ES2959491T3

ES2959491T3 - Mecanizado asistido por láser de material de chapa

Info

Publication number: ES2959491T3
Application number: ES19785108T
Authority: ES
Inventors: Leonid C Lev; Steffen Mueller
Original assignee: IPG Photonics Corp
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2024-02-26
Anticipated expiration: 2039-04-12
Also published as: US12311462B2; JP2021521013A; EP3765233B1; WO2019200339A1; KR102660364B1; JP7456935B2; US20210162534A1; CN112313030A; PL3765233T3; EP3765233A1; KR20200131911A; EP3765233A4; CN112313030B

Abstract

Un sistema y proceso para fabricar componentes a partir de material en láminas. Varias realizaciones de la divulgación combinan el punzonado de componentes a partir de material en láminas con un proceso de marcado que delinea los componentes antes de la operación de punzonado. Además, se divulga un sistema y proceso donde la porción ranurada del material laminar que incluye el contorno ranurado se somete a un proceso de aplanamiento de alta compresión antes de la operación de punzonado. Realizar la operación de aplanamiento antes de la operación de punzonado tiene el efecto de agilizar el proceso. Es decir, el material en lámina puede manipularse y transportarse fácilmente desde el proceso de rayado, a través del proceso de aplanamiento y hasta el proceso de punzonado sin necesidad de manipular por separado el componente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Mecanizado asistido por láser de material de chapa

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente solicitud se refiere a un método asistido de marcado y a un sistema asistido de marcado según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 16. Un ejemplo de tal método y sistema es divulgado por US 4285754 A.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Una amplia gama de piezas de chapa metálica se fabrica mediante estampación y punzonado a partir de chapa. De forma convencional, la separación entre la matriz y el punzón requiere espacios reducidos, normalmente entre el 5% y el 15% del grosor del material. En el caso de chapas finas, la matriz y el punzón deben mecanizarse dentro de las tolerancias para proporcionar el ajuste requerido.

Además, algunos materiales no son adecuados para el estampado o el punzonado. Un ejemplo de materiales difíciles de estampar o punzonar son los aceros eléctricos, que, debido al desgaste normal de los troqueles y matrices, producirán piezas con una calidad de bordes insatisfactoria o daños (grietas) en la propia chapa. Debido a las elevadas fuerzas que actúan repetidamente sobre las herramientas, la tasa de desgaste de éstas puede ser bastante elevada, por lo que es necesario renovarlas o sustituirlas con frecuencia.

Las estrechas tolerancias requeridas para el estampado de chapas finas, además de la necesidad de renovar o sustituir con frecuencia, hacen que el estampado de ciertos materiales sea insostenible. Un sistema y un método que aborden estos problemas sería bienvenido.

La Patente de los Estados Unidos No. US 4,285,754 divulga una disposición para fabricar elementos planos que pueden ser apilados para producir superficies y cuerpos predeterminados. Los elementos planos tienen secciones transversales correspondientes a las respectivas secciones transversales de la superficie a construir. Los elementos planos se forman cortándolos a partir de material en forma de placa o de chapa metálica, y los elementos cortados se sujetan a la chapa o material en forma de placa mediante lengüetas. Los elementos planos se cortan sucesivamente de la chapa o material en forma de placa a intervalos espaciados. La acción de corte es tal que deja las lengüetas para sujetar los elementos planos en su lugar. Los agujeros de registro se perforan alrededor del elemento plano, para que puedan apilarse fácilmente para formar la superficie a construir. También se perforan orificios en forma de rueda dentada en el material de chapa para transportar el material a lo largo de una trayectoria de procesamiento en la que se encuentran las distintas estaciones de procesamiento. Después de cortar o troquelar una pieza en bruto con un elemento plano recortado de la placa o chapa de material, la pieza en bruto se apila con otras piezas en bruto y se cortan las lengüetas para retirar los elementos planos apilados de las partes restantes de las piezas en bruto. Se aplica adhesivo a las zonas seleccionadas de los elementos planares y/o de las piezas en bruto para facilitar la extracción de los elementos planos del material en bruto restante.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La invención proporciona un método que tiene las características de la reivindicación 1 y un sistema que tiene las características de la reivindicación 16. Las características opcionales adicionales se definen en las reivindicaciones dependientes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La FIG. 1 es una vista en perspectiva parcial de un sistema de marcado asistido según una realización de la invención;

la FIG. 2 es una vista en perspectiva parcial de un sistema asistido de marcado que incluye un punzón de descarte y una matriz, según una realización de la invención;

la FIG. 3 es una vista en sección de las ranuras de las líneas de marcado antes y después del aplanado, según una realización de la invención;

la FIG. 4 es una vista en sección de una lengüeta marcada que salva un corte pasante, según una realización de la invención;

la FIG. 5 es una vista en planta de una línea ranurada perforada según una realización de la invención;

la FIG. 6 es una vista en sección lateral de la línea de marcado perforada de la FIG. 5 según una realización de la invención;

la FIG. 7 es una vista en sección lateral de una línea de marcado perforada alternativa según una realización de la invención;

la FIG. 8 es una vista en sección lateral de otra línea de marcado perforada alternativa según una realización de la invención;

la FIG. 9 es una vista en perspectiva de un punzón y una matriz de descarte alineados con una sección ranurada de un material laminar, según una realización de la invención;

la FIG. 10 es una vista en perspectiva de un punzón y de una matriz alineados con una sección marcada de un material de chapa con un descarte retirado, según una realización de la invención;

la FIG. 11 es una vista de sección parcial, en alzado, de un punzón centrado sobre un material de chapa y una matriz, según una realización de la invención;

la FIG. 12 es una vista parcial ampliada del corte de la FIG. 11 que representa un espacio libre de la matriz, según una realización de la invención;

la FIG. 13 es una vista en alzado de un punzón insertado a través del material de chapa y dentro de la matriz de la FIG. 11, según una realización de la invención;

la FIG. 14 es una vista en sección en el plano A-A de la FIG. 13 de un punzón de descarte insertado en una matriz de descarte según una realización de la invención;

la FIG. 15 es una vista en sección en el plano A-A de la FIG. 13 de un punzón de componente insertado en una matriz de componente según una realización de la invención;

la FIG. 16 es un gráfico de la profundidad de corte de una ranura versus la velocidad de escaneo para una sola pasada de un láser de corte de onda continua monomodo de iterbio de 1 kilovatio según una realización de la invención; y

la FIG. 17 es un gráfico de la profundidad de corte de una ranura frente a un número de pasadas para un láser de corte de onda continua monomodo de iterbio de 1 kilovatio a una velocidad de escaneo de 20 metros por segundo según una realización de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS FIGURAS

En referencia a la FIG. 1, se representa un sistema 30a asistido de marcado para fabricar componentes 32 a partir de un material de chapa 34 de acuerdo con una realización de la invención. En la realización representada, el sistema 30a asistido de marcado incluye una fuente de radiación de escaneado 42, un dispositivo de aplanado 44 de láminas, un punzón de componente 48, y una matriz de componente 54. También en la realización representada hay una boquilla de aire 56 dirigida al material de chapa 34. Puede configurarse un contenedor de descartes 72 para recibir los descartes 74 que se retiran del material de chapa 34 mediante el escaneo de la fuente de radiación 42. Los descartes 74 pueden ser una sola pieza continua (representada) o pueden ser una pluralidad de piezas (por ejemplo, una pluralidad de aberturas aisladas). Asimismo, un contenedor de componente 75 puede estar configurado para recibir componentes 32 que son retirados de la chapa de material 34 por el punzón de componente 48.

Haciendo referencia a la FIG. 2, se representa un sistema asistido de marcado 30b para fabricar los componentes 32 a partir de la chapa de material 34 según una realización de la invención. El sistema asistido de marcado 30b incluye muchos de los mismos componentes y atributos que el sistema asistido de marcado 30a, que se indican con caracteres de referencia con el mismo número. Además, el sistema asistido de marcado 30b incluye un punzón de descarte 46 y una matriz de descarte 52. La boquilla de aire 56 no se representa en la FIG. 2, pero se contempla que la boquilla de aire 56 también pueda utilizarse en el sistema asistido de marcado 30b. Para el sistema asistido de marcado 30b, los descartes 74 se generan mediante la actuación del punzón de descarte 46, de modo que el contenedor de descarte 72 está posicionado y configurado para recibir los descartes 74 de la matriz de descarte 52.

Los sistemas asistidos de marcado 30a y 30b se denominan aquí genérica o colectivamente sistema(s) asistido(s) de marcado 30. Los sistemas asistidos de marcado 30 están configurados para transportar el material de chapa 34 en una dirección 62 a lo largo de una trayectoria de transporte 64 de manera que una porción dada del material de chapa 34 se transporta en secuencia bajo la fuente de radiación de escaneado 42, a través del dispositivo de aplanado de chapa 44, y entre el punzón de componente 48 y la matriz de componente 54.

La fuente de radiación de escaneo 42 emite un haz concentrado de radiación 80 y puede configurarse para trazar rápidamente un contorno 82 del componente 32 en el material de chapa 34. Ejemplos de fuentes de radiación de movimiento rápido se encuentran, por ejemplo, en la patente US No. 9,649,727 de Kancharla y propiedad del titular de la presente solicitud. La fuente de radiación de alta energía 42 puede ser un láser 88. El láser 88 puede ser de onda continua (CW) o pulsada. Un ejemplo no limitativo de un láser adecuado incluye un láser monomodo de onda continua de iterbio, como el YLR-1000-WC-Y14 fabricado por IPG Photonics. Pueden utilizarse otros láseres monomodo de suficiente potencia, pulsos u onda continua. Una fuente de radiación beta (es decir, un haz de electrones) también se contempla para su uso como fuente de radiación de escaneo 42. En algunas realizaciones, la fuente de radiación 42 está configurada para suministrar potencia dentro de un rango de 0.5 kW (kilovatios) a 2 kW inclusive. En este documento, un rango del que se dice que es "inclusivo" incluye los valores del punto final del rango, así como todos los valores intermedios dentro del rango.

La porción de la chapa de material 34 en la que se marca el contorno 82 se denomina en el presente documento porción marcada 83 de la chapa de material 34. En la realización representada, el contorno 82 incluye una línea de marcado 84 interior o de descarte y una línea de marcado 86 exterior. La línea de marcado interior 84 traza un perímetro exterior 85 del descarte 74. La línea de marcado exterior 86 traza un perímetro exterior 87 del componente 32. Las líneas de marcado interior y exterior 84 y 86 se combinan para definir los límites del componente 32. La fuente de radiación de escaneo 42 puede ser configurada para marcar el contorno 82 a una profundidad deseada dentro de un espesor t de la chapa de material 34 (por ejemplo, la FIG. 12) en múltiples pasadas. Ejemplos no limitantes de la profundidad deseada de las líneas de marcado 84 y 86 están en un rango de 20% a 80% inclusive del espesor t de la chapa de material 34. En algunas realizaciones, el espesor t está en un rango de 20 pm (micrómetros) a 400 pm inclusive.

La boquilla de aire 56 puede estar situada entre el dispositivo de aplanado de chapa 44 y el punzón de componente 48 (representado). Alternativamente, la boquilla de aire 56 puede estar situada entre la fuente de radiación de escaneado 42 y el dispositivo de aplanado de chapa 44. En algunas realizaciones, se incorpora una boquilla de aire adicional de modo que se coloca una boquilla de aire a ambos lados del dispositivo de aplanado de chapa 44. La boquilla de aire 56 puede estar configurada para suministrar un chorro de aire de manera que barra lateralmente a través de la chapa de material 34 (representada). En algunas realizaciones, la boquilla de aire 56 está configurada para rastrear sobre el contorno 82 en la cercanía del material de chapa 34. En algunas realizaciones, las líneas de marcado 84, 86 pueden limpiarse de residuos superficiales mediante dispositivos y técnicas distintos de las boquillas de aire 56, como cepillos, cuchillas de aire o enjuagues con agua. La limpieza de los residuos superficiales puede ocurrir antes del proceso de aplanado, después del proceso de aplanado, o de ambos.

Respecto a la FIG. 3, el efecto de realizar múltiples pasadas con la fuente de radiación de escaneo 42 para formar las líneas de marcado 84 y 86 es representado de acuerdo a una realización de la invención. Las líneas de marcado 84 y 86 definen una ranura 96 que tiene una profundidad d dentro del espesor t de la chapa de material 34, con una porción de banda 98 que puentea los lados de la ranura 96. El marcado de la chapa de material 34 con el haz<concentrado de radiación>80<hace que parte del material fundido reformado y de la escoria 102 se acumule en los>bordes 104 de la ranura 96 y se extienda sobresaliendo de una superficie 106 del material de chapa 34. En la realización representada, parte del material de chapa 34 se retira de la ranura 96 por vaporización, de modo que el volumen y la masa del material reformado 102 es sólo una fracción del total del material de chapa 34 que se retira de la ranura 96.

En algunas realizaciones, la fuente de radiación de escaneo 42 está configurada para escanear el contorno 82 a una velocidad comprendida entre 5 m/s (metros por segundo) y 30 m/s inclusive. En algunas realizaciones, la fuente de radiación de escaneo 42 suministra radiación en un rango de 0.1 kW a 2 kW inclusive. La sección transversal representada de la ranura 96 de la FIG. 2 es una representación no limitativa de una fotografía tomada de una sección transversal de un material de chapa 34 de acero dulce de 97 pm de espesor nominal que fue escaneada con un láser de 1 kW un total de cuatro veces a una velocidad de escaneo de 20 m/s. Los resultados para los mismos parámetros de marcado en una chapa de acero al silicio fueron similares. Tanto para el acero dulce como para el acero al silicio, en las condiciones de marcado indicadas, el espesor de material retirado de la ranura 96 en cada pasada de la fuente de radiación de escaneo 42 se ha observado que se encuentra en el rango de 15 pm a 35 pm inclusive, con un espesor nominal del material retirado de 16 pm a 20 pm inclusive. Los datos para una profundidad de corte de acero dulce y acero al silicio a distintas velocidades de escaneo y el número de pasadas se presentan a continuación en las FIGS. 16 y 17.

Funcionalmente, al formar las líneas de marcado 84 y 86 en múltiples pasadas, la zona afectada por el calor del material de chapa 34 se reduce en relación con la zona afectada por el calor de una sola pasada que permanece el tiempo suficiente para formar la ranura 96. Además, debido a que el material de chapa 34 absorbe una menor cantidad de la energía suministrada por el haz de radiación concentrado 80, la cantidad de material vaporizado durante las pasadas sucesivas puede incrementarse en relación con la formación de una ranura de profundidad similar con una sola pasada. Además, las irregularidades que pueden formarse en los lados de la ranura 96 (por ejemplo, por reformación de escoria) durante las pasadas iniciales pueden tender a ser eliminadas en pasadas sucesivas para formar una ranura 96 más limpia y mejor definida.

En algunas realizaciones, una línea de contorno puede ser completamente atravesada mientras que puede marcarse otra línea de contorno. Tal disposición se representa en el sistema asistido de marcado 30a, en el que el descarte 74 es completamente cortado a su través por la fuente de radiación de escaneo 42, mientras se conserva la línea exterior de marcado 86. Esta disposición elimina la necesidad del proceso de punzonado del descarte, mientras que deja el componente 32 unido a la chapa de material 34 para su transporte a lo largo de la trayectoria de transporte 62 a través del dispositivo de aplanado de la chapa 44 y hacia la matriz de componente 54.

Respecto a la FIG. 4, una configuración de lengüeta marcada 100 es representada de acuerdo con una realización de la invención. En esta realización, el marcado se combina con el corte pasante de manera que una porción de la línea de contorno del componente 32 se corta a través del espesor t de la chapa de material 34 mientras que el material permanece a lo largo de otra porción de la línea de contorno. Por ejemplo, uno o ambos de los perímetros 85, 87 pueden incluir una porción de corte pasante 91 y una porción de lengüeta 93, puenteando la porción de lengüeta 93 la porción de corte pasante 91. En algunas realizaciones, la porción de lengüeta 93 está marcada con la ranura 96 de la forma representada en la FIG. 3. En algunas realizaciones, se forma una pluralidad de tales porciones de lengüeta 93 a lo largo del(los) perímetro(s) 85, 87. En algunas realizaciones, una relación de una suma de las longitudes tangenciales 95 de las lengüetas 93 con una longitud total del perímetro correspondiente 85, 87 está en un rango del 50% al 97% inclusive; en algunas realizaciones, la proporción está en un rango del 75 % al 95 %; en algunas realizaciones, la proporción está en un rango del 85 % al 95 %.

Funcionalmente, las lengüetas 93 mantienen el acoplamiento entre el componente 32 y la chapa de material 34 o entre el componente 32 y el descarte 74 y la chapa de material 34, permitiendo que el componente 32 o el componente combinado 32 y el descarte 74 sean transportados de forma estable a lo largo de la trayectoria de transporte 64 con el material de chapa 34, para su posicionamiento sobre la matriz de componente 54 o tanto sobre la matriz de descarte 52 como la matriz de componente 54 en secuencia. El puente reducido entre el descarte 74 y el componente 32 y entre el componente 32 y el material de chapa 34 en relación con un proceso de estampación convencional reduce las fuerzas de separación requeridas. En las realizaciones en las que las porciones de lengüeta 93 están marcadas, las fuerzas se reducen aún más y la línea de separación puede predecirse dentro de una tolerancia más estrecha que con las porciones de lengüeta 93 que no están marcadas.

En la realización representada, el dispositivo de aplanado de la chapa 44 es un conjunto de rodillos 90 que incluye rodillos opuestos 92, 94 en lados opuestos del material de chapa 34. Los rodillos opuestos 92, 94 pueden acoplarse a soportes de rodillos 89 que están configurados para limitar la separación de los rodillos 92, 94 a una distancia máxima predeterminada. En algunas realizaciones, la separación máxima de los rodillos 92, 94 se establece en al menos el espesor nominal t del material laminar y es no mayor que 1 pm más que el espesor nominal t. En algunas realizaciones, los soportes de rodillos 89 están configurados para proporcionar una separación rígida de los rodillos 92, 94. Puede establecerse el contacto de cada rodillo 92, 94 con el material de chapa 34 mediante una medición de contacto eléctrico. En algunas realizaciones, los rodillos 92, 94 son de un material metálico duro. En algunas realizaciones, los rodillos 92 y 94 funcionan a diferentes potenciales eléctricos, provocando así que fluya una corriente a través del material de chapa 34 durante el transporte a través del conjunto de rodillos 90.

Funcionalmente, limitar la separación entre los rodillos 92, 94 a una dimensión máxima en el espesor nominal t o mantener rígidamente la separación en el espesor nominal t del material de chapa 34 permite al conjunto de rodillos 90 realizar la función de aplanado sin ejercer tensiones sustanciales en el núcleo del material de chapa. A medida que la porción marcada 83 del material de chapa pasa a través del conjunto de rodillos 90, sólo las características<protuberantes en relación con la superficie>106<, tales como el material fundido reformado y la escoria 102 en las>esquinas 104 (FIG. 3), exceden el espesor nominal t del material de chapa 34 y entran en contacto de compresión con los rodillos 92, 94. Dado que la separación entre los rodillos 92, 94 no excede o se mantiene constantemente en el espesor nominal t, el material fundido reformado y la escoria 102 cederán localmente a los rodillos 92, 94, dando lugar a una deformación plástica deformación que dobla estas características hacia abajo.

En consecuencia, las porciones marcadas 83 del material de chapa se aplanan sin generar tensiones de contacto hertzianas sustanciales. La teoría de contacto hertziana caracteriza las tensiones generadas por el contacto de tensiones curvas, y se describe, por ejemplo, en Xiaoyin Zhu, "Tutorial on Hertz Contact Stress", disponible en https://wp.optics.arizona.edu/optomech/wp-content/up-loads/sites/53/2016710/OPTI-521-Tutorial-on-Hertzcontact-stress-Xiaoyin-Zhu.pdf, visitado por última vez el 27 de marzo de 2018. Se sabe, por ejemplo, que las tensiones de contacto hertzianas excesivas afectan negativamente a las propiedades magnéticas de los materiales.

Alternativamente, el conjunto de rodillo 90 puede ser un rodillo de compresión configurado para comprimir el material de chapa 34 entre el mismo utilizando una fuerza predeterminada a medida que el material de chapa 34 se transporta a través del conjunto de rodillos 90. La compresión entre los rodillos 92, 94 puede realizarse, por ejemplo, con actuadores hidráulicos (no representados). La fuerza predeterminada generada por el conjunto de rodillos 90 puede adecuarse para generar tensiones en el material de chapa 34 que no superen el límite elástico del material. Debido a que el material 102 fundido reformado y con escoria reformado sobresale en relación con la superficie 106 del material de chapa 34 y constituye una pequeña fracción de la línea de contacto total del conjunto de rodillos 90, las tensiones locales en el material fundido reformado y con escoria 102 superarán con creces la tensión media sobre el material de chapa 34, evitando así la deformación del núcleo del material de chapa 34 al mismo tiempo que se proporciona aplanado (deformación plástica) del material fundido reformado y escoria 102. En algunas realizaciones, el conjunto de rodillos 90 está configurado para aplicar una fuerza de compresión sobre el material de chapa 34 solo cuando el material de chapa 34 se mueve a través del conjunto de rodillos 90. Alternativamente, el dispositivo de aplanado 44 puede incluir una placa de estampado plana (no representada), una prensa oscilante (no representada), u otros dispositivos y técnicas para aplanar el material de chapa disponibles para el artesano.

El efecto de aplanar el material de chapa 34 después del marcado, pero antes del punzonado también se representa en la FIG. 3 según una realización de la invención. El material de chapa 34 se hace avanzar a través del conjunto de rodillos 90 para que el material reformado 102 sea aplanado (es decir, se convierte en sustancialmente plano con la superficie 106). Para algunos materiales, tales como el acero dulce y el acero al silicio amorfo, el material reformado 102 es relativamente dúctil, de modo que el material reformado se dobla hacia abajo por los bordes 104. Además, algo de material reformado que está unido tenuemente a los bordes 104 puede estar pretensado y fatigado o fracturado y desprendido durante el proceso de aplanado. El funcionamiento de los rodillos 92, 94 a diferentes potencias puede proporcionar un calentamiento local del material de chapa 34 para aumentar el proceso de aplanado. La corriente eléctrica también interactúa con el núcleo del componente 32 para aumentar la deformación plástica deseable en el proceso de aplanado.

Por consiguiente, "aplanar" el material de chapa 34 es comprimir o devolver el material fundido reformado y escoria 102 para que esté sustancialmente en o dentro del espesor original t del material de chapa 34, y mitigar el arqueamiento y la deformación del material de chapa. Es decir, el material de chapa 34 seguirá definiendo el contorno 82 después del proceso de aplanado. El proceso de aplanado no comprime el material de chapa 34 hasta el punto de eliminar las líneas de marcado 82 y 84.

En algunas realizaciones, la fuerza de compresión es aplicada por el rodillo 90 sólo cuando el material de chapa 34 avanza a su través. Aplicando la fuerza de compresión con el conjunto de rodillos 90 solamente cuando el material de chapa 34 está pasando a través del conjunto de rodillos 90, el sistema evita la formación de hoyuelos en el material de chapa 34 que de otra manera podría ocurrir cuando el material permanece momentáneamente dentro de los rodillos 92, 94.

Respecto a las FIGS. 5 a 8, una línea perforada de marcado 108 es representada en una realización de la invención. La línea perforada de marcado 108 se caracteriza por tener perforaciones 110 formadas a lo largo de la longitud de la porción de banda 98 dentro de la ranura 96. En algunas realizaciones, al menos una porción de una o ambas líneas de marcado de descarte 84 y la línea de marcado exterior 86 del contorno de marcado 82 están formadas con dichas líneas de marcado perforadas 108. La línea de marcado perforada 108 puede estar formada por múltiples pasadas como se ha comentado anteriormente. En las FIGS. 5 y 6, el contorno 82 se forma inicialmente como continuo y de una profundidad sustancialmente uniforme, seguido de ráfagas de energía de radiación en puntos discretos a lo largo de la longitud de la ranura 96 para formar las perforaciones 110. En algunas realizaciones, solo son formadas las perforaciones por la fuente de radiación de escaneo 42 (FIG. 7). Es decir, los sistemas asistidos de marcado 30 están configurados para que la fuente de radiación de escaneo 42 emita ráfagas de radiación sólo en las ubicaciones deseadas de las perforaciones 110 para formar un contorno 82 de marcado discontinuo. En algunas realizaciones, la velocidad de escaneo es ondulada de manera que el haz de radiación concentrado 80 se detiene o pasa más lentamente sobre las regiones donde se van a formar las perforaciones 110 (FIG. 8). Después de la formación de la línea de marcado perforada 108, el material de chapa 34 con las líneas de marcado 82 y 84 así formadas pueden ser aplanadas compresivamente como se ha descrito anteriormente.

Funcionalmente, las perforaciones 110 sirven para reducir las fuerzas requeridas para separar los componentes 32 o los descartes 74, o ambos, del material de chapa 34. Puede ser aplanado o eliminado cualquier material de escoria que pueda formarse a lo largo de los bordes de las perforaciones 110 por el dispositivo de aplanado 44 de la misma manera que los bordes 104 descritos anteriormente. Las perforaciones 110 también pueden servir para limitar el efecto de desgarro o rasgado a lo largo de las líneas de separación y para mantener las líneas de separación centradas a lo largo de la porción de banda 98, de modo que las periferias nominales de los componentes 32 sean sustancialmente uniformes.

En relación con la FIG. 9, el punzón de descarte 46 y la matriz de descarte 52 son representados según una realización de la invención. El punzón de descarte 46 y la matriz de descarte 52 se denominan así porque sirven para eliminar los descartes 74 del material de chapa 34 que no forma parte del componente acabado 32. El punzón de descarte 46 puede definir una huella 112 que se aproxima, pero que está dentro de la línea de marcado interior o de descarte 84 de los descartes 74. La matriz de descarte 52, cuando se utiliza, está configurada para recibir el punzón de descarte 46 y puede definir una huella 114 que se aproxima, pero que está dentro de la línea de marcado de descarte 84 del contorno 82.

Respecto a la FIG. 10, se muestran según una realización de la invención el punzón de componente 48 y la matriz de componente 54. El punzón de componente 48 y la matriz de componente 54 se denominan así porque sirven para extraer los componentes 32 del material de chapa 34. El punzón de componente 48 puede definir una huella 142 que se aproxima, pero que está dentro de la línea de marcado exterior 86 de los componentes 32. La matriz de componente 54, cuando se utiliza, está configurada para recibir el punzón de componente 48 y puede definir una huella 144 que se aproxima, pero que está fuera de la línea de marcado exterior 86 del contorno 82. En la realización representada, son circulares la línea de marcado exterior 86 y, por lo tanto, el receptáculo 146 de la matriz de componente 54.

En algunas realizaciones, los punzones 46 y 48 y las matrices 52 y 54 están hechos de un material rígido (p. ej., acero para herramientas) que entra en contacto con el material de chapa 34. En algunas realizaciones, algunos o todos los punzones 46 y 48 y las matrices 52 y 54 incluyen un material semirrígido o flexible que entra en contacto con el material de chapa 34, tal como poliuretano o materiales similares al caucho. Puede disponerse el material semirrígido o flexible o integrarse con el punzón de descarte 46 o la matriz de descarte 52, por ejemplo, en un proceso de sobre moldeo.

En relación con las FIGS. 11 a 15, se describen la operación del punzón de descarte 46 y la matriz de descarte 52 y del punzón de componente 48 y la matriz de componente 54 de acuerdo con una realización de la invención. Como el funcionamiento del punzón de descarte 46 y la matriz de descarte 52 es similar a la operación del punzón de componente 48 y la matriz de componente 54, las FIGS. 11 a 13 contienen anotaciones para representar la operación de ambas combinaciones de punzón y matriz. Después de que el componente 32 ha sido marcado con la fuente de radiación de escaneo 42, la línea de marcado interior o de descarte 84 del contorno 82 del componente 32 se alinea sobre la matriz de descarte 52 para definir un espacio libre de la matriz 122 entre el punzón de descarte 46 y la matriz de descarte 52 (FIGS. 11 y 12). Los sistemas asistidos de marcado 30 pueden estar configurados de tal manera que las líneas de marcado 82 y 84 estén en la misma orientación rotacional que el punzón de descarte 46 y la matriz de descarte 52, de tal manera que la línea de marcado de descarte 84 se posicione sobre el espacio de separación de la matriz 122 mediante la traslación del contorno 82 sobre la matriz de descarte 52. Cuando el contorno del componente 82 se alinea con la matriz de descarte 52, la línea de marcado de descarte 84 se traza sobre el espacio libre de la matriz 122.

El punzón de descarte 46, que se alinea dentro de la línea de marcado de descarte 84, es a continuación impulsado a través del material de chapa 34 para separar el descarte 74 del material de chapa 34 (FIG. 13) en la línea de marcado de descarte 84. Durante la separación del descarte 74, el punzón de descarte 46 se inserta, al menos parcialmente, en la matriz de descarte 52. Se presenta en la FIG. 14 una vista transversal del punzón de descarte 46 dentro de la matriz de descarte 52, representando una sección transversal del punzón de descarte 124 y una sección transversal de la matriz de descarte 126. En algunas realizaciones, el espacio libre de la matriz 122 queda definido lateralmente entre el punzón de descarte 46 y la matriz de descarte 52 cuando el punzón de descarte 46 se inserta en la matriz de descarte 52. En algunas realizaciones, una dimensión mínima 128 para el espacio libre de la matriz 122 es al menos una y no más de tres veces el grosor t de dicho material de chapa 34.

La línea de marcado exterior 86 del contorno 82 se alinea sobre la matriz de componente 54 después de que el descarte 74 ha sido retirado del material de chapa 34, quedando el componente 32 radialmente suspendido en la línea de marcado exterior 86. Cuando están alineados, el punzón de componente 48 y la matriz de componente 54 definen un espacio libre de matriz 162, sobre el cual se posiciona la línea 86 (FIGS. 11 y 12). El punzón de componente 48 es a continuación impulsado a través del material de chapa 34 para separar el componente 32 del material de chapa 34 (FIG. 13) en la línea de marcado exterior 86, para que el componente 32 caiga en el contenedor 75. Durante la separación del componente 32, el punzón de componente 48 se inserta, al menos parcialmente, en la matriz de componente 54. Se presenta en la FIG. 15 una vista transversal del punzón de componente 48 dentro de la matriz de componente 54, mostrando una sección transversal del punzón de componente 162 y una sección transversal de la matriz de componente 164. Un espacio continuo de separación de la matriz 166 está definido entre el punzón de componente 48 y la matriz de componente 54. En algunas realizaciones, una dimensión mínima 168 para el espacio libre de la matriz 16 es de al menos una y no más de tres veces el grosor t del material de chapa 34.

Funcionalmente, el contorno de marcado 82 controla la línea de separación en los procesos de troquelado del descarte 74 y del componente 32 en el sistema asistido de marcado 30b, y controla la línea de separación del componente 32 en el sistema asistido de marcado 30a. Esto contrasta con un proceso de estampación convencional, en el que la línea de separación está controlada por tolerancias estrechas entre la herramienta y la matriz. En consecuencia, las tolerancias entre el punzón de componente 48 y la matriz de componente 54 y, cuando se utilizan, entre el punzón de descarte 46 y la matriz de descarte 52 pueden ser más generosas. Debido al proceso de laminado compresivo que tiene lugar después del marcado y de cualquier proceso de corte, pero antes de la(s) operación(es) de punzonado, al menos la planitud del componente 32 se encuentra en un estado acabado al separarse del material de chapa 34. A continuación, los bordes de los componentes 32 pueden acabarse de acuerdo con las especificaciones finales, por ejemplo, mediante chorro de arena, torneado, fresado, rectificado, bruñido, erosión eléctrica u otros procesos de acabado disponibles para el artesano.

En relación con la FIG. 16, se muestra según una realización de la invención un gráfico 170 de datos que caracterizan un parámetro de profundidad de corte 172 de un índice de escaneo de ranura versus índice de escaneo (velocidad de corte) 174 de un láser. Los datos se obtuvieron en una configuración experimental utilizando un láser monomodo de CW de iterbio IPG Photonics YLR-1000-WC-Y14 a un nivel de potencia de 1000 vatios utilizando un diámetro de fibra de 14 pm. El láser se escaneó con un Escáner IPG 2D de Alta Potencia con un colimador de 200 mm y una lente de enfoque de 254 mm. El diámetro del punto de enfoque se calculó a 18 pm. Las pruebas se realizaron en una estación de trabajo robotizada ABB IRB2400 en una configuración de escáner estacionario. Las pruebas se realizaron en una mesa de corte de nido de abeja al vacío con una purga de cuchilla de aire dirigida a la zona del proceso. de corte. Las pruebas se realizaron con chapa de acero dulce y chapa de acero al silicio de 100 pm de espesor nominal. Los datos del acero dulce 176 y del acero al silicio 178 se presentan en el gráfico 170.

Los datos se tomaron para una sola pasada del láser de corte a índices de escaneo de 7.0, 8.0, 10.0, 15.0 y 20.0 m/s. El gráfico 170 demuestra que la profundidad de corte se reduce a medida que aumenta el índice de escaneo, y que los resultados fueron sustancialmente similares para el acero dulce y el acero al silicio. También se observó que se formaba menos material de escoria a lo largo de los límites a índices de escaneo más altas.

Respecto a la FIG. 17, se presenta un gráfico 180 de datos que caracterizan un parámetro de profundidad de corte 182 de una ranura versus el número de pasadas 184 de un láser de acuerdo con una realización de la invención. Los datos se obtuvieron en una configuración experimental utilizando un láser monomodo de CW de iterbio IPG Photonics YLR-1000-WC-Y14 a un nivel de potencia de 1000 vatios utilizando un diámetro de fibra de 14 pm. El láser se escaneó con un Escáner IPG 2D de Alta Potencia con un colimador de 200 mm y una lente de enfoque de 254 mm. El diámetro del punto de enfoque se calculó en 18 pm. Las pruebas se realizaron en una estación de trabajo robotizada IRB2400 en una configuración de escáner estacionario. Las pruebas se realizaron en una mesa de corte al vacío en forma de panal con una purga de cuchilla de aire dirigida al área de proceso. Las pruebas se realizaron en láminas de acero dulce y láminas de acero al silicio de 100 pm de espesor nominal. Los datos de acero dulce 186 y los datos de acero al silicio 188 se presentan en el gráfico 180.

Los datos se tomaron a un índice de escaneo de 20 m/s para el láser de corte con un número de pasadas de 1 a 5 inclusive. El gráfico 180 demuestra que al aumentar el número de pasadas también aumenta la profundidad de corte, y que los resultados fueron sustancialmente similares para el acero dulce y el acero al silicio. También se observó que el corte completo del material en bruto se lograba con 5 pasadas a una velocidad de escaneo de 20 m/s.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Método asistido de marcado para punzonar componentes (32) de un material de chapa (34), que comprende: marcar al menos una parte de una línea de marcado exterior (86) en un material de chapa (34) con una fuente de radiación de alta energía (42), definiendo dicha línea de marcado exterior (86) una forma de un perímetro exterior de un componente (32),caracterizado en que:

después de la etapa de marcado, se aplana una porción marcada de dicho material de chapa (34) con un dispositivo de aplanado (44), incluyendo dicha porción marcada de dicho material de chapa (34) dicha línea de marcado exterior (86); y

después del paso de aplanar, impulsar un punzón de componente (48) a través de dicho material de chapa (34) para separar dicho componente (32) de dicho material de chapa (34), entrando en contacto dicho punzón de componente (48) con dicho material de chapa (34) dentro de dicha línea de marcado exterior (86).

2. - El método asistido de marcado de la reivindicación 1, que comprende: antes del paso de aplanado, cortar un descarte (74) de dicho material de chapa (34) con dicha fuente de radiación de alta energía (42) para separar dicho descarte (74) de dicho material de chapa (34).

3. - El método asistido de marcado de la reivindicación 1, que comprende:

antes de la etapa de aplanado, marcar al menos parte de una línea de marcado de descarte (84) en dicho material de chapa (34) con dicha fuente de radiación de alta energía (42), definiendo dicha línea de marcado de descarte (84) una forma de un perímetro exterior de un descarte (74), estando dicha línea de marcado de descarte (84) rodeada por dicha línea de marcado exterior (86);

antes del paso de impulsar dicho punzón de componente (48), impulsar un punzón de descarte (46) a través de dicho material de chapa (34) para separar dicho descarte (74) de dicha chapa de material (34), entrando en contacto dicho punzón de descarte (46) con dicho material de chapa (34) dentro de dicha línea de marcado de descarte (84).

4. - El método asistido de marcado de la reivindicación 3, que comprende:

antes de la etapa de impulsar dicho punzón de descarte (46), alinear dicho contorno con una matriz de descarte (52), estando dicha matriz de descarte (52) posicionada y configurada para recibir dicho punzón de descarte (46).

5. - El método asistido de marcado de la reivindicación 4, que comprende:

configurar dicho punzón de descarte (46) para ser insertado dentro de dicha matriz de descarte (52) para definir un espacio de separación mínimo de la matriz que es al menos una y no más de tres veces el espesor de dicho material de chapa (34).

6. - El método asistido de marcado de una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que comprende:

antes del paso de impulsar dicho punzón de componente (48), alinear dicha línea de marcado exterior (86) con una matriz de componente (54), estando dicha matriz de componente (54) posicionada y configurada para recibir dicho punzón de componente (48).

7. - El método asistido de marcado de la reivindicación 6, que comprende:

configurar dicho punzón de componente (48) para que se inserte dentro de dicha matriz de componente (54) para definir un espacio de separación mínimo de la matriz que sea al menos uno y no más de tres veces un espesor de dicho material de chapa (34).

8. - El método asistido de marcado de la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de aplanado (44) en el paso de aplanado es un conjunto de rodillos (90) que incluye dos rodillos (92, 94).

9. - El método asistido de marcado de la reivindicación 8, que comprende mantener una separación entre dichos dos rodillos (92, 94) que no es inferior al grosor nominal de dicho material de chapa (34) ni superior a un micrómetro más que dicho grosor nominal.

10. - El método asistido de marcado de la reivindicación 9, en el que se aplica una presión de rodillo durante la etapa de aplanado, siendo dicha presión de rodillo inferior al límite elástico de dicho material de chapa (34).

11. - El método asistido de marcado de la reivindicación 1, que comprende proporcionar dicho material de chapa (34) que tiene un espesor en un rango de 20 micrómetros a 400 micrómetros inclusive.

12. - El método asistido de marcado de la reivindicación 1 o la reivindicación 11, que comprende proporcionar dicho material de chapa (34) de un material metálico; y/o que comprende proporcionar dicho material de chapa (34) de un metal amorfo.

13. - El método asistido de marcado de la reivindicación 1,

en el que la etapa de marcado define una profundidad de ranura que está en un rango de no menos del 20% y no más del 95% del espesor de dicho material de chapa (34); y/o

en el que dicha fuente de radiación de alta energía (42) en la etapa de marcado de una línea de marcado exterior (86) en dicho material de chapa (34) es un láser.

14. - El método asistido de marcado de la reivindicación 1, que comprende:

después de la etapa de marcado y antes de la etapa de impulso, eliminar los restos superficiales de dicha porción de dicho material de chapa (34).

15. - El método asistido de marcado de la reivindicación 14, en el que el paso de eliminación del material suelto se realiza con aire comprimido.

16. - Sistema asistido de marcado (30) para fabricar componentes (32) a partir de un material de chapa (34), que comprende:

un transportador para transportar un material de chapa (34) a lo largo de una trayectoria de transporte (64); un punzón de componente (48) para separar un componente (32) de dicho material de chapa (34) en dicha línea de marcado exterior (86);

una matriz de componente (54) configurada para recibir dicho punzón de componente (48); y

una fuente de radiación de alta energía (42) para formar una línea de marcado exterior (86) en dicho material de chapa (34) que define una forma de un perímetro exterior de un componente (32),caracterizado en que:

un dispositivo de aplanado (44) para aplanar una porción marcada de dicho material de chapa (34), en el que dicho dispositivo de aplanado (44) está situado entre dicha fuente de radiación de alta energía (42) y dicho punzón de componente (48) a lo largo de dicha trayectoria de transporte (64).

17. - El sistema asistido de marcado (30) de la reivindicación 16,

donde dicha fuente de radiación de alta energía (42) está configurada para cortar un descarte (74) desde dentro de dicha línea de marcado exterior (86) para separar dicho descarte (74) de dicho material de chapa (34); y/o donde dicha fuente de radiación de alta energía (42) está configurada para formar una línea de marcado de descarte (84) que está rodeada por dicha línea de marcado exterior (86), definiendo dicha línea de marcado de descarte (84) una forma de un perímetro exterior de un descarte (74).

18. - El sistema asistido de marcado (30) de la reivindicación 16, que comprende:

un punzón de descarte (46) para separar dicho descarte (74) de dicho material de chapa (34) en dicha línea de marcado de descarte (84); y

una matriz de descarte (52) configurada para recibir dicho punzón de descarte (46), en el que dicho punzón de descarte (46) está dispuesto entre dicho dispositivo de aplanado (44) y dicho punzón de componente (48) a lo largo de dicha trayectoria de transporte (64), y

donde dicha fuente de radiación de alta energía (42) está configurada para formar una línea de marcado de descarte (84) que está rodeada por dicha línea de marcado exterior (86), definiendo dicha línea de marcado de descarte (84) una forma de un perímetro exterior de un descarte (74).

19.- El sistema asistido de marcado (30) de la reivindicación 16,

en el que el sistema asistido de marcado (30) está configurado para manipular un material de chapa (34) con un espesor comprendido en un rango entre 20 micrómetros y 400 micrómetros inclusive; y/o en el que dicha fuente de radiación de alta energía (42) es un láser; y/o

en el que dicho dispositivo de aplanado (44) es un rodillo compresor (90).

20.- El sistema asistido de marcado (30) de la reivindicación 16,

donde dicho rodillo de compresión (90) está configurado para aplicar una presión de rodillo sobre dicho material de chapa (34) que es inferior al límite elástico de dicho material de chapa (34), donde dicha fuente de radiación de alta energía (42) está configurada para cortar un descarte (74) desde dentro de dicha línea de marcado exterior (86) para separar dicho descarte (74) de dicho material de chapa (34); y/o en el que dicha fuente de radiación de alta energía (42) está configurada para formar una profundidad de ranura que está en un rango de no menos del 20% y no más del 80% del espesor de dicho material de chapa (34).