de escaneado de este tipo puede crearse escaneando de manera repetitiva el punto láser primario en la dirección perpendicular a la dirección en la que el punto láser efectivo está trasladándose, desplazando el haz láser una pequeña distancia entre cada etapa de escaneado, de modo que trace dos, tres o más líneas paralelas. Una vez el punto láser primario ha completado el patrón de escaneado, volverá a su posición original y llevará a cabo el patrón de escaneado una vez más. La frecuencia con la que esto ocurre es preferentemente alta para evitar fluctuaciones de temperatura indeseadas dentro del punto láser efectivo 21.
El haz láser puede apagarse mientras está siendo desplazado hacia una nueva línea que hay que seguir y/o entre la finalización de la última línea del patrón de escaneado y la vuelta a la primera línea del patrón de escaneado. Sin embargo, el encendido y el apagado de los haces láser requiere tiempo y puede ralentizar la frecuencia de escaneado. Además, el tiempo durante el que el haz láser está apagado es tiempo que se pierde en términos de uso eficiente del láser para calentamiento y fusión.
Las figuras 6A y 6B ilustran un patrón de escaneado posible que comprende tres líneas principales a-c (ilustradas como líneas continuas) del patrón de escaneado y un rayado que ilustra la trayectoria que sigue el punto láser entre dichas líneas. En la figura 6B, las flechas ilustran esquemáticamente la forma en la que se traslada el punto láser primario sobre la superficie.
En este caso, este patrón de escaneado implica el problema de que la distribución de calor no será simétrica. Lo mismo es aplicable si al final del patrón, cuando acaba la última línea c (es decir, desde la cabeza de la flecha de la línea c en la figura 6B), el haz láser vuelve verticalmente a la línea a.
Puede obtenerse una distribución de energía más simétrica con relación al eje paralelo a la dirección en la que se está desplazando el punto láser efectivo con un patrón de escaneado como en las figuras 7A y 7B, comprendiendo de la misma forma tres líneas paralelas a-c interconectadas por las líneas d seguidas por el punto láser primario cuando se mueve entre las tres líneas paralelas. Como se ha ilustrado en la figura 7B, el haz láser, desde el inicio de la primera línea a, se traslada como sigue: a - d1 - b - d2 - c - d3 - b - d4.
Es decir, el punto láser primario se traslada a lo largo de la línea intermedia b dos veces más frecuentemente a como se traslada a través de la primera línea y la última línea: se traslada a lo largo de la línea intermedia b dos veces por cada vez que se traslada a lo largo de la primera línea a y la última línea c. De ese modo, puede obtenerse un patrón de escaneado completamente simétrico, en relación con el eje paralelo a la dirección en la que se traslada el punto láser efectivo.
La distribución de energía a lo largo de este eje puede fijarse ajustando, por ejemplo, la distancia entre las líneas a-c y la velocidad con la que el haz láser se traslada a lo largo de las líneas. Ajustando la velocidad y/o el patrón de escaneado, puede adaptarse dinámicamente la distribución de energía sin encender y apagar el haz láser o sin modificar sustancialmente la potencia del haz láser. Por ejemplo, si la energía se ha de distribuir sustancialmente igualada a través del punto láser efectivo, el haz láser puede trasladarse con una velocidad mayor a lo largo de la línea intermedia b que a lo largo de la primera línea a y la última línea c. Por ejemplo, la velocidad del punto láser primario a lo largo de la línea b puede ser el doble de la velocidad del punto láser primario a lo largo de las líneas a y c. En algunas realizaciones de la invención, la velocidad del punto láser efectivo a lo largo de las líneas d1-d4 puede ser también sustancialmente mayor que la velocidad del punto láser efectivo a lo largo de las líneas a y c.
Así, la acomodación de la distribución de energía puede lograrse adaptando la distribución de las líneas, tal como las líneas primera, última e intermedia a-c, y adaptando la velocidad del punto láser a lo largo de los diferentes elementos a-d (incluyendo d1-d4) del patrón de escaneado. La distribución de los segmentos y la velocidad de los segmentos pueden modificarse dinámicamente mientras se está desplazando el punto láser efectivo en relación con el objeto que se está produciendo, para adaptar la distribución de energía bidimensional. Además, el patrón de escaneado puede adaptarse añadiendo o eliminando segmentos durante el traslado del punto láser efectivo.
El mismo principio puede aplicarse a otros patrones de escaneado, tales como el patrón de escaneado de las figuras 8A y 8B, que incluye una línea intermedia b adicional. En este caso, la trayectoria seguida por el punto láser primario es: a - d i - b - d2 - b - d3 - c - d4 - b - d5 - b - d6.
Las figuras 9A-9C ilustran algunos patrones de escaneado alternativos. Por ejemplo, el primer patrón de escaneado puede ser un polígono tal como el triángulo de la figura 9A, el rectángulo de la figura 9B y el octágono de la figura 9C.
La figura 10 ilustra esquemáticamente un punto efectivo 21 de acuerdo con una realización posible de la invención. El punto efectivo tiene una configuración sustancialmente rectangular, con una altura y un ancho. La flecha en la parte superior de la figura ilustra la dirección en la que se está desplazando el punto efectivo 21.
El punto efectivo 21 se obtiene mediante el escaneado del punto primario 2A proyectado por el haz, siguiendo un patrón de escaneado que comprende cinco líneas paralelas, indicadas por las filas de flechas dentro del punto efectivo 21. En esta realización, una parte de entrada 21A del punto efectivo proporciona un cierto precalentamiento del material de construcción, y se proporciona una parte de salida 21C para ralentizar el proceso de enfriamiento. La fusión real del material tiene lugar en la parte central 21B del punto efectivo 21, es decir, entre la parte de entrada 21A y la parte de salida 21C. Esta parte central 21B corresponde al charco. Es decir, como se ha explicado anteriormente, al contrario de lo que sucedía generalmente en sistemas de la técnica anterior, en esta realización el charco tiene una configuración tridimensional con un tamaño sustancialmente mayor que el del punto primario, y el charco no se traslada con el punto primario 2A a lo largo del primer patrón de escaneado, sino que lo hace con el punto efectivo 21. El tamaño y/o la forma del punto efectivo 21 y/o del charco 21B pueden adaptarse dinámicamente durante el desplazamiento del punto efectivo a lo largo de la pista seguida por el punto efectivo 21, por ejemplo, teniendo en cuenta la configuración del objeto que hay que producir en la zona en donde está teniendo lugar el calentamiento.
Las figuras 11A-11D ilustran esquemáticamente diferentes distribuciones de energía bidimensionales en un punto efectivo de acuerdo con una realización de la invención. Por ejemplo la figura 11A ilustra un punto efectivo que presenta tres bandas que se extienden a través del punto efectivo en la dirección perpendicular a la dirección de traslado del punto efectivo. Estas tres bandas representan áreas de alta densidad de energía. La primera banda puede estar destinada a proporcionar precalentamiento del material que hay que fundir, la segunda banda puede estar destinada a proporcionar la fusión real y la tercera banda puede estar destinada al postratamiento del material fundido, por ejemplo, para aliviar tensiones. Otras distribuciones de energía se muestran esquemáticamente en las figuras 11B-11D. La distribución de energía bidimensional puede adaptarse dinámicamente, por ejemplo, añadiendo o eliminando bandas con alta densidad de energía, etc. Por ejemplo, la figura 11F ilustra una distribución de energía bidimensional con densidad de energía mejorada hacia los laterales del punto efectivo. Esto puede preferirse frecuentemente para proporcionar una temperatura sustancialmente constante a lo largo de la pista, a pesar del hecho de que, por ejemplo, la disipación de calor hacia fuera de la pista puede ser mayor en los bordes de la pista.
Puede usarse realimentación, tal como realimentación basada en la formación de imágenes térmica, para activar la adaptación dinámica de la distribución de energía bidimensional, por ejemplo, para lograr y mantener una distribución de temperatura deseada en el área que está siendo tratada.
Las figuras 12A-12G ilustran un ejemplo de cómo puede adaptarse la distribución de energía bidimensional de un punto efectivo 21 mientras el punto efectivo está siendo desplazado a lo largo de una pista (en una dirección esquemáticamente ilustrada con la flecha en la figura 12A), a través de una capa 106 de material de construcción. La figura 12A ilustra cómo se aplica el punto efectivo 21 primero al material de construcción 106 y comienza a calentar el material de construcción, y en la figura 12B la distribución de energía bidimensional se ha modificado de modo que el punto efectivo ha aumentado en longitud a lo largo de la pista (en la dirección de la flecha en la figura 12A), presentando una parte de entrada con alta densidad de energía para proporcionar un rápido incremento de la temperatura del material de construcción cuando la parte de entrada alcanza el material de construcción.
En la figura 12C, el punto efectivo 21 se ha movido a lo largo de la pista también con su borde de entrada, y puede observarse una parte 11A fundida del material de construcción por detrás del punto efectivo 21.
En la figura 12D, el punto efectivo ha alcanzado una sección del objeto que se está produciendo en la que la parte del objeto comienza a disminuir su ancho, es decir, una parte en donde la pista que hay que fundir se vuelve progresivamente más estrecha. En este caso, la distribución de energía bidimensional está adaptada dinámicamente para adaptarse a sí misma a las dimensiones de la parte del objeto que se está produciendo en cada momento. Como se muestra en las figuras 12D y 12E, la distribución de energía bidimensional se adapta de modo que el punto efectivo se vuelve progresivamente más estrecho y, además, también los bordes del punto efectivo presentan una delimitación correspondiente a la forma de la parte que se está fundiendo. Es decir, en este caso, la proyección del punto efectivo sobre el material en construcción tiene sustancialmente forma de cuña.
En la figura 12E, el punto efectivo 21 ha alcanzado una posición en donde el objeto que se está construyendo tiene una parte de ancho constante. En este caso, la distribución de energía bidimensional se adapta en consecuencia. En este caso, la proyección del punto efectivo sobre el material de construcción 106 se vuelve sustancialmente rectangular. En la figura 12G, el punto efectivo puede verse moviéndose adicionalmente a lo largo de la pista. Por ello, puede verse que la forma del material fundido 11A corresponde a la forma en la que la distribución de energía bidimensional del punto efectivo se ha adaptado dinámicamente cuando el punto efectivo 21 se ha movido a lo largo de la pista. Sin embargo, la presente invención obviamente no está limitada a esta clase de adaptaciones dinámicas del punto efectivo y su distribución de energía bidimensional.
En ese texto, el término “comprender” y sus derivaciones (tales como “comprendiendo”, etc.) no debería entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deberían interpretarse que excluyen la posibilidad de que lo que se describe y define pueda incluir elementos, etapas, etc. adicionales.
Por otro lado, la invención no está obviamente limitada a la(s) realización(es) específica(s) descrita(s) en el presente documento, sino que también engloba cualesquiera variaciones que pueda considerar cualquier experto en la materia (por ejemplo, en relación con la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención tal como se define en las reivindicaciones.

Claims (25)

REIVINDICACIONES
1. Un método para la producción de un objeto por fabricación aditiva, comprendiendo el método las etapas de: a) suministrar material de construcción; y
b) fundir el material de construcción usando un haz de luz (2);
en el que las etapas a) y b) se llevan a cabo de modo que produzcan progresivamente el objeto a partir del material de construcción fundido;
en el que en la etapa b), el haz (2) se proyecta sobre el material de construcción para crear un punto primario (2A) sobre el material de construcción, siendo escaneado el haz de manera repetitiva en dos dimensiones de acuerdo con un primer patrón de escaneado para crear un punto efectivo (21) sobre el material de construcción, teniendo dicho punto efectivo una distribución de energía bidimensional,
y en el que dicho punto efectivo (21) se desplaza en relación con el objeto que se está produciendo para producir progresivamente el objeto fundiendo el material de construcción;
y en el que la distribución de energía bidimensional del punto efectivo (21) se adapta dinámicamente durante el desplazamiento del punto efectivo (21) en relación con el objeto que se está produciendo.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la distribución de energía bidimensional del punto efectivo (21) se adapta dinámicamente durante el desplazamiento del punto efectivo (21) a lo largo de una pista, para adaptar el ancho del punto efectivo (21) a una dimensión correspondiente de una parte del objeto que se está produciendo.
3. El método de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que la adaptación de la distribución de energía bidimensional del punto efectivo (21) se lleva a cabo adaptando la potencia del haz (2), tal como encendiendo y apagando selectivamente el haz.
4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la adaptación de la distribución de energía bidimensional del punto efectivo (21) se lleva a cabo adaptando el primer patrón de escaneado.
5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que la adaptación de la distribución de energía bidimensional del punto efectivo (21) se lleva a cabo adaptando la velocidad con la que el punto primario (2A) se mueva a lo largo de al menos una parte del primer patrón de escaneado.
6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el foco del haz y/o el tamaño del punto primario se adaptan dinámicamente durante el desplazamiento del punto primario (2A) a lo largo del primer patrón de escaneado y/o durante el desplazamiento del punto efectivo (21) en relación con el objeto que se está produciendo.
7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, durante al menos una etapa del método,
el punto efectivo (21) comprende una parte de entrada que tiene una densidad de energía mayor que una parte de salida del punto efectivo,
o
el punto efectivo (21) comprende una parte de entrada que tiene una densidad de energía más baja que una parte de salida del punto efectivo,
o
el punto efectivo (21) comprende una parte intermedia (21B) que tiene una densidad de energía mayor que una parte de entrada (21A) y una parte de salida (21C) del punto efectivo,
o
el punto efectivo presenta una densidad de energía sustancialmente constante por la totalidad del punto efectivo.
8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad media del punto primario (2A) a lo largo del primer patrón de escaneado es sustancialmente más alta que la velocidad media con la que se desplaza el punto efectivo (21) en relación con el objeto que se está produciendo.
9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el haz se escanea de acuerdo con dicho primer patrón de escaneado de modo que dicho primer patrón de escaneado es repetido por el haz con una frecuencia de más de 10 Hz, preferentemente de más de 25 Hz, más preferentemente de más de 100 Hz.
10. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el tamaño del punto efectivo (21) es más de 4 veces el tamaño del punto primario, preferentemente más de 10 veces el tamaño del punto primario, más preferentemente al menos 25 veces el tamaño del punto primario.
11. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las etapas a) y b) se llevan a cabo repetidamente en una pluralidad de ciclos, en donde cada ciclo comprende:
- llevar a cabo la etapa a), suministrando el material de construcción como una capa (106);
- llevar a cabo la etapa b) para fundir el material de construcción en una zona (11) de dicha capa, correspondiendo dicha zona a una sección transversal del objeto que se está produciendo.
12. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que las etapas a) y b) se llevan a cabo en paralelo, de modo que el punto efectivo funde el material de construcción a medida que se está suministrando, proporcionando un crecimiento continuo y progresivo del objeto que se está produciendo.
13. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer patrón de escaneado comprende una pluralidad de líneas.
14. El método de acuerdo con la reivindicación 13, en el que dichas líneas son líneas sustancialmente paralelas.
15. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en el que el primer patrón de escaneado es un polígono.
16. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en el que dicho primer patrón de escaneado comprende al menos tres segmentos (a, b, c), y en el que dicho escaneado del haz (2) se lleva a cabo de modo que dicho haz siga al menos uno de dichos segmentos (b) con mayor frecuencia con la que sigue al menos otro de dichos segmentos (a, c).
17. El método de acuerdo con la reivindicación 16, en el que el primer patrón de escaneado comprende al menos tres líneas (a, b, c) sustancialmente paralelas distribuidas una tras otra en una primera dirección, extendiéndose dichas líneas en una segunda dirección,
en el que dichas al menos tres líneas comprenden una primera línea (a), al menos una línea intermedia (b) y una última línea (c) dispuestas una tras otra en dicha primera dirección,
en el que dicho escaneado del haz (2) se lleva a cabo de modo que dicho haz siga dicha línea intermedia (b) más frecuentemente de como dicho haz sigue dicha primera línea (a) y/o dicha última línea (c).
18. El método de acuerdo con la reivindicación 16, en el que el primer patrón de escaneado comprende al menos tres líneas (a, b, c) sustancialmente paralelas distribuidas una tras otra en una primera dirección, extendiéndose dichas líneas en una segunda dirección,
en el que dichas al menos tres líneas comprenden una primera línea (a), al menos una línea intermedia (b) y una última línea (c) dispuestas una tras otra en dicha primera dirección,
y en el que el escaneado del haz (2) se lleva a cabo de modo que el haz se escanea a lo largo de dichas líneas de acuerdo con una secuencia conforme a la cual el haz, después de seguir dicha primera línea (a), sigue dicha línea intermedia (b), dicha última línea (c), dicha línea intermedia (b) y dicha primera línea (a), en ese orden.
19. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 y 18,
en el que dicho primer patrón de escaneado comprende una pluralidad de dichas líneas intermedias (b), y/o el haz (2) se desplaza a lo largo de dicha al menos una línea intermedia (b) con una velocidad más alta que a lo largo de dichas primera línea (a) y última línea (c),
y/o
en el que el primer patrón de escaneado comprende además líneas (d1-d6) que se extienden en dicha primera dirección, entre los extremos de las líneas primera, última e intermedia, por lo que dicho haz (2) sigue dichas líneas (d1-d6) que se extienden en dicha primera dirección cuando se mueve entre dicha primera línea (a), dichas líneas intermedias (b) y dicha última línea (c), en donde, opcionalmente, el haz se desplaza a lo largo de dichas líneas (d1-d6), que se extienden en la primera dirección, con una velocidad más alta que a lo largo de dicha primera línea (a) y dicha última línea (c).
20. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16-19, en el que el haz se desplaza a lo largo de dicho primer patrón de escaneado mientras mantiene la potencia del haz sustancialmente constante.
21. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el haz crea un charco fundido en correspondencia con el punto efectivo (21), siendo desplazado el charco fundido de acuerdo con el desplazamiento del punto efectivo (21) en relación con el objeto que se está produciendo.
22. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el haz de luz (2) es un haz láser.
23. El método de acuerdo con la reivindicación 22, en el que la potencia del haz láser es mayor de 1 kW, tal como mayor de 5 kW.
24. Un sistema para producir un objeto mediante fabricación aditiva, comprendiendo el sistema
medios para suministrar material de construcción, y
medios para producir un haz de luz (2) para fundir selectivamente el material de construcción con el fin de producir progresivamente el objeto a partir del material de construcción fundido;
en donde el sistema comprende un escáner (3) para el escaneado del haz de energía en al menos dos dimensiones;
en donde el sistema está programado para llevar a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-23.
25. El sistema de acuerdo con la reivindicación 24, en el que los medios para suministrar material de construcción comprenden un cabezal de rociado de polvo (201) que comprende un bastidor (202) que define una abertura, estando dispuesto el escáner (3) en correspondencia con dicho bastidor (202) para escanear el haz (2) en dos dimensiones a través de dicha abertura, estando dispuesto el cabezal de rociado de polvo (201) para distribuir el material de construcción en forma de polvo en correspondencia con dicha abertura de modo que el haz (2) pueda fundir selectivamente el material de construcción a medida que se está distribuyendo.
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