ES2957561T3 - Fabricación aditiva y post-tratamiento de impacto integrado - Google Patents

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Abstract

Un método y aparato para formar un objeto mediante fabricación de capas aditivas. El método comprende: a) aplicar, mediante una fuente de calor (4), calor a una porción de una superficie de una pieza de trabajo (1) suficiente para fundir dicha porción; b) añadir material a la porción fundida y mover la fuente de calor (4) con respecto a la pieza de trabajo (1), con lo que se forma progresivamente una capa de material (10) sobre la pieza de trabajo (1); c) enfriar la capa formada (10) para llevar al menos parte de la capa (10) a un estado de cristalización, produciendo allí una pieza de trabajo modificada; d) granallar, utilizando una pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto (7) controlables independientemente, la pieza de trabajo modificada para deformar plásticamente al menos parte enfriada de la capa (10); y repetir los pasos a) ad) según sea necesario para formar el objeto. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Fabricación aditiva y post-tratamiento de impacto integrado
Campo de la invención
Esta invención se refiere a la fabricación aditiva (AM) y en particular al aparato y a un método para aliviar el estrés en un componente fabricado por un proceso AM.
Antecedentes
La fabricación aditiva (AM) es un proceso de fabricación que es capaz de producir una parte compleja funcional, capa por capa, sin moldes o matrices. Este proceso usa una fuente de calor potente tal como un rayo láser o un arco de soldadura para fundir una cantidad controlada de metal en forma de polvo o alambre metálico, que luego se deposita, inicialmente, sobre una placa base. Luego se construyen capas subsiguientes sobre cada capa anterior. A diferencia de los procesos de mecanizado convencionales, esta tecnología de fabricación asistida por ordenador (CAM) construye partes funcionales completas o, alternativamente, construye características en componentes existentes, añadiendo material en lugar de retirarlo.
Las técnicas de fabricación AM actualmente conocidas incluyen: tecnologías de polvo soplado por láser, lecho de polvo láser, y alambre y arco. Aquí nos centraremos en la tecnología de polvo soplado por láser, pero los detalles generales de las tecnologías de lecho de polvo láser y de alambre y arco son los siguientes.
La tecnología de lecho de polvo láser utiliza un láser para fundir polvo metálico contenido en un lecho de polvo. La pieza de trabajo se monta dentro del lecho de polvo y la superficie del polvo se nivela para cubrir solo la superficie de la pieza de trabajo. A continuación, el láser se escanea sobre la pieza de trabajo a lo largo de una trayectoria que define la forma del componente que se desea fabricar. El polvo se funde a esta forma y se solidifica en una capa de metal en la pieza de trabajo en la forma deseada. A continuación, el polvo se vuelve a nivelar, ligeramente más alto, y el proceso se repite hasta que el componente se ha formado completamente.
La tecnología de alambre y arco, en lugar de usar un láser como fuente de calor y polvo metálico como material incremental, usa un arco de soldadura conocido para fundir material de capa de aditivo en forma de alambre. El proceso se lleva a cabo en una escala similar a la soldadura convencional, pero con muchas más “ pasadas” que se usan para construir el componente.
En el proceso de polvo soplado por láser, durante la deposición de la(s) capa(s) inicial(es), el haz láser se dirige a una pieza de material de partida o “ placa madre” para crear un baño de soldadura en la placa madre a la que se añade el polvo. El polvo se transporta al punto focal del láser en un gas portador dirigido con precisión tal como argón.
El problema de este tipo de fabricación es que, durante la creación del baño de soldadura, la pieza se somete a un intenso calentamiento localizado. Este calentamiento crea gradientes térmicos pronunciados en la pieza de trabajo entre el material fundido en el baño de soldadura y el material frío que lo rodea. Si las tensiones de compresión transversales en la pieza de trabajo, provocadas por el material en expansión muy caliente, superan el límite elástico del material, se producirá una deformación plástica por compresión (CPY) en el material que rodea la soldadura. En el enfriamiento y contracción de la pieza de trabajo, se crearán tensiones transversales residuales elevadas a través de la soldadura y estas se equilibrarán mediante tensiones de compresión residuales más lejos de la soldadura. Son estas tensiones residuales de compresión las que provocan la distorsión por pandeo cuando superan una carga crítica de pandeo (CBL) para el material de base de la pieza de trabajo. Esta es una dificultad particular cuando funciona con material de sección delgada.
Durante el enfriamiento de la pieza de trabajo, la tasa de solidificación del material es un factor determinante para la microestructura final. La microestructura del material desempeña un papel esencial en el control de las propiedades mecánicas. Las morfologías de microestructura que se han observado con los métodos AM anteriores muestran comúnmente grandes granos columnares que crecen verticalmente desde abajo hasta arriba de la construcción de la pieza de trabajo. Este tipo de estructura de grano produce propiedades mecánicas que son desfavorables en comparación con estructuras de contorno de grano finas y las de material forjado.
El documento US 2014/367894 describe un subsistema de fabricación aditiva (AM) para realizar una operación AM para formar una pieza 3D. La pieza 3D puede formarse usando una pluralidad de capas de material distintas estratificadas una encima de otra. El sistema también puede implicar al menos uno de un subsistema de granallado por láser y un subsistema de deposición acelerada por láser (HVLAD) de alta velocidad. El subsistema LP puede usarse para el granallado láser de una subcantidad seleccionada de las capas, para impartir una dureza mejorada a la cantidad seleccionada de las capas y/o a la pieza 3D general.
El documento WO 2014/072699 describe un método para formar un componente metálico mediante la fabricación de capas aditivas que incluye montar un aparato de fabricación de piezas de trabajo a ALM que incluye medios de medición en forma de celdas de carga para medir tensiones que tienden a distorsionar la pieza de trabajo, mientras que realiza el proceso ALM, medir las tensiones que tienden a distorsionar el componente con las celdas de carga y, si están por encima de un umbral predeterminado, la tensión que alivia la pieza de trabajo con un láser pulsado mientras aún está montado en el aparato para reducir la distorsión hasta un nivel predeterminado.
El documento US6338765 describe métodos de tratamiento para productos de trabajo de materiales como acero, bronce, plástico, etc. y, en particular, cuerpos de acero soldados mediante energía de impacto pulsante, preferentemente ultrasónica, para relajar la fatiga y el envejecimiento y prolongar la vida útil esperada.
El documento US2013/197683 describe un método de fabricación que consiste en realizar el modelado por deposición fundida de polvos o material de alambre de metal, compuestos intermetálicos, cerámica y materiales compuestos de gradiente funcional por capas utilizando una pistola de soldadura sobre una capa de sustrato a través de un haz de soldadura blindado con gas de control numérico o un haz láser según una pista especificada por un código de control numérico para cada capa. Un microrrodillo o una unidad de microextrusión se instala en un área de contacto entre áreas fundidas y ablandadas. El microrrodillo o la unidad de microextrusión se mueve sincrónicamente junto con el área de deposición fundida, lo que da como resultado la compresión y el procesamiento del área de deposición fundida durante el modelado de la deposición fundida.
El documento WO 2012/152259 describe un método para producir, reparar y/o reemplazar un componente, en particular un elemento de pala de una turbina de gas en un motor de aeronave. Dicho método incluye los siguientes pasos: aplicar una capa de material, el polvo que se fusiona con la radiación de energía; compactar una región seleccionada aplicando presión a esta.
Por consiguiente, un objetivo de la presente invención es superar al menos algunas de las dificultades con los métodos AM anteriores.
Resumen de la invención
La invención proporciona un método para mitigar la distorsión para cada capa durante el edificio de piezas fabricadas con capa de aditivo. No solo se controla la distorsión, sino que se puede refinar la microestructura interna de la parte final, mejorando así las propiedades mecánicas.
En un primer aspecto, la presente invención proporciona un método para formar un objeto mediante la fabricación de capas aditivas como se define en la reivindicación 1.
La etapa de granallado puede comprender la pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto golpeando simultáneamente una pluralidad de puntos diferentes en la pieza de trabajo modificada.
La pieza de trabajo modificada comprende una primera superficie y una segunda superficie. La primera superficie puede ser contigua a la segunda superficie. El granallado comprende la pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto que golpean simultáneamente una región en la primera superficie y una región en la segunda superficie.
La región en la primera superficie y la región en la segunda superficie pueden ser regiones contiguas. La región en la primera superficie y la región en la segunda superficie pueden entrar en contacto a lo largo de un borde de la pieza de trabajo modificada.
Al menos uno de la pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto controlables independientemente puede ser una herramienta de tratamiento de impacto accionada hidráulicamente.
Cada dispositivo de tratamiento de impacto puede golpear la pieza de trabajo modificada con una frecuencia de hasta 20 Hz. La capa de material formada en la pieza de trabajo puede ser de 2 mm a 3 mm de espesor.
El método de fabricación aditiva puede ser de fabricación mediante la tecnología de alambre y arco.
La pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto controlables independientemente puede disponerse como una matriz.
Al menos uno de los dispositivos de tratamiento de impacto se puede acoplar a un brazo de robot articulado.
Un dispositivo de tratamiento de impacto y la fuente de calor pueden ser efectores extremos de un brazo de robot articulado común.
La etapa de enfriamiento se realiza mediante un dispositivo de enfriamiento forzado. Un dispositivo de tratamiento de impacto y el dispositivo de enfriamiento forzado pueden ser efectores extremos de un brazo de robot articulado común.
Al menos dos dispositivos de tratamiento de impacto comprenden un elemento de granallado (por ejemplo, una broca) con la que se ha perdido la pieza de trabajo modificada. La forma de una porción del elemento de granallado (por ejemplo, la forma de una sección transversal del elemento de granallado) puede seleccionarse del grupo de formas: rectangulares, en forma de cincel, en forma de L, empotradas, circulares o poligonales.
En un aspecto adicional, la presente invención proporciona un aparato de fabricación de capas aditivas como se define en la reivindicación 11.
En otro aspecto, la presente invención proporciona un medio legible por ordenador que tiene instrucciones ejecutables por ordenador adaptadas para hacer que el aparato de fabricación aditiva funcione según el método de cualquiera de los aspectos anteriores.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una ilustración esquemática (no a escala) de un aparato según una realización de la invención;
la Figura 2 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra múltiples vistas de una herramienta de tratamiento de impacto hidráulico;
la Figura 3 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra dos herramientas de tratamiento de impacto hidráulico realizando un proceso de tratamiento de impacto;
la Figura 4 es una micrografía que muestra el efecto del proceso de tratamiento de impacto en una pieza de trabajo; y la Figura 5 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra múltiples formas alternativas para el extremo de una broca de una herramienta de tratamiento de impacto hidráulico.
Descripción detallada
La terminología “ fabricación aditiva” (AM) se usa aquí para referirse a todos los procesos aditivos que se pueden usar para producir objetos complejos y funcionales, capa por capa, sin moldes ni troqueles, por ejemplo, proporcionando material (por ejemplo, metal o plástico) típicamente en forma de polvo o alambre y, utilizando una fuente de calor potente como un rayo láser, un rayo de electrones o un arco de soldadura eléctrico o de plasma, fundir una cantidad de ese material y depositarlo (por ejemplo, en una placa base/pieza de trabajo), y posteriormente construir capas de material sobre cada capa anterior. La fabricación aditiva (AM) también puede conocerse, entre otras cosas, como impresión 3D, fabricación digital directa (DDM), fabricación digital (DM), fabricación por capas aditivas (ALM), fabricación rápida (RM), modelado de redes de ingeniería láser (LENS), deposición de metal, fabricación directa, fusión por haz de electrones, fusión por láser, fabricación de forma libre, revestimiento por láser, sinterización directa por láser de metal.
Con referencia a la Figura 1, el aparato según la invención se muestra en funcionamiento en una pieza de trabajo 1. El aparato comprende un lecho (no mostrado) que soporta una placa principal 2 de la pieza de trabajo 1 y una estación de tratamiento 3, móvil con respecto a la pieza de trabajo 1 y el lecho. La estación 3 de tratamiento está formada por una fuente de calor en forma de un láser 4 de alta potencia, una fuente de material metálico en forma de un sistema 5 de suministro de polvo, medios de enfriamiento en forma de una boquilla 6 de enfriamiento forzada y medios de alivio de tensión en forma de dos herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico.
El láser 4 se enfoca sobre un punto focal 8 en una superficie superior 9 de la pieza de trabajo 1, por lo que fundir la superficie 9 para formar un conjunto de soldadura. El láser 4 está controlado por un ordenador (no mostrado) para suministrar un rayo láser a través de una fibra óptica 12 a la óptica de enfoque convencional 13 que enfoca el rayo láser al punto focal 8 en la superficie 9 de la pieza de trabajo.
El sistema 5 de suministro de polvo suministra polvo a las proximidades del punto focal láser 8. Por lo tanto, el polvo se sinteriza a medida que se deposita sobre la superficie de la pieza de trabajo para formar una capa o perla 10. En la presente realización, el polvo es un polvo de metal o aleación, por ejemplo un polvo de acero inoxidable o un polvo de titanio. Los granos de polvo tienen un diámetro entre 36 μm y 106 pm. El sistema 5 de suministro de polvo suministra polvo a una velocidad de tres gramos por minuto a través de una boquilla 11 de deposición, a lo largo de tres líneas 14 de suministro dispuestas simétricamente alrededor de la boquilla 11 de deposición.
El aparato láser 4, 13 está montado de manera que pueda moverse bajo el control del ordenador en el plano X-Y paralelo a la superficie de la placa principal, y verticalmente en la dirección Z ortogonal a ella. Por lo tanto, el punto focal láser 8 puede dirigirse a cualquier punto en una envolvente de trabajo en el plano X-Y y verticalmente para acomodar ambas piezas de trabajo de diferente altura y también regiones de diferente altura dentro de piezas de trabajo. Como se ilustra en la figura, la dirección transversal está en la dirección de la flecha 38.
El láser 4 es un láser Nd: YAG que funciona a una longitud de onda de 1064 nm y tiene una potencia de onda continua de 500 W.
La perla se enfría a un estado cristalizado mediante el uso de la boquilla de gas de enfriamiento forzado 6. Esto puede usar aire o un chorro de pulverización criogénico, por ejemplo.
A continuación, la perla enfriada se trata mediante las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulicos para reducir la tensión residual y modificar la microestructura de la pieza 1 de trabajo.
Pueden colocarse muchas perlas una al lado de la otra y construirse una encima de la otra para formar piezas simples o complejas y cada perla puede tener una tensión residual y una distorsión minimizadas, por el tratamiento de impacto, con la formación de una microestructura mejorada.
La Figura 2 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra más detalles de una de las herramientas de tratamiento de impacto hidráulico 7. La figura 2 muestra tres vistas de la herramienta de tratamiento de impacto hidráulico 7, concretamente una vista frontal A, una vista lateral B y una vista en perspectiva C.
En esta realización, la herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulicos comprende una broca 20, un impulsor 22, un cuerpo 24 de herramienta, una primera conexión 26 hidráulica, una segunda conexión 27 hidráulica, un primer ajustador 28 de potencia, un segundo ajustador 30 de potencia y un punto 32 de carga.
En esta realización, se bombea fluido hidráulico, desde un compresor (no mostrado) en el cuerpo de herramienta 24 a través de la primera conexión hidráulica 26. La primera conexión 26 hidráulica es una válvula unidireccional a través de la cual puede entrar fluido hidráulico al cuerpo 24 de herramienta. El cuerpo de la herramienta 24 comprende un circuito de tubos (no mostrados) a través del cual puede fluir el fluido hidráulico. El impulsor de mando 22 está acoplado al circuito de tubos. El fluido hidráulico que entra en el cuerpo de la herramienta 24 a través de la primera conexión hidráulica 26 fluye alrededor del circuito de tubos dentro del cuerpo de la herramienta 24 en una primera dirección, impulsando la apiladora 22 hacia la pieza de trabajo 1 para que la broca 20 impacte con una superficie superior de la pieza de trabajo 1. Una válvula dentro del circuito de tubos actúa entonces para hacer que el fluido hidráulico circule en una segunda dirección opuesta a la primera dirección. En algunas realizaciones, el fluido hidráulico puede hacerse circular por el circuito de tubos en la segunda dirección mediante el bombeo de fluido hidráulico, por parte del compresor, en el cuerpo de la herramienta 24 a través de la segunda conexión hidráulica 28. Esta inversión de la dirección del flujo de fluido hidráulico en el circuito de tubos mueve la palanca de sujeción 22 lejos de la pieza de trabajo 1, de modo que la broca 20 se aleja de la pieza de trabajo 1. La válvula dentro del circuito de tubos cambia entonces para hacer que el fluido hidráulico circule en la primera dirección, y todo el proceso se repite. Por lo tanto, se aplica un tratamiento de impacto a la pieza de trabajo mediante la herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulico.
En esta realización, la broca 20 es una broca con forma de cincel, que tiene un borde plano. La punta de la broca 20 (es decir, el extremo libre de la broca 20) tiene forma rectangular y tiene una longitud de aproximadamente 12 mm y una anchura de aproximadamente 3 mm.
La herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulico está configurada para hacer que la punta de la broca 20 impacte con la pieza 1 de trabajo con una frecuencia de entre 1 y 20 Hz, por ejemplo, 10 Hz. Además, la herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulicos está configurada para hacer que la broca 20 impacte con la pieza 1 de trabajo a una fuerza de alrededor de 75 kN.
En esta realización, la pieza 1 de trabajo es tratada por las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico después de que cada nueva capa de material se ha añadido y enfriado, mientras que en algunas otras realizaciones, la pieza de trabajo se trata cada vez después de que una pluralidad de nuevas capas de material se hayan añadido y enfriado. El tratamiento de impacto puede realizarse hasta que la totalidad de la superficie haya sido afectada por al menos una de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico. En esta realización, una perla depositada está en un estado enfriado, cristalizado antes del tratamiento de impacto que se inicia.
El tratamiento de impacto hidráulico realizado por las herramientas de tratamiento de impacto hidráulico 7 es un proceso en línea y tiene el efecto de endurecer por microtrabajo el metal, reduciendo así la tensión residual y la distorsión dentro de cada perla depositada individualmente.
En esta realización, las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico son controlables independientemente, es decir, cada herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulico puede moverse independientemente de la otra herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulicos, y puede hacerse que impacte con la pieza 1 de trabajo independientemente de la otra herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulicos. Cada herramienta de tratamiento de impacto hidráulico 7 se controla a través de un brazo de robot articulado respectivo que tiene múltiples grados de libertad. Los brazos robóticos están montados en la estación 3 de tratamiento.
Las dos herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico pueden funcionar de manera que impacten alternativamente con el mismo punto en la superficie de la pieza 1 de trabajo (no dentro del alcance de la presente invención). Por lo tanto, ventajosamente, un tratamiento de impacto hidráulico que tiene una frecuencia que es el doble de las frecuencias operativas de las herramientas de tratamiento de impacto hidráulico individuales 7 puede aplicarse a la pieza de trabajo 1.
Cada vez que una broca 20 impacta con la pieza de trabajo 1, la parte afectada de la pieza de trabajo 1 se deforma plásticamente, y se imparte una onda de choque a través del material de la pieza de trabajo 1, por ejemplo, a una profundidad de entre unos pocos cientos de micrómetros hasta una profundidad de unos pocos milímetros. La profundidad del tratamiento de impacto depende de la frecuencia y la fuerza del tratamiento de impacto. Preferiblemente, las herramientas de tratamiento de impactos hidráulicos 7 se operan de tal manera que el tratamiento de impacto es eficaz para una profundidad de hasta aproximadamente 0,5 mm a 1 mm. Esto es consistente con el espesor del material depositado tendido por el aparato láser 4, 13 y el sistema de suministro de polvo 5.
Una broca que impacta con una superficie de la pieza 1 de trabajo que está próxima a una parte central de esa superficie de la pieza 1 de trabajo, es decir, regiones que son remotas de los bordes de la pieza de trabajo, tiende a causar deformación plástica de la pieza 1 de trabajo en la dirección de desplazamiento de la broca 24 (es decir, en la dirección Z). La deformación transversal de la pieza de trabajo 1 en una dirección dentro del plano X-Y paralelo a la superficie de la placa principal, es decir, la deformación normal a la dirección de recorrido de la broca 20, ventajosamente tiende a estar limitada por el material circundante.
Los métodos de tratamiento convencionales, que incluyen los métodos de granallado y laminado, tienden a causar una deformación significativa transversal o lateral, de las partes cuando se aplica a las porciones de borde de esas partes. Dicha deformación transversal tiende a significar que se reduce la deformación deseada de la pieza 1 de trabajo en la dirección Z. Además, la deformación transversal puede hacer que una parte producida esté fuera de las tolerancias permitidas. Ventajosamente, las dos herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico pueden hacerse funcionar para tratar con impacto las porciones de borde de la pieza 1 de trabajo, sin causar una deformación transversal significativa de la pieza 1 de trabajo.
La Figura 3 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra las dos herramientas de tratamiento de impacto hidráulico 7 que realizan un proceso de tratamiento de impacto en una parte de borde de la pieza de trabajo 1.
En particular, en esta realización, la pieza 1 de trabajo comprende dos superficies contiguas y oblicuas, concretamente una primera superficie 30 y una segunda superficie 32, que entran en contacto entre sí a lo largo de un borde 34. La primera superficie 30 y la segunda superficie son perpendiculares entre sí.
Las dos herramientas de tratamiento de impacto hidráulico 7 impactan con la pieza de trabajo 1 en dos puntos respectivos en la superficie de la pieza de trabajo 1. Una primera de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico impacta con la pieza 1 de trabajo en una primera región 36 de impacto en la primera superficie 30. La primera de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico impacta con la pieza 1 de trabajo en una dirección que es preferiblemente normal a la primera superficie 30. Además, una segunda de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico impacta con la pieza 1 de trabajo en una segunda región 38 de impacto en la segunda superficie 32. La segunda de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico impacta con la pieza 1 de trabajo en una dirección que es preferiblemente normal a la segunda superficie 32.
La primera región de impacto 36 está en contacto con o cerca del borde 34. La segunda región de impacto 38 está en contacto con o cerca del borde 34. La primera región de impacto 36 y la segunda región de impacto 38 son regiones contiguas y pueden estar en contacto entre sí a lo largo del borde 34. Las herramientas de tratamiento de impacto hidráulico 7 se controlan de manera que la primera región de impacto 36 y la segunda región de impacto 38 se impacten al mismo tiempo. Este golpe simultáneo de las regiones de impacto 36, 38 por las respectivas herramientas de tratamiento de impacto hidráulicos 7 tiende a reducir o eliminar la deformación no deseada de la pieza de trabajo próxima al borde 34. En particular, cualquier deformación de la pieza 1 de trabajo en una dirección transversal a la primera superficie 30 causada por la primera de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico que afectan a la primera región 36 de impacto tiende a evitarse por la segunda región 38 de impacto que es impactada por la segunda de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico. La segunda herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulico impacta con la pieza 1 de trabajo en una dirección opuesta a la dirección de deformación lateral de la pieza 1 de trabajo causada por el tratamiento de impacto de la primera región 36 de impacto mediante la primera herramienta 7. De manera similar, cualquier deformación de la pieza 1 de trabajo en una dirección transversal a la segunda superficie 32 causada por la segunda de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico que afectan a la segunda región 38 de impacto tiende a evitarse por la primera región 36 de impacto que es impactada por la primera de las herramientas 7 de tratamiento de impacto hidráulico. La primera herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulico impacta con la pieza 1 de trabajo en una dirección opuesta a la dirección de deformación lateral de la pieza 1 de trabajo causada por el tratamiento de impacto de la segunda región 38 de impacto mediante la segunda herramienta 7.
Se entiende que el mecanismo para endurecimiento por microtrabajo por tratamiento con impacto se produce en primer lugar por el movimiento de dislocaciones dentro del material a los límites de grano. La adición de cada capa posterior aplica calor a la capa anterior y las dislocaciones actúan como sitios de nucleación para el recrecimiento del grano. El tamaño y el número de nuevos granos se controlan mediante la cantidad de tratamiento de impacto llevado a cabo.
El método descrito anteriormente de estrés residual y control de microestructura aborda ventajosamente los problemas de distorsión y mejoras de propiedades mecánicas en el memento de la deposición del material. Actualmente, los métodos para mitigar la distorsión incluyen tratamientos térmicos, métodos de ingeniería de tensión, secuenciación optimizada o envejecimiento artificial de toda la parte, tienden a ser procesos postsoldadura.
Ventajosamente, el método descrito es un proceso en línea, in situ, que tiende a reducir o eliminar la necesidad de un costoso postprocesado.
La herramienta 7 de tratamiento de impacto hidráulico crea una zona de tensión de compresión residual en la superficie de la pieza 1 de trabajo, donde la concentración de tensión para las cargas de tracción es mayor.
En esta realización, el tratamiento de impacto se lleva a cabo sobre toda la superficie de la capa de material depositada más recientemente de la pieza de trabajo. Sin embargo, si la estructura AM de la pieza de trabajo 1 se construye para adaptarse en sus propiedades, la aplicación de tratamiento de impacto a la pieza de trabajo 1 durante la construcción puede variar. Por ejemplo, solo las partes de las capas pueden tratarse o tratarse solo las capas seleccionadas, dependiendo de la rigidez o resistencia requerida, para diferentes partes de la pieza de trabajo. Dichas variaciones en el tratamiento en toda la estructura de la pieza de trabajo se pueden llevar a cabo junto con variaciones en el material depositado, a lo largo de la estructura de la pieza de trabajo 1.
La Figura 4 es una micrografía que muestra el efecto de la tensión que alivia la estructura AM de la pieza de trabajo 1, según la invención.
La Figura 4 muestra, en sus regiones de esquina inferior izquierda y esquina superior derecha (indicadas con el número de referencia 40), porciones de la pieza 1 en las que no se ha efectuado ningún alivio de tensiones. En estas regiones 40, se pueden ver claramente granos columnares largos.
La Figura 4 también muestra, en su esquina inferior derecha y regiones centrales de esquina izquierda (indicadas por el número de referencia 42), partes de la pieza de trabajo 1 donde se ha llevado a cabo el alivio de tensión. En particular, en estas regiones 42, el tratamiento de impacto se ha aplicado a cada capa de material. En estas regiones 42, es evidente una estructura de grano más fina que resulta del tratamiento de impacto.
Ventajosamente, el refinamiento del grano y la reducción del tamaño de grano pueden lograrse mediante el uso de los métodos y aparatos descritos anteriormente.
El tratamiento del tratamiento de impacto en la pieza de trabajo 1, según la invención durante la construcción, tiende a aliviar la acumulación de tensiones en el componente y ayudar a evitar la distorsión del mismo.
El tratamiento de impacto y el aparato descritos anteriormente tienden a ser particularmente útiles cuando se aplican a objetos producidos usando métodos AM que tienen altas tasas de deposiciones en las que se depositan capas relativamente gruesas de material (por ejemplo, más de 1 mm, por ejemplo, 2 mm-3 mm). Dichas capas de material tienden a ser demasiado gruesas para los procesos de tratamiento convencionales para proporcionar el alivio de tensión deseado. En el método y aparato descritos anteriormente, se suministra más energía a la herramienta de granallado, proporcionando así una deformación mucho más profunda (trabajo en frío). Un ejemplo de un método AM que tiene una alta tasa de deposición es un proceso de fabricación mediante alambre y arco (WAAM).
Ventajosamente, el aparato descrito anteriormente puede usarse para aplicar el tratamiento de impacto a partes que tienen geometrías relativamente complejas. Tener las herramientas de tratamiento de impacto que pueden controlarse independientemente, montadas en brazos robóticos articulados, y que tienen brocas que tienen puntas relativamente pequeñas tiende a permitir un tratamiento de impacto dirigido. Por lo tanto, el tratamiento de impacto descrito anteriormente puede aplicarse localmente a una parte. Esto tiende a ser particularmente ventajoso al reparar objetos usando un proceso AM, ya que es posible aplicar un alivio de tensión y una modificación del tamaño de grano solamente en el sitio de reparación y dejar el resto del objeto no tratado. Muchos procesos de tratamiento convencionales, tales como el proceso de laminación, tienden a no ser apropiados para partes que tienen geometrías complejas, y tienden solo a ser apropiadas para partes que tienen geometrías planas relativamente simples.
En las realizaciones anteriores, los medios de alivio de tensión incluyen dos herramientas de tratamiento de impacto hidráulico para aplicar el tratamiento de impacto a la pieza de trabajo. Sin embargo, en otras realizaciones, se puede usar un número diferente de herramientas de tratamiento de impacto hidráulico. Por ejemplo, pueden usarse tres o más herramientas de tratamiento de impacto hidráulico. Pueden usarse múltiples herramientas para impactar secuencialmente con un punto común en la superficie de la pieza de trabajo, uno después del otro. Por lo tanto, aumentar el número de herramientas de tratamiento permite aumentar la frecuencia del tratamiento de impacto. En particular, el uso de N herramientas de tratamiento permite un tratamiento de impacto que tiene una frecuencia de N veces la frecuencia de funcionamiento de las herramientas de tratamiento a aplicar. Además, controlando múltiples herramientas de tratamiento de impacto para afectar simultáneamente a la pieza de trabajo sobre diferentes superficies respectivas que se conectan a lo largo de un borde, se puede mitigar la distorsión no deseada de la parte próxima a ese borde, y también se puede mejorar la efectividad del tratamiento de impacto.
En algunas realizaciones, una herramienta de tratamiento puede incluir múltiples cabezales (es decir, múltiples brocas) para impactar con la pieza de trabajo. Estas múltiples cabezas pueden controlarse independientemente.
En algunas realizaciones, se proporcionan múltiples cabezales de tratamiento (es decir, múltiples brocas) mediante una o más herramientas de tratamiento y se disponen en una matriz. Cada cabezal de tratamiento en la matriz puede controlarse independientemente, y el funcionamiento de cada uno puede programarse en términos de temporización con respecto a otros cabezales de tratamiento, y la fuerza aplicada a la pieza de trabajo. Esto permite un tratamiento más eficaz de una superficie, particularmente cuando la superficie a tratar tiene un perfil complejo.
En las realizaciones anteriores, las herramientas de tratamiento de impacto se accionan hidráulicamente. Sin embargo, en otras realizaciones, una o más de las herramientas de tratamiento son accionadas por un sistema de conversión de energía diferente en lugar de o además de ser accionadas hidráulicamente, por ejemplo, una herramienta de tratamiento puede ser accionada electromagnética, ultrasónica o neumáticamente.
En las realizaciones anteriores, la estación de tratamiento está compuesta por múltiples dispositivos separados, a saber: un dispositivo de deposición de material que comprende el láser y el sistema de suministro de polvo, un dispositivo de enfriamiento (es decir, la boquilla de enfriamiento forzado) y dos herramientas de tratamiento de impacto hidráulico. En otras realizaciones, dos o más de los dispositivos que forman la estación de tratamiento pueden proporcionarse como un dispositivo único combinado. Por ejemplo, en alguna realización, una herramienta de tratamiento de impacto hidráulicos y el dispositivo de deposición de material (y/o el dispositivo de enfriamiento) pueden ser efectores finales de un brazo de robot común. Esto tiende a reducir el coste y el volumen del equipo de la estación de tratamiento.
En las realizaciones anteriores, una perla depositada está en un estado completamente enfriado, cristalizado, para antes del tratamiento de impacto que se está iniciando. Sin embargo, alternativamente (y fuera del alcance de la invención), el tratamiento de impacto se inicia antes de que la perla depositada se enfríe completamente. Por ejemplo, en algunas realizaciones, las operaciones de construcción y la operación de tratamiento de impacto se realizan simultáneamente en regiones remotas de la pieza de trabajo.
En las realizaciones anteriores, la broca es una broca con forma de cincel, que tiene un borde rectangular plano de dimensiones de 12 mm por 3 mm. Sin embargo, en otras modalidades, una o más de las brocas pueden tener un tamaño y una forma diferentes. Preferentemente, la longitud de la punta de la broca es mayor o igual que la anchura de una perla de material depositada.
La Figura 5 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra múltiples formas alternativas para la sección transversal del extremo de una broca que puede usarse en algunas realizaciones. Una primera sección transversal de una punta de broca 50 tiene forma rectangular. Una segunda sección transversal de una punta de broca 52 tiene forma circular. Una tercera sección transversal de una punta de broca 54 tiene forma hexagonal. Una cuarta sección transversal de una punta de broca 56 tiene forma de diamante. La punta de una broca puede tener la forma de un polígono diferente en lugar de un rectángulo, un hexágono o un diamante, tal como un octágono. Una quinta sección transversal de una punta de broca 58 tiene una forma curva. Una sexta sección transversal de una punta de broca 60 tiene forma de L. En alguna realización, las brocas que tienen extremos rebajados, tales como la quinta y sexta broca 58, 60 pueden usarse para impactar en múltiples superficies de una pieza de trabajo al mismo tiempo. Por ejemplo, la sexta broca en forma de L 60 puede usarse para impactar en la primera región de impacto 36 y la segunda región de impacto 38 al mismo tiempo a lo largo del borde 34 de la pieza de trabajo 1 mostrada en la Figura 4 y descrita con más detalle anteriormente.
El uso de cabezales de tratamiento que tienen diferentes formas de punta y tamaños permite ventajosamente diferentes tipos de tratamiento de impacto y diferente cobertura de la superficie a tratar, ya que cada herramienta produce una hendidura diferente cuando impacta en la superficie que se desea tratar.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Un método para formar un objeto mediante fabricación de capa aditiva, comprendiendo el método:
    a) aplicar, mediante una fuente de calor, calor a una parte de una superficie de una pieza de trabajo suficiente para fundir dicha parte;
    b) añadir material a la porción fundida y mover la fuente de calor con respecto a la pieza de trabajo progresivamente para formar una capa de material en la pieza de trabajo;
    c) enfriar la capa formada por un dispositivo de enfriamiento forzado para llevar al menos parte de la capa a un estado cristalizado, produciendo así una pieza de trabajo modificada;
    d) usar una pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto controlables independientemente para golpear la pieza de trabajo modificada para deformar plásticamente al menos parte de la capa; y repetir los pasos a) a d) según sea necesario para formar el objeto;
    en donde la pieza de trabajo modificada comprende una primera superficie y una segunda superficie, siendo la primera superficie perpendicular a la segunda superficie; y
    en donde el paso de golpeo comprende la pluralidad de dispositivos de tratamiento por impacto que golpean simultáneamente una región de la primera superficie y una región de la segunda superficie.
  2. 2. Un método según la reivindicación 1, en donde la región en la primera superficie y la región en la segunda superficie son regiones contiguas.
  3. 3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en donde al menos uno de la pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto controlables independientemente es una herramienta de tratamiento de impacto hidráulico.
  4. 4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada dispositivo de tratamiento de impacto golpea la pieza de trabajo modificada con una frecuencia de hasta 20 Hz.
  5. 5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la capa de material formado en la pieza de trabajo tiene un espesor de 2 mm a 3 mm, y el método de fabricación aditiva es un alambre y una fabricación de arco.
  6. 6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde al menos un dispositivo de tratamiento de impacto comprende un elemento de golpeo con el que se golpea la pieza de trabajo modificada, seleccionándose la forma del elemento de golpeo del grupo de formas: rectangular, forma de cincel y forma de L.
  7. 7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto controlables independientemente se disponen como una matriz.
  8. 8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde al menos uno de los dispositivos de tratamiento de impacto está acoplado a un brazo de robot articulado.
  9. 9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde un dispositivo de tratamiento de impacto y la fuente de calor son efectores extremos de un brazo de robot articulado común.
  10. 10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde un dispositivo de tratamiento de impacto y la fuente de calor son efectores extremos de un brazo de robot articulado común.
  11. 11. Aparato de fabricación de capas aditivas para formar un objeto, comprendiendo el aparato:
    una fuente de calor configurada para aplicar calor a una parte de una superficie de una pieza de trabajo suficiente para fundir dicha parte, estando la fuente de calor configurada además para moverse con respecto a la pieza de trabajo;
    medios de suministro de material configurados para añadir material a la parte fundida, por lo que formar una capa de material en la pieza de trabajo;
    un dispositivo de enfriamiento forzado configurado para enfriar la capa formada para llevar al menos parte de la capa a un estado cristalizado, produciendo así una pieza de trabajo modificada; y una pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto controlables independientemente configurados para pegar la pieza de trabajo modificada para deformar plásticamente al menos parte de la capa, en donde la pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto controlables independientemente están configurados además para golpear simultáneamente una región en una primera superficie y una región en una segunda superficie de la pieza de trabajo modificada, siendo la primera superficie perpendicular a la segunda superficie.
  12. 12.Un medio legible por ordenador que tiene instrucciones ejecutables por ordenador adaptadas para hacer que el aparato de fabricación aditiva de la reivindicación 11 funcione según el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
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