ES2954760T3 - Procedimiento para el tratamiento posterior de una pieza de trabajo producida mediante fabricación generativa - Google Patents

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Abstract

Según la invención, una pieza metálica fabricada mediante fabricación aditiva se somete, siguiendo el proceso de fabricación aditiva, a un tratamiento en frío en el que la pieza se enfría a una temperatura objetivo más baja de menos de -30°C en una fase de enfriamiento y luego se se calienta hasta una temperatura objetivo superior en una fase de calentamiento. El tratamiento en frío mejora significativamente las propiedades de la pieza en cuanto a su calidad mecánica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para el tratamiento posterior de una pieza de trabajo producida mediante fabricación generativa La invención se refiere a un procedimiento para el tratamiento posterior de una pieza de trabajo metálica producida mediante fabricación generativa.
En la producción actual existe una tendencia creciente hacia los procedimientos de fabricación generativa (también denominados "procedimientos de fabricación aditiva"). En este caso se trata en general de procedimientos de fabricación en los que se produce por capas una pieza de trabajo tridimensional a partir de un material de metal o plástico. Aunque hasta ahora su uso se ha limitado principalmente a la fabricación de prototipos, cada vez se observa un mayor potencial para su uso en la producción en serie, especialmente para series de cantidades más reducidas y/o para la fabricación de componentes tridimensionales complejos que se utilizan, por ejemplo, en la tecnología aeroespacial, la industria automovilística o la tecnología médica.
En los procedimientos de fabricación generativa basados en lechos de polvo, se aplica a una superficie de trabajo un material en forma de polvo en una capa fina. Mediante un haz de energía, especialmente un haz láser o un haz de electrones, el material se funde o sinteriza de forma precisa de acuerdo con una plantilla asistida por ordenador. Durante la resolidificación, el material fundido o sinterizado forma un contorno sólido (aquí también llamado "contorno de la pieza de trabajo") que se une a los contornos producidos previamente y/o posteriormente del mismo modo, produciéndose una pieza de trabajo. Así pueden construirse especialmente cuerpos moldeados que presentan una estructura tridimensional en parte muy compleja. Los procedimientos de fabricación generativa basados en polvo son, por ejemplo, la fusión por haz de electrones (EBM), la fusión selectiva por haz de láser (SLM) o el sinterizado selectivo por láser (SLS).
Además existen consideraciones para utilizar procedimientos de pulverización de polvo para la fabricación aditiva de piezas de trabajo. En la pulverización de polvo, un material en forma de polvo se aplica a un sustrato mediante un gas portador y se funde mediante un haz de energía. En este caso, como haz de energía se suele utilizar un acero de plasma (soldadura de recargue de polvo con plasma) o un haz láser (deposición de metal por láser, LMD).
Para proteger la pieza de trabajo de las influencias negativas de la atmósfera ambiente, los procedimientos de fabricación generativa basados en polvo tienen lugar, en la mayoría de los casos, bajo gas inerte o al vacío. Una vez finalizada la fabricación, la pieza de trabajo o el contorno de la pieza de trabajo deben enfriarse antes de un tratamiento posterior. Si se utiliza un gas inerte, éste puede apoyar el proceso de enfriamiento; en caso de procesos de fabricación aditiva que se llevan a cabo al vacío, el contorno de la pieza de trabajo acabada debe enfriarse y la cámara de granallado previamente evacuada debe inundarse con un gas a presión ambiente. En este caso es posible especialmente inundar la cámara de granallado con un gas inerte, por ejemplo, helio, que al mismo tiempo se encarga de que la pieza de trabajo, calentada como consecuencia del proceso de fabricación, se enfríe a temperatura ambiente.
Por ejemplo, el documento WO 2015/155745 A1 describe un procedimiento para la fabricación de una pieza de trabajo mediante fabricación aditiva, con el que se prepara una capa de un material de partida en polvo en una cámara de granallado evacuada. Ésta se precalienta y se somete a un proceso de fusión selectivo mediante exposición a un haz de energía en vacío, con lo que resulta un contorno de pieza de trabajo que debe solidificarse mediante enfriamiento a temperatura ambiente. Para acelerar el proceso de enfriamiento, la cámara de granallado se inunda con un flujo de gas refrigerante inerte. Como gas refrigerante se utiliza, por ejemplo, helio o argón.
Además, para estabilizar las piezas de trabajo durante su fabricación mediante procedimientos de polvo se conoce la posibilidad de mezclar polvo metálico con un aglutinante, normalmente un polímero, e imprimirlo sucesivamente capa por capa. Tras la fabricación, la pieza de trabajo se somete a un tratamiento térmico en el que el aglutinante se expulsa mediante calentamiento. A continuación, la pieza de trabajo se sinteriza a alta temperatura.
Los procedimientos de fabricación aditiva basados en alambre se han establecido como una alternativa a los procedimientos de fabricación basados en polvo. En estos procedimientos se funde un alambre metálico por medio de una fuente de energía. Las propiedades del componente fabricado están determinadas fundamentalmente por la elección del metal o de la aleación metálica del alambre utilizado. Como fuente de energía pueden utilizarse rayos láser, haces de electrones o arco voltaico (tecnología de fabricación aditiva mediante arco e hilo, WAAM).
Todos los procedimientos descritos para la impresión 3D tienen en común que, por regla general, se someten a un tratamiento térmico después de la fabricación con el objetivo de reducir las tensiones propias, de homogeneizar la estructura del componente y también de optimizar los valores de calidad mecánicos y tecnológicos. Los tratamientos térmicos se llevan a cabo en hornos de tratamiento térmico bajo una atmósfera de gas inerte o en vacío.
La invención se basa en el objetivo de mejorar aún más las propiedades mecánicas y técnicas de las piezas de trabajo producidas mediante fabricación generativa.
La tarea de la invención se resuelve mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se reivindican configuraciones ventajosas de la invención.
Por consiguiente, según la invención se lleva a cabo un tratamiento posterior de una pieza de trabajo metálica producida mediante fabricación generativa en el que la pieza de trabajo se somete a un tratamiento en frío en el que la pieza se enfría en una fase de enfriamiento a una temperatura objetivo inferior de menos 50°C y a continuación se calienta en una fase de calentamiento a una temperatura objetivo superior.
Aquí, por una pieza de trabajo producida mediante fabricación generativa (o aditiva) debe entenderse una pieza de trabajo que se compone de contornos de pieza de trabajo producidos sucesivamente por capas que a su vez se producen fundiendo un material base metálico, especialmente en forma de polvo o alambre. En el marco de la presente invención, como material base pueden utilizarse todos los materiales base metálicos convencionales utilizados para la fabricación aditiva, especialmente los basados en aluminio, acero, acero fino, cobre o níquel.
En el marco de esta invención, por "tratamiento en frío" se entiende un procedimiento en el que una pieza de trabajo se somete a temperaturas de -50°C e inferiores. Preferiblemente, el tratamiento en frío se lleva a cabo en un recipiente cerrado (cámara de frío) en el que se establece una temperatura de tratamiento adecuadamente baja mediante contacto térmico directo o indirecto de la pieza de trabajo con un refrigerante. Por ejemplo, se genera una atmósfera adecuadamente atemperada en una cámara de frío a la que se ha aportado previamente la pieza de trabajo a tratar, con lo que se obtiene un atemperado uniforme de la pieza de trabajo por todos los lados. La generación de la atmósfera atemperada en la cámara de frío se lleva a cabo, por ejemplo, mediante la introducción del refrigerante en la cámara de frío. En este caso, como refrigerante se utiliza preferiblemente un elemento criogénico que se ha llevado a una temperatura predeterminada de, por ejemplo, entre -150°C y -185°C. En el caso del refrigerante se trata, por ejemplo, de nitrógeno gaseoso frío producido mezclando nitrógeno gaseoso caliente con nitrógeno líquido en un mezclador de gas frío o de un gas refrigerante, como nitrógeno o un gas noble, que se ha atemperado mediante enfriamiento indirecto con nitrógeno líquido en un intercambiador de calor.
Sorprendentemente se ha comprobado que el tratamiento en frío según la invención influye positivamente en las propiedades de las piezas de trabajo producidas en la fabricación generativa por sinterización o por fusión y solidificación. Especialmente, el tratamiento en frío reduce las tensiones propias que se generan en la fabricación durante la fase de solidificación dentro de los contornos de la pieza de trabajo fundida y/o en la capa de unión entre éstos. El tratamiento en frío favorece la homogeneización del material en la pieza de trabajo y contribuye así a determinar los valores de calidad mecánicos y técnicos. En este caso cabe destacar especialmente un aumento de la resistencia al desgaste y de la dureza.
El tratamiento en frío según la invención resulta adecuado para todas las piezas de trabajo que se producen de acuerdo con procedimientos de fabricación aditiva comunes y según la invención resulta adecuado para el tratamiento posterior de piezas de trabajo que se han producido mediante procedimientos de lecho de polvo, procedimientos de pulverización de polvo o procedimientos de fabricación aditiva basados en alambre.
El tratamiento en frío según la invención se lleva a cabo a continuación de la fabricación de la pieza de trabajo y puede realizarse solo o además de un tratamiento térmico posterior de la pieza de trabajo, en este último caso antes y/o después del tratamiento térmico posterior y/o entre dos etapas de un tratamiento térmico posterior. En todos estos casos, cabe esperar mejoras con respecto a los valores de calidad mecánicos y técnicos de los componentes metálicos.
Los tratamientos en frío de piezas de trabajo metálicas se conocen, por ejemplo, por los documentos US 6537 396 B1, US 3 819 428 B1, EP 124 29 29 A1, CN 103 463 739 A y el artículo de W. Lausecker, "Wie cool ist das - El tratamiento criógeno de herramientas de arranque de virutas", Técnica de Herramientas 126, 15 de junio de 2012, y se refieren especialmente al endurecimiento por transformación del acero. En este caso, la dureza de una pieza de trabajo fabricada de una sola pieza se aumenta enfriando la pieza a una temperatura de entre menos 70°C y menos 180°C después de su fabricación y de un tratamiento térmico posterior y manteniéndola a esta temperatura durante un período de tiempo de, por ejemplo, 15 h. Por el contrario, no se ha descrito todavía un tratamiento en frío como tratamiento posterior de piezas de trabajo producidas mediante fabricación aditiva a partir de una pluralidad de contornos de piezas de trabajo.
Además, los documentos CN 105586477 A, CN 104087729 A, CN 108588582 A y US 2004/182202 A1 describen tratamientos en frío de piezas de trabajo metálicas producidas mediante fabricación aditiva. En este caso tiene lugar durante el tratamiento una reducción continua de la temperatura hasta alcanzar un valor objetivo inferior, citándose en las memorias impresas mencionadas respectivamente diferentes valores objetivo y velocidades de enfriamiento.
La temperatura objetivo inferior, es decir, la temperatura de enfriamiento más baja durante el tratamiento en frío según la invención, es preferiblemente de entre menos 50°C y menos 195°C, con especial preferencia de entre menos 100°C y menos 185°C, mostrando los valores por debajo de menos 150°C resultados especialmente buenos.
En el caso de la temperatura objetivo superior con la que concluye el procedimiento se trata de un valor de temperatura adecuado para evitar la condensación de agua procedente de una atmósfera ambiente presente especialmente en condiciones normales (20°C), a fin de evitar la corrosión en la superficie de la pieza de trabajo. Hasta que se alcanza la temperatura objetivo superior, el tratamiento en frío según la invención se lleva a cabo preferiblemente en una atmósfera inerte con un bajo contenido de agua, por ejemplo, en una atmósfera formada principalmente por nitrógeno gaseoso y/o un gas noble. Según la invención, la temperatura objetivo superior es de entre 20°C y 40°C.
La invención prevé que, a continuación de la fase de enfriamiento y antes de la fase de calentamiento, la pieza de trabajo se someta a una fase de mantenimiento en la que la pieza de trabajo se mantiene a la temperatura objetivo inferior durante un período de al menos 30 s. Con unos tiempos de mantenimiento de entre 30 s y 10 min ya resulta una mejora considerable de la resistencia al desgaste de la pieza de trabajo. Según la invención, no es necesario un tiempo de mantenimiento superior a 90 minutos, aunque tampoco se descarta. Preferiblemente, la duración de la fase de mantenimiento es de entre 10 min y 60 min.
El enfriamiento y el calentamiento de la pieza de trabajo en el tratamiento en frío se lleva a cabo preferiblemente de forma lenta para garantizar que no se produce ningún choque térmico y que se consigue un enfriamiento completo y uniforme de la pieza de trabajo. Como consecuencia, se prevé que el enfriamiento de la pieza de trabajo en la fase de enfriamiento y/o el calentamiento de la pieza de trabajo en la fase de calentamiento se produzca no más rápido que con un cambio de temperatura (velocidad) AT/At de AT/At ≤ 10 K/min, siendo AT/At preferiblemente de entre 1 K/min y 10 K/min, con especial preferencia de entre 1,5 K/min y 5 K/min (tiempos de interrupción durante el proceso de enfriamiento o calentamiento no incluidos respectivamente).
Para garantizar un enfriamiento o calentamiento uniformes, resulta además ventajoso interrumpir varias veces el enfriamiento o el calentamiento de la pieza de trabajo durante el proceso de enfriamiento en la fase de enfriamiento y/o durante el proceso de calentamiento en la fase de calentamiento y mantener la pieza de trabajo a una temperatura intermedia predeterminada durante un período de tiempo predeterminado (fase de mantenimiento intermedia). Por ejemplo, puede establecerse una interrupción a intervalos de 5K a 50K respectivamente, durante los cuales la pieza de trabajo se mantiene fundamentalmente a la temperatura alcanzada. Después de la fase de mantenimiento intermedia, el proceso de enfriamiento o el proceso de calentamiento continúan al igual que antes. Durante las interrupciones pueden seguir produciéndose procesos de transposición en la estructura cristalina del material de la pieza de trabajo a una velocidad de difusión comparativamente alta que pueden favorecer la homogeneidad del material y, por consiguiente, el desarrollo de propiedades positivas del material. Según la invención, la duración de una fase de mantenimiento intermedia en la fase de enfriamiento y/o en la fase de calentamiento es con preferencia de al menos 30 s respectivamente, con preferencia de entre 1 min y 120 min respectivamente.
La invención prevé calentar la pieza de trabajo una o varias veces durante la fase de enfriamiento y/o la fase de mantenimiento y/o una fase de mantenimiento intermedia y, a continuación, enfriarla de nuevo a la temperatura objetivo inferior o a otra temperatura. Una fase de calentamiento intermedia como ésta puede llevarse a cabo en lugar o además de una fase de mantenimiento intermedia. Las fases de calentamiento intermedias reducen las tensiones que pueden producirse en el material tratado debido a los cambios de temperatura en el transcurso del tratamiento en frío. Junto con una velocidad de enfriamiento adaptada a la pieza de trabajo respectiva, las fases de calentamiento intermedias aumentan así las propiedades de calidad de la pieza de trabajo. Por ejemplo, en la fase de enfriamiento y/o en la fase de mantenimiento tiene lugar un calentamiento una o varias veces, no rebasándose la temperatura inicial (es decir, la temperatura antes del inicio del tratamiento en frío). En este caso, dependiendo de la temperatura inicial se produce un calentamiento respectivamente en al menos 10K, preferiblemente en al menos 50K, por ejemplo, hasta un valor de temperatura de entre -140°C y -160°C respectivamente. Tras esta fase de calentamiento intermedia, la pieza de trabajo se mantiene a baja temperatura durante un cierto tiempo o bien sigue otra fase de calentamiento intermedia o bien tiene lugar un nuevo enfriamiento a una temperatura aún más baja, especialmente a la temperatura objetivo inferior.
El atemperado, es decir, el enfriamiento o el calentamiento de la pieza de trabajo durante el tratamiento en frío, se lleva a cabo convenientemente mediante la generación de una atmósfera adecuadamente atemperada en una cámara de frío que contiene la pieza de trabajo. Para generar la atmósfera atemperada en la cámara de frío, por ejemplo, un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno o un gas noble, se lleva a una temperatura adecuada fuera de la cámara de frío y se aporta a continuación a la cámara de frío. Durante todo el tratamiento en frío, la pieza de trabajo se encuentra preferiblemente en una atmósfera inerte, especialmente para excluir las influencias negativas del oxígeno atmosférico y del vapor de agua.
Por medio del dibujo se explica más detalladamente un ejemplo de realización de la invención. El único dibujo (figura 1) muestra esquemáticamente en un diagrama de temperatura (T) - tiempo (t) el desarrollo de la temperatura de una pieza de trabajo producida mediante fabricación aditiva durante el tratamiento posterior de acuerdo con un procedimiento según la invención.
Una pieza de trabajo producida mediante fabricación aditiva, que se encuentra, por ejemplo, a temperatura ambiente o (debido a un tratamiento térmico previo) a una temperatura superior a la temperatura ambiente, se aporta a una cámara de frío y a continuación ésta se cierra. Mediante la aportación de un refrigerante, la temperatura de la atmósfera en el interior de la cámara de frío se reduce lentamente, por ejemplo, a una velocidad AT/At de entre 1 K/min y 10 K/min. Para la generación del refrigerante se mezcla, por ejemplo, en un recipiente separado, gas nitrógeno con nitrógeno líquido o con un gas nitrógeno que posea una temperatura cercana al punto de ebullición del nitrógeno (-196°C) en una cantidad tal que el gas nitrógeno frío resultante presente una temperatura predeterminada. El refrigerante se introduce sucesivamente en la cámara de frío, bajando así la temperatura de la atmósfera en el interior de la cámara de frío y, por lo tanto, la temperatura de la pieza de trabajo durante una fase de enfriamiento K hasta una temperatura objetivo inferior T1 de, por ejemplo, menos 150°C. A continuación de la fase de enfriamiento K, la pieza de trabajo se mantiene a la temperatura objetivo inferior T1 durante un período de tiempo de, por ejemplo, 1 min a 100 min (fase de mantenimiento H). Tras la fase de mantenimiento H, la pieza de trabajo se calienta lentamente, es decir, a una velocidad de calentamiento comparable a la velocidad de enfriamiento en la fase de enfriamiento K, hasta una temperatura objetivo superior T2 (fase de calentamiento W) mediante la aportación de un gas caliente (por ejemplo, nitrógeno), cuya temperatura es superior a la temperatura en el interior de la cámara de frío. T2 corresponde, por ejemplo, a la temperatura ambiente. Después del tratamiento en frío, la pieza de trabajo producida aditivamente se extrae de la cámara de frío, pudiendo aportarse la misma a otras fases de tratamiento o procesamiento. El gas extraído al mismo tiempo de la cámara de frío durante la aportación del refrigerante o del gas caliente se descarga al medio ambiente o se aporta para un uso posterior.
Durante la fase de enfriamiento K, la aportación del refrigerante puede detenerse una o varias veces y, de este modo, el enfriamiento de la pieza de trabajo puede ralentizarse o mantenerse a una temperatura predeterminada. De la misma manera, en la fase de calentamiento W, el suministro de gas caliente puede interrumpirse una o varias veces, ralentizándose así la velocidad de calentamiento o manteniéndose la pieza de trabajo a una temperatura predeterminada. En estas fases de mantenimiento intermedias se aplica, por consiguiente, AT/At << 1 K/min. En el ejemplo de realización mostrado en el dibujo, una fase de mantenimiento intermedia tiene lugar respectivamente durante la fase de enfriamiento K a temperaturas T3 siendo T1 < T3 < T2 y durante la fase de calentamiento W a una temperatura T5 siendo Tk Ts<T2.
Para reducir las tensiones que se producen en el material tratado como consecuencia del tratamiento en frío resulta ventajoso aumentar temporalmente la temperatura de la pieza de trabajo en la cámara de frío durante la fase de enfriamiento K y/o la fase de mantenimiento H. En estas fases de calentamiento intermedias A1, A2 tiene lugar un aumento de la temperatura de la pieza de trabajo hasta una temperatura intermedia T3 , T4. La temperatura intermedia es, por ejemplo, de 10K a 50K superior a la temperatura de la pieza de trabajo al comienzo de la fase de calentamiento intermedia A1, A2 , pero inferior a la temperatura inicial antes del comienzo del tratamiento en frío. En el ejemplo de realización aquí mostrado tienen lugar una primera fase de calentamiento intermedia A1 durante la fase de enfriamiento K hasta el valor T3 y una segunda fase de calentamiento A2 después de haberse alcanzado ya la temperatura objetivo inferior T1 hasta un valor T4 , siendo en el ejemplo de realización T3 > T4 , lo que, sin embargo, no es absolutamente necesario en el marco de la invención. A continuación de la fase de calentamiento A2 puede seguir otra fase de calentamiento intermedia (aquí no mostrada) o la pieza de trabajo permanece durante un cierto período de tiempo a la temperatura objetivo inferior T1.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para el tratamiento posterior de una pieza de trabajo metálica producida mediante fabricación generativa, en el que la pieza de trabajo se fabrica en un procedimiento de lecho de polvo, en un procedimiento de pulverización de polvo o en un procedimiento de fabricación aditiva mediante aportación de alambre de manera que el material se funda o sinterice de forma precisa mediante un haz de energía de acuerdo con una plantilla asistida por ordenador, y en el que la pieza de trabajo se somete, tras su fabricación, a un tratamiento en frío en el que la pieza de trabajo se enfría en una fase de enfriamiento (K) hasta una temperatura objetivo inferior (T1) de menos 30°C y a continuación se calienta en una fase de calentamiento (W) hasta una temperatura objetivo superior (T2), caracterizado por que la temperatura objetivo superior (T2) es de entre 20°C y 40°C, pasando la pieza, después de la fase de enfriamiento (K) y antes de la fase de calentamiento (W), por una fase de mantenimiento (H), en la que la pieza de trabajo se mantiene a la temperatura objetivo inferior (T1) durante al menos 30 s y la fase de enfriamiento (K) y/o la fase de mantenimiento (W) se interrumpen y la pieza de trabajo se calienta al menos 10K a una temperatura intermedia (T3 , T4) durante una fase de calentamiento intermedia (A1, A2) y a continuación se enfría de nuevo, llevándose a cabo el enfriamiento de la pieza de trabajo en la fase de enfriamiento (K) y llevándose a cabo el calentamiento de la pieza de trabajo en la fase de calentamiento (W) y en la al menos una fase de calentamiento intermedia (A1, A2) a una velocidad de entre 1,5 K/min y 10 K/min.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la temperatura objetivo inferior (T1) es de entre menos 50°C y menos 195°C, preferiblemente de entre menos 100°C y menos 185°C.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la pieza de trabajo se calienta al menos 50K durante la fase de calentamiento intermedia (A1, A2).
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fase de enfriamiento (K) y/o la fase de calentamiento (W) y/o al menos una fase de calentamiento intermedia (A1, A2) se interrumpen durante un período de tiempo de al menos 30 s, durante el cual la pieza de trabajo se mantiene fundamentalmente a una temperatura alcanzada (T3).
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