ES2957633T3 - Proceso de fabricación aditiva - Google Patents

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Abstract

Aparato de fabricación aditiva para fabricar un objeto tridimensional, comprendiendo el aparato: medios para dirigir energía sobre una superficie de crecimiento de una pieza de trabajo para formar sobre la misma un charco de fusión líquido; medios para alimentar material adicional al baño de fusión para hacer que el material adicional se incorpore al líquido del baño de fusión; y medios para enfriar criogénicamente la piscina de fusión líquida, para lograr de este modo una velocidad de enfriamiento de la piscina de fusión líquida de al menos 100°C por segundo y hacer que la piscina de fusión líquida se solidifique. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de fabricación aditiva
Campo de la invención
La presente invención se refiere a procesos de fabricación aditiva.
Antecedentes
La fabricación aditiva basada en alambre, también conocida como fabricación de aditivos alimentados con alambre incluye, por ejemplo, fabricación aditiva de arco de alambre (WAAC) y fabricación aditiva láser (LAM). WAAM es la deposición de metal, a través de un proceso de soldadura por fusión, como la soldadura por arco de plasma o la soldadura por arco de tungsteno con gas, sobre un sustrato preexistente que permite construir una pieza tridimensional. La tecnología es aplicable, por ejemplo, a aleaciones metálicas tales como titanio y aluminio. LAM es un proceso análogo a WAAM, por lo que el metal se deposita mediante un proceso de soldadura por láser.
En un campo separado, para aleaciones de aluminio de grado aeroespacial, la norma es aplicar un tratamiento térmico en solución y un proceso de endurecimiento por envejecimiento que implica, en primer lugar, una operación de tratamiento de solución que comprende calentar a alta temperatura (aproximadamente 500 °C) y enfriar rápidamente mediante enfriamiento rápido en agua fría (con o sin aditivo de polialquilenglicol), y luego aplicar un proceso de endurecimiento por envejecimiento. El proceso de tratamiento de solución crea lo que se conoce como una “ solución sólida supersaturada” de elementos de aleación distribuidos aleatoriamente dentro de la matriz de aluminio. El proceso de endurecimiento por envejecimiento (también denominado “ endurecimiento por precipitación” ) aumenta la resistencia de la aleación al promover la formación de precipitados de la solución sólida supersaturada por la difusión de átomos de soluto (las adiciones de aleación) dispersos en el disolvente (la matriz de aluminio). El proceso de endurecimiento por envejecimiento comprende típicamente la exposición de la aleación a una temperatura intermedia, significativamente menor que la usada para el tratamiento de la solución, durante un período de tiempo. La temperatura de endurecimiento por envejecimiento puede variar desde temperatura ambiente (típicamente de 15 °C a 30 °C) a típicamente, pero no se limita a, 200 °C. Como la reacción de precipitación es un proceso que implica la difusión de átomos, las duraciones son generalmente más largas cuando se usan temperaturas más bajas, y más cortas cuando se usan temperaturas más altas. A temperatura ambiente (conocido como “ envejecimiento natural” ), el proceso normalmente tomará varios días para alcanzar una conclusión y la resistencia lograda tenderá a no ser la máxima posible. El envejecimiento natural se usa a menudo cuando son deseables altos niveles de tenacidad a la fractura. Sin la doble aplicación del tratamiento de solución y el endurecimiento por envejecimiento, la resistencia de las aleaciones de aluminio es generalmente muy baja y sin mérito estructural.
La operación de enfriamiento rápido incluida dentro del proceso de tratamiento de solución tiende a ser altamente disruptiva para las partes formadas. Tiende a ocurrir una distorsión sustancial y existe el potencial de crear niveles muy altos de tensiones residuales. La fabricación tradicional de productos de aluminio tratados térmicamente tiene que superar los problemas de distorsión y tensión residual, incluyendo medios de control de la distorsión y alivio de la tensión. Por ejemplo, la placa de aluminio normalmente se somete a un “ estiramiento controlado” después del tratamiento con solución. Esto implica estirar la placa a lo largo del eje longitudinal para impartir entre el 2 % y el 3 % de deformación permanente (alargamiento). Esto tiende a reducir o eliminar la distorsión asociada con el enfriamiento rápido y también reduce las tensiones residuales internas que resultan en una carcasa exterior que está en tensión de compresión residual y una región interior de equilibrio que está en tensión de tracción residual. El nivel de tensión es una función del límite elástico y el punto de fluencia cuando se aplica el estiramiento. Al estimular que el estiramiento se realice tan pronto como sea posible después del tratamiento con solución, el grado de envejecimiento natural que se produce antes del estiramiento es limitado y, por lo tanto, los niveles de tensión se minimizarán. El estiramiento controlado de la placa requiere, de forma típica, que la sección transversal de la placa sea uniforme y que el área de sección transversal total esté dentro de los límites de fuerza de la máquina de estiramiento disponible. Para productos de placas anchas, la capacidad del extensor limitará el espesor máximo.
Otro ejemplo de gestión de las tensiones debidas al tratamiento térmico en solución incluye el uso de la compresión en frío de piezas forjadas después del tratamiento térmico en solución. Este aspecto tiende a limitar severamente la capacidad de producir grandes piezas forjadas de aleación de aluminio. Las máquinas de forja más grandes tienen típicamente límites de tonelaje máximo entre aproximadamente 50000 y 80000 toneladas e incluso a esta capacidad, el tamaño de las piezas forjadas que se pueden hacer es algo limitado.
Los procesos de fabricación aditiva basados en alambre para aleaciones de aluminio y aluminio permanecen en una fase de desarrollo, y han usado tradicionalmente tipos de aleación convencionales. El alambre de soldadura se deriva típicamente de lo que se conoce como la ruta de “ metalurgia de lingotes” . Aquí es donde la aleación se funde primero mediante procesos de fusión convencionales en un lingote grande y luego se lamina en caliente o se extruye en caliente a un tamaño de producto manejable antes de finalmente estirarse en frío en alambre.
En un campo separado, se usa el Rapid Solidificaron Processing (Procesamiento de Solidificación Rápida - RSP) para formar composiciones más altamente aleadas. RSP tiende a implicar velocidades de solidificación muy rápidas (RSR) de la etapa fundida de una aleación. Las aleaciones de aluminio fabricadas por este RSP (es decir, aleaciones RSR basadas en aluminio) podrían contener típicamente niveles muy altos de hierro y/o cromo y tienen un rendimiento de temperatura y resistencia a la corrosión elevados. Sin embargo, la ruta de fabricación RSP tiende a no ser económica para la mayoría de las aplicaciones.
El documento WO 2016/092253, en el que se basa el preámbulo de la reivindicación 1, describe un método y un aparato para formar un objeto mediante fabricación de capas aditivas. El método comprende: a) aplicar, mediante una fuente de calor, calor a una porción de una superficie de una pieza de trabajo suficiente para fundir dicha porción; 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 para llevar al menos parte de la capa a un estado de cristalización, produciendo así una pieza de trabajo modificada; d) granallar, usando una pluralidad de dispositivos de tratamiento de impacto controlables independientemente, la pieza de trabajo modificada para deformar plásticamente la al menos parte de la capa; y repetir las etapas a) a d) según sea necesario para formar el objeto.
Resumen de la invención
Los presentes inventores se han dado cuenta de que, una necesidad de tratar con calor aluminio y aleaciones de aluminio tiende a ser una barrera principal a la adopción más amplia del proceso de fabricación aditiva basado en alambres (tal como WAAM o LAM) para aluminio. Los presentes inventores se han dado cuenta de que sería deseable solucionar el tratamiento térmico de la parte de aleación de aluminio durante su formación mediante fabricación aditiva basada en alambre.
Los presentes inventores se han dado cuenta además de que sería deseable proporcionar un proceso que permita producir composiciones más altamente aleadas de lo que sería posible mediante metalurgia de lingotes. Los presentes inventores se han dado cuenta además de que es deseable un RSP rentable adecuado para producir más fácilmente composiciones altamente aleadas.
En un primer aspecto, la presente invención proporciona el método como se describe en las reivindicaciones adjuntas.
La presente descripción también proporciona un aparato de fabricación aditiva para fabricar un objeto tridimensional. El objeto puede formarse a partir de una aleación de grado RSR. El aparato comprende: medios para dirigir energía sobre una superficie de crecimiento de una pieza de trabajo para formar sobre la misma un grupo fundido líquido; medios para alimentar material adicional (por ejemplo, en forma de un alambre) en el grupo fundido para hacer que el material adicional se incorpore al líquido del grupo fundido; y medios para enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido, para lograr así una velocidad de enfriamiento del grupo fundido líquido de al menos aproximadamente 100 °C por segundo y para hacer que el grupo fundido líquido se solidifique.
La velocidad de enfriamiento del grupo fundido líquido puede ser de al menos aproximadamente 1000 °C por segundo. La velocidad de enfriamiento del grupo fundido líquido puede ser de al menos aproximadamente 10.000 °C por segundo.
Los medios para enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido se pueden disponer para enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido después de la incorporación del material adicional en el líquido del grupo fundido, haciendo de este modo que el grupo fundido líquido con el material adicional incorporado en el mismo se solidifique.
Los medios para enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido pueden comprender medios para suministrar refrigerante criogénico directamente al grupo fundido líquido.
El refrigerante criogénico puede tener una temperatura de aproximadamente -50 °C o inferior. El refrigerante criogénico puede tener una temperatura de aproximadamente -150 °C o inferior. El refrigerante criogénico puede ser un líquido o gas criogénico. El refrigerante criogénico puede seleccionarse de un grupo que consiste en argón líquido, helio líquido, nitrógeno líquido y dióxido de carbono líquido.
Los medios para alimentar material adicional al grupo fundido pueden ser un medio para alimentar un alambre en el grupo fundido.
El material adicional puede ser aluminio o una aleación de aluminio.
El material adicional puede ser una aleación que se ha formado por el procesamiento de velocidad de solidificación rápida, RSR. El material adicional puede ser una aleación de grado RSR.
El aparato de fabricación aditiva puede comprender además medios para mantener un entorno de baja temperatura en el que ubicar la pieza de trabajo. El entorno de baja temperatura puede tener una temperatura igual o inferior a aproximadamente -40 °C. El aparato de fabricación aditiva puede comprender además un aparato de mecanizado para mecanizar la pieza de trabajo dentro del entorno de baja temperatura.
El aparato de fabricación aditiva puede ser para fabricar un objeto tratado por calor en solución.
La presente descripción también proporciona un método de fabricación aditiva para fabricar un objeto tridimensional. El método comprende: dirigir energía sobre una superficie de crecimiento de una pieza de trabajo para formar sobre la misma un grupo fundido líquido; alimentar material adicional en el grupo fundido para hacer que el material adicional se incorpore al líquido del grupo fundido; y enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido, para lograr así una velocidad de enfriamiento del grupo fundido líquido de al menos aproximadamente 100 °C por segundo y para hacer que el grupo fundido líquido se solidifique.
La presente descripción también proporciona un aparato de fabricación aditiva para fabricar un objeto tridimensional, comprendiendo el aparato: medios para dirigir energía sobre una superficie de crecimiento de una pieza de trabajo para formar sobre el mismo un grupo fundido líquido; medios para alimentar material adicional en el grupo fundido para hacer que el material adicional se incorpore al líquido del grupo fundido; y medios para enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido, haciendo de este modo que el grupo fundido líquido se solidifique.
Los medios para enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido se pueden disponer para enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido después de la incorporación del material adicional en el líquido del grupo fundido, haciendo de este modo que el grupo fundido líquido con el material adicional incorporado en el mismo se solidifique. Los medios para enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido pueden comprender medios para suministrar refrigerante criogénico directamente al grupo fundido líquido. El refrigerante criogénico puede tener una temperatura de aproximadamente -50 °C o menos, o aproximadamente -100 °C o menos, o aproximadamente -150 °C o menos. El refrigerante criogénico puede ser un líquido o gas criogénico. El refrigerante criogénico puede seleccionarse de un grupo que consiste en argón líquido, helio líquido, nitrógeno líquido y dióxido de carbono líquido.
Los medios para alimentar material adicional en el grupo fundido pueden ser un medio para alimentar un alambre fuente en el grupo fundido. El material adicional puede ser aluminio o una aleación de aluminio. El material adicional puede ser una aleación formada por procesamiento de rapid solidification rate (velocidad de solidificación rápida -RSR).
El aparato de fabricación aditiva puede ser para fabricar un objeto tratado por calor en solución.
La presente descripción también proporciona un método de fabricación aditiva para fabricar un objeto tridimensional, comprendiendo el método: dirigir energía sobre una superficie de crecimiento de una pieza de trabajo para formar sobre la misma un grupo fundido líquido; alimentar material adicional en el grupo fundido para hacer que el material adicional se incorpore al líquido del grupo fundido; y enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido, haciendo de este modo que el grupo fundido líquido se solidifique.
La presente descripción también proporciona un aparato de fabricación aditiva para fabricar un objeto tridimensional, comprendiendo el aparato: medios para dirigir energía sobre una superficie de crecimiento de una pieza de trabajo para formar sobre el mismo un grupo fundido líquido; medios para alimentar material adicional en el grupo fundido para hacer que el material adicional se incorpore al líquido del grupo fundido; y medios para suministrar refrigerante criogénico directamente al grupo fundido líquido, haciendo de este modo que el grupo fundido líquido se solidifique.
La presente descripción también proporciona un aparato para formar productos metálicos alargados, comprendiendo el aparato: un canal de fundición alargado; medios para suministrar metal fundido al canal de fundición; y medios para enfriar criogénicamente el canal de fundición para solidificar el metal fundido en el canal de fundición.
El medio para suministrar el metal fundido al canal de fundición puede configurarse para suministrar el metal fundido a presión positiva al canal de fundición de la fuente.
Los medios para enfriar criogénicamente el canal de fundición pueden comprender medios para suministrar refrigerante criogénico al canal de fundición. El refrigerante criogénico puede tener una temperatura de aproximadamente -50 °C o menos, o aproximadamente -100 °C o menos, o aproximadamente -150 °C o menos. El refrigerante criogénico puede seleccionarse de un grupo que consiste en argón líquido, helio líquido, nitrógeno líquido y dióxido de carbono líquido.
El canal de fundición puede comprender una parte cónica. El canal de fundición puede comprender un tubo de cobre.
El metal fundido puede ser aluminio o una aleación de aluminio. El aparato puede ser para formar productos metálicos mediante procesamiento de rapid solidification rate (velocidad de solidificación rápida - RSR). El metal fundido puede ser una aleación o composición RSR.
El aparato puede comprender un carrete para recoger el producto metálico alargado.
La presente descripción también proporciona un método para formar productos metálicos alargados, comprendiendo el método: proporcionar un canal de fundición alargado; suministrar metal fundido al canal de fundición; y enfriar criogénicamente el canal de fundición para solidificar el metal fundido en el canal de fundición.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra un aparato de fabricación aditiva basado en alambre; y
la Figura 2 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra un aparato de producción de alambre.
Descripción detallada
La Figura 1 es una ilustración esquemática (no a escala) que muestra una realización de un aparato 2 de fabricación aditiva a base de alambre. El aparato de fabricación aditiva basado en alambre es un aparato WAAM.
El aparato 2 de fabricación aditiva a base de alambre comprende un proveedor de alambre 4, un electrodo 6 y un proveedor de refrigerante 8. En funcionamiento, el proveedor de alambre 4 alimenta un alambre de metal 10 a un punto 11 sobre o próximo a una superficie superior de una pieza de trabajo o placa base de metal 12. Además, se forma un arco eléctrico 14 entre el electrodo 6 y la pieza de trabajo metálica 12 y/o el alambre 10 en el punto 11, calentando y fundiendo así el alambre 10 y la pieza de trabajo 12 en el punto 11 y uniendo el alambre 10 y la pieza de trabajo 12. Por lo tanto, el material del alambre 10 se deposita sobre la pieza de trabajo 12.
Al mismo tiempo que el proceso de soldadura descrito anteriormente para soldar el alambre 10 a la pieza de trabajo 12, el proveedor de refrigerante 8 suministra refrigerante 16 directamente al material de alambre fundido/pieza de trabajo en o próximo al punto 11. Por lo tanto, el aparato de fabricación aditiva a base de alambre 2 emplea, directamente como parte del proceso WAAM, un enfriamiento rápido muy eficaz usando, en esta realización, una pulverización de refrigerante líquido o gaseoso 16, tal como, pero limitado a, nitrógeno, argón, dióxido de carbono o helio. El pulverizador de refrigerante 16 se dirige inmediatamente sobre o adyacente a (por ejemplo, en el lado del borde de salida de) el material fundido (es decir, la soldadura 11), y de manera que no interfiera con el proceso de soldadura. En esta realización, el refrigerante se aplica directamente al material líquido.
En esta realización, el pulverizador de refrigerante 16 se dirige a través de la misma trayectoria que se usa convencionalmente para aplicar un gas de blindaje en un proceso convencional de soldadura por plasma. Por ejemplo, en esta realización, el gas de protección de un aparato convencional de fabricación aditiva basado en alambre puede ser reemplazado por el refrigerante 16 en la presente invención. Alternativamente o además, los medios de enfriamiento criogénico rápido podrían dirigirse desde una boquilla separada o adicionalmente desde una boquilla separada.
En esta realización, el refrigerante 16 es un líquido o gas criogénico. Preferentemente, el refrigerante 16 se aplica al metal fundido y tiene una temperatura de aproximadamente -150 °C o menos, aproximadamente -200 °C o menos o aproximadamente -250 °C o menos. En algunas realizaciones, el refrigerante 16 puede tener una temperatura superior a aproximadamente -150 °C, por ejemplo, una temperatura entre aproximadamente -100 °C y aproximadamente -150 °C, o entre aproximadamente -100 °C y aproximadamente -50 °C.
En esta realización, la propia soldadura se mantiene suficientemente fina para minimizar el tamaño del grupo de soldadura con el objetivo de mantener el área de metal fundido y la zona caliente circundante a un mínimo. Esto puede lograrse, por ejemplo, o facilitarse mediante el uso de un alambre que tiene un diámetro de aproximadamente 2 mm o menos, o preferentemente aproximadamente 1,5 mm o menos, o más preferentemente aproximadamente 1 mm o menos.
Ventajosamente, el proceso descrito tiende a lograr un tratamiento térmico en solución in situ.
Ventajosamente, la velocidad de enfriamiento para la soldadura 11 que se logra tiende a ser suficiente para que un proceso RSR se ejecute con éxito. Se logra una velocidad de enfriamiento de al menos aproximadamente 1.000 °C por segundo, y preferentemente mucho más rápida. Por ejemplo, la velocidad de enfriamiento puede estar entre aproximadamente 1.000 °C/s y aproximadamente 10.000 °C/s (por ejemplo aproximadamente 2.000 °C/s, aproximadamente 3.000 °C/s, aproximadamente 4.000 °C/s, aproximadamente 5.000 °C/s, aproximadamente 6.000 °C/s, aproximadamente 7.000 °C/s, aproximadamente 8.000 °C/s, aproximadamente 9.000 °C/s, o aproximadamente 10.000 °C/s), o hasta 104 °C por segundo. Sin embargo, (y no en el método de la presente invención) algunas aleaciones RSR pueden formarse mediante el uso de velocidades de enfriamiento más lentas, por ejemplo, aproximadamente 100 °C/s, aproximadamente 200 °C/s, aproximadamente 300 °C/s, aproximadamente 400 °C/s, aproximadamente 500 °C/s, aproximadamente 600 °C/s, aproximadamente 700 °C/s, aproximadamente 800 °C/s, o aproximadamente 900 °C/s. Por ejemplo, tiende a ser posible formar aleaciones<r>S<r>de aluminiomagnesio-escandio con un alto contenido de escandio a una velocidad de enfriamiento sustancialmente más lenta, por ejemplo, una velocidad de enfriamiento de 100 °C por segundo puede ser suficiente para formar una solución sólida sobresaturada con 0,7 % en peso de Sc.
Convencionalmente, la velocidad de enfriamiento para el tratamiento térmico es típicamente menor que la RSR. Sin embargo, ventajosamente, mediante el uso del sistema y método descritos anteriormente, el procesamiento RSR tiende a lograrse mediante la fusión local y el enfriamiento directo rociando líquido o gas de enfriamiento 16 (por ejemplo, líquido criogénico o gas) directamente sobre el metal fundido 11 antes de que pueda producirse la solidificación. En otras palabras, ventajosamente, usando el sistema y los métodos descritos anteriormente, las velocidades de enfriamiento suficientemente rápidas para proporcionar el procesamiento RSR tienden a ser alcanzables.
En algunas realizaciones, el enfriamiento descrito anteriormente se aumenta al operar todo el proceso de fabricación aditiva en un entorno frío (por ejemplo, un entorno por debajo de aproximadamente -40 °C). Al hacerlo, la pieza de trabajo que se suelda tiende a proporcionar también un disipador de calor y, por lo tanto, tiende a hacer que las velocidades de enfriamiento deseadas sean más fáciles de lograr. El tamaño de cualquier zona afectada por el calor también tiende a reducirse.
En algunas realizaciones, se puede aplicar enfriamiento adicional a la pieza de trabajo en o próximo a la pieza de trabajo. Por ejemplo, se puede aplicar un enfriamiento adicional (por ejemplo, mediante pulverización de líquido criogénico o gas) a la pieza de trabajo, por ejemplo en una superficie de la pieza de trabajo opuesta a la superficie sobre la cual se forma el grupo de soldadura 11. Preferentemente, dicho enfriamiento adicional se aplica directamente en oposición al punto 11.
El proceso de fabricación aditiva basada en alambre y tratamiento térmico en solución in situ también se puede combinar con otros procesos tales como alivio de tensión mediante trabajo mecánico en frío. Esto podría tomar la forma de estiramiento o granallado (por ejemplo “ dengling” , granallado por disparo o granallado con cincel hidráulico). Además o en lugar de procesos de alivio de tensión, el mecanizado, por ejemplo, usando un robot o sistema de pórtico, podría llevarse a cabo como un proceso alineado con la parte que se deposita y mecaniza mientras está dentro de la misma instalación de máquina con mecanizado potencialmente seguido de una fabricación aditiva más a base de alambre, etc. La fabricación aditiva basada en alambre también se puede combinar con el aspecto de granallado. Además, el mecanizado tendería a ser realizado en un entorno de baja temperatura (preferentemente criogénico). Esto tendería a reducir o eliminar la necesidad de refrigerantes líquidos (que tienden a introducir un riesgo de contaminación) durante el mecanizado. Además, el proceso de mecanizado tiende a facilitarse mediante la realización en un entorno de baja temperatura debido al fortalecimiento temporal asociado con la baja temperatura del metal, y observando que de otra manera la aleación de aluminio puede ser bastante blanda y difícil de mecanizar debido a su suavidad.
En algunas realizaciones, una vez que se ha formado una pieza por el proceso de fabricación aditiva basado en alambre, incluido el tratamiento en solución in situ, y con la opción de mecanizarse como parte del proceso de fabricación aditiva o para el mecanizado a realizar posteriormente, se realiza un endurecimiento por envejecimiento por precipitación. Esto puede tomar la forma de envejecimiento natural, por ejemplo, en la emergencia de las condiciones de baja temperatura del proceso de fabricación aditiva basado en alambre, o endurecimiento por envejecimiento artificial usando un proceso de temperatura elevada (por ejemplo, a aproximadamente 160 °C a aproximadamente 190 °C). En algunos casos, por ejemplo, para el caso de una aleación de grado RSR, la temperatura de endurecimiento por envejecimiento probablemente será sustancialmente mayor que para los casos en los que se suministra un alambre por la ruta de metalurgia de lingotes, y las temperaturas superiores a aproximadamente 300 °C (por ejemplo, 325 °C - 350 °C) pueden implementarse para el endurecimiento por envejecimiento.
Ventajosamente, cuando se usan aleaciones RSR, la mayor resistencia a la temperatura de la aleación RSR tiende a hacer cualquier zona afectada por el calor del proceso de soldadura mucho más pequeña en comparación con cuando se usan aleaciones de aluminio preparadas por una ruta convencional de metalurgia de lingotes. El uso de temperaturas más altas para el endurecimiento por envejecimiento de las aleaciones de RSR tiende a proporcionar un nivel mejorado de alivio de tensión y puede verse como una ventaja potencial del proceso, así como también proporcionar propiedades mecánicas y/o de temperatura mejoradas.
En algunas realizaciones, el mecanizado de una pieza se realiza fuera de la cámara de fabricación aditiva a base de alambre. En tales casos, el mecanizado puede realizarse después del endurecimiento por envejecimiento ya que el producto tenderá a ser más estable dimensionalmente en esta condición, así como ser más fácil de mecanizar (por ejemplo, como resultado de su condición más dura).
Convencionalmente, la fabricación de un grado de alambre de soldadura RSR (por ejemplo, un alambre hecho de aleación de aluminio de grado RSR) tiende a ser extremadamente difícil y cara. Muchas aleaciones RSR tienden a no ser capaces de fundirse usando técnicas tradicionales y normalmente se producen mediante un proceso conocido como “ hilado por fusión” donde el metal fundido se gotea sobre un disco giratorio. La masa fundida se impulsa a continuación tangencialmente a alta velocidad del disco en una forma de cinta y se enfría de esa forma. A continuación, la cinta se corta y se compacta mediante prensado isostático en caliente para su posterior procesamiento. Esta tiende a ser una ruta de producción costosa.
Lo que se describirá ahora es un aparato y proceso para la producción de un alambre de aleación de grado RSR para su uso en soldadura por fusión. En algunas realizaciones, el alambre de aleación de grado RSR producido se usa en el proceso de fabricación aditiva basado en alambres anteriormente descrito.
La Figura 2 es una ilustración esquemática que muestra el aparato de producción de alambre de grado RSR 20. El aparato de producción de alambre de grado RSR 20 comprende un suministro de aleación RSR fundido 22 y un bloque de troquel 24 que comprende un tubo 26 y un manguito de enfriamiento 28 que rodea el tubo 26.
Se forma un alambre de soldadura 10 hecho de una composición RSR directamente a partir de la aleación 22 RSR fundida inyectando la aleación 22 RSR fundida bajo presión en el bloque de troquel enfriado 24. Preferentemente, esta presión es suficiente para lograr una velocidad de salida del alambre 10 que logra la velocidad de enfriamiento deseada. Esta presión puede depender de la aplicación y puede depender del parámetro que incluye, pero no se limita al diseño del orificio del tubo 26 y la viscosidad del material fundido.
La aleación de RSR fundida 22 se inyecta a través de un orificio fino del tubo 26. El tubo 26 se enfría por su longitud por el manguito de enfriamiento 28. El orificio del tubo 26 puede ser del orden de, por ejemplo, un agujero de 1 mm de diámetro, y puede incluir un cono estrechado para asegurar un contacto íntimo del material solidificante con el interior del bloque de troquel 24. Por lo tanto, el diámetro del alambre 10 producido puede ser de 1 mm o menos. La longitud del tubo 26 puede diseñarse para proporcionar una velocidad de enfriamiento predeterminada durante el intervalo de temperatura de solidificación (incluyendo cualquiera bajo enfriamiento). Se puede esperar que este intervalo de temperatura de solidificación sea del orden de aproximadamente 200 °C, con una velocidad de enfriamiento diana de aproximadamente 100 °C por segundo o menos sobre la longitud del tubo 26. Preferentemente, la velocidad de enfriamiento diana es mayor o igual a aproximadamente 100 °C/s, por ejemplo, aproximadamente 100 °C/s, aproximadamente 200 °C/s, aproximadamente 300 °C/s, aproximadamente 400 °C/s, aproximadamente 500 °C/s, aproximadamente 600 °C/s, aproximadamente 700 °C/s, aproximadamente 800 °C/s, aproximadamente 900 °C/s, o aproximadamente 1.000 °C/s. Con mayor preferencia, la velocidad de enfriamiento diana es al menos aproximadamente 1000 °C/s, por ejemplo, entre aproximadamente 1000 °C/s y aproximadamente 10.000 °C/s (por ejemplo, aproximadamente 2.000 °C/s, aproximadamente 3.000 °C/s, aproximadamente 4.000 °C/s, aproximadamente 5.000 °C/s, aproximadamente 6.000 °C/s, aproximadamente 7.000 °C/s, aproximadamente 8.000 °C/s, aproximadamente 9.000 °C/s, o aproximadamente 10.000 °C/s), o hasta aproximadamente 104 °C por segundo.
Preferentemente, la velocidad de enfriamiento aplicada a la aleación de RSR 22 por el bloque de troquel enfriado 24 es aproximadamente 102 °C/segundo o más. Más preferentemente, la velocidad de enfriamiento aplicada a la aleación de RSR 22 por el bloque de troquel enfriado 24 es aproximadamente 103 °C/segundo o más. Más preferentemente, la velocidad de enfriamiento aplicada a la aleación de RSR 22 por el bloque de troquel enfriado 24 es aproximadamente 104 °C/segundo o más. La velocidad del cable 10 expulsado del bloque de troquel 24 puede ser del orden de 5 m/s. El cable expulsado 10 puede ser recogido en un carrete.
El bloque de troquel 24 es un intercambiador de calor altamente eficiente. Esto tiende a permitir la extracción de calor a una velocidad suficiente para formar un alambre de aleación de RSR sólido estable 10, mientras que también representa el calor latente de solidificación, así como la reducción de temperatura. Por ejemplo, el tubo 26 puede estar hecho de cobre que tiene una alta conductividad térmica. Preferentemente, el bloque de troquel enfriado 24 es un bloque de troquel refrigerado criogénicamente, es decir, el manguito de enfriamiento 28 enfría el tubo 26 criogénicamente, por ejemplo, usando refrigerante que fluye a través del manguito 28. Este refrigerante puede ser un refrigerante líquido o gaseoso, por ejemplo, pero no se limita a nitrógeno, argón, dióxido de carbono o helio. Preferentemente, el bloque de troquel 24 se enfría a una temperatura de aproximadamente -150 °C o inferior, aproximadamente -200 °C o inferior, o aproximadamente -250 °C o inferior. En algunas realizaciones, el bloque de troquel 24 se enfría a una temperatura que es mayor que aproximadamente 150 °C, por ejemplo, una temperatura entre aproximadamente -100 °C y aproximadamente -150 °C, o entre aproximadamente -100 °C y aproximadamente -50 °C. A modo de ejemplo, el tubo 26 está hecho de cobre y se enfría por nitrógeno líquido a aproximadamente -196 °C o inferior.
Preferentemente, las paredes del tubo 26 son delgadas, facilitando así el enfriamiento de la aleación RSR 22 por el manguito de enfriamiento 28.
El uso de helio líquido tiende a proporcionar la posibilidad de mejorar la conductividad térmica del cobre mediante el uso de lo que se conoce como un grado “ RRR alto” . Este es cobre de alta pureza que, a temperaturas por debajo de 20K exhibe niveles particularmente altos de conductividad térmica que pueden representar aproximadamente una mejora de 20 veces sobre cobre estándar. Mediante el uso de un bloque de troquel 24 enfriado criogénicamente con un orificio fino, tiende a ser posible enfriar el aluminio líquido de una composición RSR suficientemente rápidamente para hacer un alambre de soldadura viable de la clasificación de diámetro útil para el proceso de fabricación aditiva basado en alambre.
El proceso de producción de alambre descrito anteriormente tiende a ser sustancialmente más barato que la alternativa del hilado por fusión, troceado, compactación y HIPing. Ventajosamente, el proceso de producción de alambre descrito anteriormente tiende a no necesitar lograr las velocidades de enfriamiento finales para la recuperación de RSR completa, sino simplemente para permitir que el alambre se realice con suficiente integridad para sobrevivir al bobinado y desbobinado.
La aleación RSR 22 usada puede ser cualquier aleación RSR apropiada tal como una aleación RSR basada en aluminio. El ejemplo de una aleación RSR basada en aluminio incluye, pero no se limita a, aluminio con al menos 8 % de hierro y aleaciones de Al-Mg-Sc-Zr tales como AI-Mg4Sc0.4Zr0.12.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un método de fabricación aditiva basado en alambre para fabricar un objeto tridimensional, comprendiendo el método:
dirigir energía sobre una superficie de crecimiento de una pieza de trabajo (12) para formar sobre la misma un grupo fundido líquido (11);
alimentar material adicional (10) en el grupo fundido para hacer que el material adicional se incorpore al líquido del grupo fundido; y
caracterizado porqueel método comprende además enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido, para lograr de este modo una velocidad de enfriamiento del grupo fundido líquido de al menos 1000 °C por segundo y hacer que el grupo fundido líquido se solidifique y en donde el material adicional es aluminio o una aleación de aluminio.
2. El método de fabricación aditiva según la reivindicación 1, en donde el enfriamiento criogénicamente del grupo fundido líquido es después de la incorporación del material adicional en el líquido del grupo fundido, lo que hace que el grupo fundido líquido con el material adicional incorporado en el mismo se solidifique.
3. El método de fabricación aditiva según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde enfriar criogénicamente el grupo fundido líquido comprende suministrar refrigerante criogénico (16) directamente al grupo fundido líquido.
4. El método de fabricación aditiva según la reivindicación 3, en donde el refrigerante criogénico tiene una temperatura de -50 °C o inferior.
5. El método de fabricación aditiva según la reivindicación 4, en donde el refrigerante criogénico tiene una temperatura de -150 °C o inferior.
6. El método de fabricación aditiva según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en donde el refrigerante criogénico es un líquido o gas criogénico.
7. El método de fabricación aditiva según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde el refrigerante criogénico se selecciona de un grupo que consiste en argón líquido, helio líquido, nitrógeno líquido y dióxido de carbono líquido.
8. El método de fabricación aditiva según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el material adicional es una aleación que se ha formado por el procesamiento de velocidad de solidificación rápida, RSR.
9. El método de fabricación aditiva según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende además mantener un entorno de baja temperatura en el que ubicar la pieza de trabajo, teniendo el entorno de baja temperatura una temperatura igual o inferior a -40 °C.
10. El método de fabricación aditiva según la reivindicación 9, que comprende además mecanizar la pieza de trabajo dentro del entorno de baja temperatura.
11. El método de fabricación aditiva según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde el objeto tridimensional es un objeto tratado por calor en solución.
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