ES2981594T3 - Procedimiento y sistema de fabricación aditiva - Google Patents

Abstract

Procedimiento de fabricación aditiva, en el que se proporciona un cabezal de fabricación aditiva (12), configurado tanto para dirigir uno o más chorros de polvos, en particular polvos metálicos, sobre una región de una superficie de trabajo (110), como para dirigir simultáneamente un rayo láser sobre dicha región, para formar un punto de enfoque del rayo láser (LS) sobre la región, y en el que, durante la dirección de los chorros de polvo y del rayo láser, el cabezal de fabricación aditiva (12) se traslada simultáneamente en una dirección transversal a la dirección del rayo láser para dar lugar a una traza (MRP) obtenida por fusión de los polvos como resultado de la potencia transmitida a los polvos por el punto de enfoque (LS). Durante el movimiento del cabezal de fabricación aditiva (12) en la dirección transversal, se imparte un movimiento dinámico al haz láser emitido por el cabezal (12), estando configurado el movimiento de tal manera que se obtenga un ancho de la traza (MRP) que es independiente del tamaño del punto de enfoque (LS) del haz láser (L) y es equivalente al que se produciría por un punto aparente que tuviera un ancho sustancialmente correspondiente al ancho de la traza (MPP), y de tal manera que la distribución de la potencia transmitida por el haz láser a la traza (MPP) varíe a lo largo de la dirección del ancho de la traza (MPP). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y sistema de fabricación aditiva

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento y un sistema de fabricación aditiva. En particular, la invención se refiere a un procedimiento de fabricación aditiva del tipo en el que un cabezal de fabricación aditiva dirige uno o varios chorros de polvos, en particular polvos metálicos, sobre una región de una superficie de trabajo, en el que dicho cabezal dirige simultáneamente un haz láser sobre dicha región para formar un punto de enfoque del haz láser sobre dicha región, y en el que, durante la dirección de dichos chorros de polvo y de dicho haz láser sobre dicha región, dicho cabezal de fabricación de aditivos se desplaza simultáneamente en una dirección transversal a la dirección del haz láser para dar lugar a una traza obtenida por medio de la fusión de dichos polvos como resultado de la potencia transmitida a dichos polvos por dicho punto de enfoque.

Técnica anterior

En el documento WO 2018/069809 A1, presentado a nombre del presente solicitante, se analiza un sistema de fabricación aditiva del tipo mencionado anteriormente.

Un sistema de fabricación aditiva de este tipo puede denominarse "deposición de energía dirigida" (DED).

Como se ha mencionado anteriormente, los sistemas DED pueden comprender un cabezal adecuado para:

- depositar material, por ejemplo chorros de polvos, en particular polvos metálicos obtenidos a partir de uno o varios materiales metálicos, sobre una zona de trabajo; y

- simultáneamente a la deposición, tratar térmicamente los polvos mencionados por medio de un haz de energía térmica focalizada, es decir, una fuente de energía (por ejemplo, un haz láser, un haz de electrones o un arco de plasma) focalizada para fundir los materiales que se están depositando.

Los polvos pueden depositarse en la zona de trabajo a través de boquillas configuradas para emitir chorros de polvo, por ejemplo boquillas fijadas o móviles con respecto al cabezal. Estos polvos, una vez depositados, tienden a asumir una cierta distribución espacial sobre la región o superficie de trabajo, por ejemplo formando una especie de campana (o porción de cilindro) de polvos sobre una superficie de trabajo. La campana tiene una densidad que tiene un valor máximo en una zona central, a partir de la cual tiene un valor que disminuye de forma proporcional a la distancia radial desde la zona central.

Durante el tratamiento térmico simultáneo de los polvos, se impulsa un haz láser de forma que un punto del mismo se superponga a la distribución espacial en forma de campana de los polvos. Por "punto láser" se entiende el área de la sección normal del propio haz láser sobre la superficie de trabajo.

Dicha superposición, total o parcial, hace que una cierta cantidad de polvo sea interceptada por el punto láser y, por tanto, fundida por la potencia transmitida por el haz láser. Dicha cantidad de material interceptado por el punto láser, denominado "baño de fusión", una vez enfriado y solidificado, forma una zona elevada de material sólido, por ejemplo metal.

Por medio del traslado del cabezal en una dirección sobre la superficie de trabajo, es decir, el desplazamiento simultáneamente del haz láser y del chorro de polvo, la secuencia de charcos fundidos y solidificados va a formar una traza que se extiende en la dirección de traslación del cabezal, por ejemplo en la dirección longitudinal x sobre la superficie de trabajo. Esta traza que comprende la secuencia de baños de fusión tiene, por ejemplo, en una vista transversal en una dirección y transversal a la dirección longitudinal x, una anchura y una profundidad.

Concretamente, la anchura del baño de fusión viene determinada principalmente por el tamaño del punto láser, por ejemplo por la anchura del punto láser que viene a superponerse a los polvos depositados, y secundariamente por la densidad de energía del punto. La anchura del punto láser determina, por tanto, la geometría de una "traza" o "bloque de producción elemental" para obtener cualquier objeto por medio de DED.

De hecho, para obtener un objeto por medio de la fabricación aditiva DED, el cabezal de fabricación aditiva es impulsado para moverse a lo largo de trayectorias predefinidas, preestablecidas para obtener secciones de un objeto. Las trazas de material adyacentes forman una única capa en un conjunto de capas que, formadas unas sobre otras, constituyen un objeto tridimensional que se va a producir. Por ejemplo, para obtener un tubo cilíndrico, el cabezal puede accionarse para seguir una trayectoria circular y accionarse para que se desplace en una dirección vertical z al completar cada circunferencia a fin de obtener un cilindro de forma aditiva.

Las características del objeto producido de acuerdo con esta tecnología de fabricación aditiva por deposición de energía dirigida dependen y son función de las características (o parámetros, propiedades) de la traza, que comprende una o varias secuencias de baños de fusión.

En particular, la anchura y la profundidad de la traza son figuras de mérito, en las que por "profundidad" se entiende un espesor máximo del baño de fusión en la dirección vertical z.

Las figuras 1A y 1B de los dibujos anexos proporcionan ejemplos de estas características del baño de fusión y del perfil del haz láser que lo determina. En concreto, las figuras 1A y 1B representan cada una:

- en la parte superior, un gráfico de la distribución radial de la potencia transmitida por el láser a los polvos, en el que las abscisas representan una dirección radial r, por ejemplo expresada en metros (m), y las ordenadas representan una potencia P, por ejemplo expresada en vatios (W); y

- en la parte inferior, una sección MP, en una dirección transversal a la dirección longitudinal de extensión de la traza, de una traza resultante de la transmisión de la distribución de potencia en la parte superior correspondiente.

Cabe señalar que las imágenes se proporcionan meramente a modo de ejemplo y no están exactamente a escala.

En la Figura 1A se muestra un primer conjunto de perfiles radiales, por ejemplo con una distribución cuasi-Gaussiana, de la potencia transmitida por el haz láser utilizado para el tratamiento térmico de los polvos. Cabe señalar que la sección de la traza MP en la misma Figura 1A puede corresponder a una sección de un baño de fusión obtenido por medio del tratamiento de polvos metálicos depositados junto con la aplicación de la distribución cuasigaussiana de potencia. Por ejemplo, se puede obtener una traza MP de cierta anchura por medio de la aplicación de uno de los perfiles de distribución de potencia cuasi gaussianos G por medio de la conducción térmica de dicha potencia transmitida en el propio material.

Al analizar una distribución de densidad de los polvos en una sección transversal al chorro de polvo a la salida de las boquillas, puede observarse que esta distribución de densidad de los polvos tiene típicamente un perfil en forma de campana en una sección transversal que contiene la dirección radial r. En consecuencia, la traza MP obtenida por aplicación del haz láser G tiene un espesor que varía en función de la distancia a un centro a lo largo de un eje radial r, por ejemplo un espesor que tiene un valor máximo q en el centro y un valor mínimo que tiende a cero en los bordes, donde los bordes están situados a una distanciaaentre sí, en la que, por ejemplo,aes la distancia entre los mínimos de la distribución de potencia G del haz láser.

Asimismo, en la parte superior de la figura 1B se representa un segundo conjunto de perfiles de potencia transmitida del haz láser del tipo, por ejemplo, que tiene una distribución de sombrero de copa designada por T, que puede dar lugar a una sección MP' de la traza (y del baño de fusión correspondiente) que tiene una profundidad que oscila entre un espesor que tiene un valor máximo q' en el centro y un espesor que tiene un valor mínimo que tiende a cero en los bordes, en el que los bordes están situados a una distancia b igual a la distancia entre los mínimos de la potencia del haz láser. En el ejemplo considerado, el valor b es mayor que el valor a en la medida en que un perfil T de un punto láser de sombrero de copa es típicamente más extenso que un perfil G de un punto cuasi gaussiano. Por ejemplo, se puede obtener una traza MP' de cierta anchura por medio de la aplicación de uno de los perfiles de distribución de potencia T de sombrero de copa por medio de conducción térmica, en el propio material, de la potencia transmitida.

Por medio de la traslación de un cabezal equipado para emitir un haz láser que tiene una distribución de potencia G, como se ejemplifica en la Figura 1A, es posible obtener un trazo relativamente "fino" (es decir, por ejemplo, de un espesor q que es pequeño en comparación con el espesor q' obtenido en el caso del haz del sombrero de copa T) que permite tener una buena calidad de superficie del producto (en la medida en que un trazo más fino facilita un mayor grado de resolución), a pesar de una menor productividad, es decir, de un mayor tiempo de producción (en la medida en que la traza de la figura 1A es relativamente más fina que la de la figura 1B y, por tanto, requiere un mayor número de "veces" para obtener un objeto con una configuración y unas dimensiones determinadas).

En su lugar, por medio de la traslación de un cabezal configurado para emitir un haz láser que tenga una distribución de potencia de sombrero de copa, por ejemplo como se ejemplifica en la Figura 1B, es posible obtener un segundo tipo de traza caracterizada por una gran cantidad de material depositado en el baño de fusión, para de este modo aumentar la productividad, pero perdiendo en términos de resolución. Por "resolución" se entiende la capacidad de obtener detalles de un objeto que se va a producir.

El aumento de la anchura b de la traza obtenida con una distribución de potencia láser en forma de sombrero de copa conduce también a un aumento del espesor q' de la misma como consecuencia de la distribución espacial en forma de campana de los polvos.

Los sistemas de fabricación aditiva DED presentan, por tanto, el problema, es decir, el reto, de alcanzar una alta productividad, entendida como capacidad de obtener un producto deseado en el menor tiempo posible, sin comprometer la precisión y calidad del producto acabado. De hecho, si un cabezal funciona con una determinada distribución de potencia del haz láser, puede producir objetos mediante el uso de un determinado tipo de traza. A fin de obtener trazas con características diferentes, es posible utilizar varios cabezales, por ejemplo al sustituir durante el procesamiento un cabezal configurado para emitir un haz cuasi gaussiano y un cabezal configurado para emitir un haz de sombrero de copa, o bien mediante el uso de a la vez un tipo de cabezal y otro tipo de cabezal. Estas soluciones implican, sin embargo, un aumento considerable de los plazos de producción, de los costes y de la complejidad del sistema (así como de la complejidad de la preconfiguración de los comandos con los que accionar el sistema para obtener el objeto deseado).

Otro inconveniente de una solución que utiliza dos cabezales, ya sea en sustitución uno del otro o funcionando en paralelo, se deriva del hecho de que un objeto obtenido con trazos que tienen diferentes espesores (por ejemplo,q, q')colocados uno al lado del otro y uno encima del otro favorece el aumento de la porosidad del objeto obtenido, dado que es más fácil que queden huecos en el objeto, por ejemplo huecos de un tamaño dado por la diferencia entre los diferentes espesores q',q.

También se conocen soluciones que utilizan un colimador adaptativo que permite variar el diámetro del punto láser. Estas soluciones presentan, sin embargo, el inconveniente de no permitir una variación de la distribución de energía, que en consecuencia sigue siendo siempre del tipo que presenta un pico central.

Más específicamente, la invención se refiere a un procedimiento de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, que es conocido, por ejemplo, del documento US 2019/009369 A1.

Objeto de la invención

El objeto de las realizaciones descritas en la presente memoria es mejorar los sistemas y procedimientos de acuerdo con la técnica anterior, como se ha discutido anteriormente.

En particular, un objeto de la invención es un procedimiento y un sistema de fabricación aditiva por deposición de energía dirigida que facilita una alta productividad, entendida como capacidad de obtener un producto deseado en un tiempo lo más corto posible, facilitando al mismo tiempo una alta precisión y calidad del producto acabado.

Una vez más, otro objeto de la invención es obtener tales fines mediante el uso de medios relativamente sencillos y de bajo coste, simplificando asimismo la complejidad de la disposición previa de los comandos con los que accionar el sistema para producir el objeto en sí.

Sumario de la invención

Diversas realizaciones logran uno o más de los objetos de lo anterior gracias a un procedimiento para la fabricación aditiva y a un sistema correspondiente para la fabricación aditiva, que tienen las características establecidas en la reivindicación 1 que sigue. Las reivindicaciones forman parte integrante de las enseñanzas técnicas proporcionadas en el presente documento en relación con la invención.

En particular, el objeto de la solución de acuerdo con la presente divulgación es un procedimiento que tiene las características mencionadas al principio de esta descripción y además caracterizado porque, durante la traslación del cabezal de fabricación de aditivos en dicha dirección transversal, se imparte un movimiento dinámico, con respecto al cabezal, al haz láser emitido por el cabezal, dicho movimiento dinámico está configurado de forma que se obtenga una anchura de la traza metálica independiente del tamaño del punto de enfoque del haz láser y similar, es decir, sustancialmente equivalente, a la que se produciría por simple traslación de un punto aparente que tuviera una anchura correspondiente a la anchura de la traza, estando además configurado dicho movimiento dinámico de forma que la distribución de la potencia transmitida por el haz láser a la traza varíe a lo largo de la dirección de la anchura de la traza.

De esta forma, el movimiento dinámico impartido sobre el haz láser (que debe entenderse en la presente memoria como movimiento impartido a la dirección de emisión del haz láser) hace que la superficie de trabajo sea iluminada por un "perfil" o "punto aparente" del haz láser, donde la geometría de este perfil de forma viene determinada por el patrón resultante del movimiento dinámico impartido sobre el haz láser con respecto al cabezal. Por consiguiente, las propiedades de la traza obtenida por fusión de los polvos depositados en la superficie de trabajo se determinan por medio de una distribución de la potencia transmitida por el perfil que ilumina la región de trabajo sobre los polvos depositados en ella.

Gracias a estas características es posible obtener una traza metálica relativamente ancha y fina, es decir, en la que la profundidad y la anchura pueden variarse de forma desacoplada. Esta posibilidad del proceso, por una parte, facilita la obtención de un determinado producto en un tiempo relativamente corto (en la medida en que con una traza más ancha se disminuye el número de trazas obligatorias) y, por otra, permite producir el producto superponiendo capas de profundidad (disminuida) y, por tanto, con un alto grado de resolución.

Diversas realizaciones logran uno o más de los objetos mencionados gracias a un procedimiento de fabricación aditiva, en el que se imparte un movimiento cíclico (por ejemplo, de rotación, traslación o rototraslación) al haz láser de forma que en cada ciclo el punto de enfoque del haz láser describe un patrón preestablecido.

En diversas realizaciones, un movimiento de oscilación dinámica u> se imparte en particular sobre el haz láser.

En la presente descripción y en las reivindicaciones siguientes, el término "oscilación dinámica" se utiliza para indicar una oscilación cíclica, continua o incluso intermitente que es variable en el tiempo con una frecuencia preestablecida, lo que lleva al punto de enfoque a seguir un patrón preestablecido de forma cíclica y periódica.

De acuerdo con una realización preferente, la oscilación impartida al haz láser se preajusta de forma que una zona central de la traza reciba del haz láser una potencia inferior a la de las zonas laterales de la traza, a fin de obtener una traza que tenga una profundidad preajustada y controlada en la dirección de la anchura de la traza y que sea relativamente pequeña en comparación con la anchura, a pesar de la tendencia de los polvos a acumularse a un nivel superior en la zona central de la traza.

De este modo, es posible seleccionar geometrías del punto láser que resulten de dicho movimiento, de forma que sea posible operar de forma flexible durante el ciclo de procesamiento, ya sea con una resolución alta y una productividad baja, o con una resolución baja y una productividad alta, o de nuevo con una resolución alta y una productividad alta.

En un ejemplo preferente, además, se imparte al haz láser un movimiento de oscilación cíclica, que corresponde sustancialmente a un movimiento de precesión, en el que en cada ciclo de dicho movimiento de precesión el punto de enfoque del haz láser describe el patrón preestablecido, por ejemplo elegido entre un patrón circular, un patrón elíptico, un patrón lineal y un patrón con forma de figura 8. Cabe señalar que la lista anterior de modelos se presenta únicamente a modo de ejemplo, dado que la solución que se expone en la presente memoria enseña cómo utilizar cualquier otro modelo adecuado para impartir un movimiento dinámico con el fin de obtener una anchura de la traza equivalente a la que produciría una mancha aparente cuya anchura correspondiera sustancialmente a la anchura de la traza, de forma que la profundidad y la anchura de la traza obtenidas puedan desacoplarse.

En una o más realizaciones, la velocidad de traslación del cabezal de fabricación aditiva y la velocidad con la que el punto de enfoque del haz láser describe dicho patrón en cada ciclo de movimiento del haz láser se predeterminan de forma que se obtiene una distribución deseada de la potencia transmitida por el haz láser a la traza en la dirección de la anchura de la traza. Concretamente, este patrón, la velocidad de traslación del cabezal, y/o la velocidad a la que el punto de enfoque del haz láser describe dicho patrón en cada ciclo de movimiento del haz láser se eligen de forma que den lugar a un perfil de la potencia transmitida por el haz láser, con respecto a la dirección de la anchura de la traza, que tenga un valle central y al menos dos picos simétricos a ambos lados del valle central, de forma que la traza metálica obtenida pueda tener una profundidad preestablecida y controlada, a pesar de la tendencia de los polvos a acumularse a un nivel más alto en la zona central de la traza, siendo la profundidad de la traza también consecuentemente disminuida con respecto a la profundidad que tendría tras dicha acumulación de polvos.

Por ejemplo, la traza obtenida puede tener una forma más aplanada en el centro en comparación con la que puede obtenerse con soluciones conocidas y que presenta una pequeña diferencia de nivel entre el punto de espesor máximo y el punto de espesor mínimo de la traza, a pesar de la tendencia de los polvos a acumularse a un nivel superior en la zona central de la traza, disminuyendo también en consecuencia la profundidad de la traza con respecto a la profundidad que tendría tras dicha acumulación de polvos.

Ventajosamente, de acuerdo con las realizaciones, existe la posibilidad de modular y controlar las formas del haz láser para facilitar una gestión de las propiedades del baño de fusión que sea continua (y no sólo discreta entre la forma gaussiana y la forma de sombrero de copa). Esto permite, por ejemplo, obtener la parte exterior de la pieza con trazos más estrechos -para tener una mejor resolución y, por tanto, una mayor precisión y acabado superficial- y la parte interior con trazos más anchos, con la misma profundidad, sin crear huecos que aumentarían la porosidad del objeto obtenido.

Diversas realizaciones logran uno o más de los objetos mencionados gracias a un sistema de fabricación aditiva que comprende un cabezal de fabricación aditiva que incluye una o más boquillas para dirigir uno o más chorros de polvos metálicos sobre una región de una superficie de trabajo, y un dispositivo de enfoque y dirección del haz láser para dirigir un haz láser sobre dicha región simultáneamente con la dirección de dichos chorros de polvos metálicos, para formar un punto de enfoque del haz láser sobre dicha región, y en el que dicho cabezal de fabricación de aditivos está configurado para ser trasladado en una dirección transversal a la dirección de emisión del haz láser, durante la dirección de dichos chorros de polvos metálicos y de dicho haz láser, comprendiendo dicho cabezal además un dispositivo para orientar el haz láser emitido, y al menos un controlador electrónico para controlar el movimiento de traslación del cabezal y para gobernar dicho dispositivo de orientación del haz láser.

Durante el movimiento (V) del cabezal de fabricación aditiva en dicha dirección transversal, el cabezal emite un movimiento dinámico impartido sobre el haz láser, estando dicho movimiento configurado de forma que se obtenga un ancho de la traza que es independiente del tamaño del punto de enfoque del haz láser y es equivalente a la producida por un punto aparente que tenga un ancho sustancialmente correspondiente al ancho de la traza, y de forma que la distribución de la potencia transmitida por el haz láser a la traza varíe en la dirección del ancho de la traza.

En diversas realizaciones, por ejemplo, dicho dispositivo orientador del haz láser comprende un par de espejos dispuestos en secuencia a lo largo de la trayectoria del haz láser y montados oscilando alrededor de ejes respectivos mutuamente ortogonales, y dos dispositivos actuadores, cada uno para gobernar un movimiento de oscilación de un espejo respectivo.

En varias realizaciones, por ejemplo, el dispositivo de orientación del haz láser puede comprender una pluralidad de componentes ópticos, preferentemente incluyendo prismas giratorios y/o colimadores adaptativos.

En varias realizaciones, una o más boquillas pueden ser orientables por medio de actuadores respectivos.

De nuevo, ventajosamente, dicha posibilidad de modificar de forma continua las propiedades de la traza puede simplificar una etapa, previa al diseño, de provisión de las trayectorias a lo largo de las cuales trasladar el cabezal, por ejemplo una etapa de programación CAM. Por ejemplo, es posible definir las propiedades de cada capa de un objeto, manteniendo siempre las mismas profundidades y proporciones en los trazos con los que se forman las propias capas.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la solución técnica de acuerdo con la presente divulgación se desprenderán de la siguiente descripción con referencia a los dibujos adjuntos, que se proporcionan únicamente a modo de ejemplo no limitativo y en los que:

- Las figuras 1A y 1B son diagramas (discutidos en lo anterior) que representan dos haces láser diferentes y las trazas correspondientes, que pueden obtenerse con procedimientos de acuerdo con la técnica anterior;

- La figura 2 es una vista de un sistema de fabricación aditiva;

- La figura 3 es una vista de un cabezal de un sistema de fabricación aditiva;

- La figura 3A muestra un detalle de la cabeza a escala ampliada;

- La figura 4 es un diagrama de una arquitectura de control de un sistema de acuerdo con la solución en la presente memoria ejemplificada;

- La figura 5 ilustra de forma simplificada el principio de funcionamiento subyacente a la presente solución;

- Las figuras 6 a 8 representan diagramas ejemplares relacionados con detalles de la estructura y funcionamiento de un sistema de acuerdo con la presente solución; y

- La figura 9 representa un diagrama ejemplar de las operaciones de un procedimiento de acuerdo con la presente descripción.

Descripción detallada de una realización

En la descripción que sigue, se presentan numerosos detalles específicos para permitir la máxima comprensión de las realizaciones proporcionadas a modo de ejemplo. Las realizaciones pueden implementarse con o sin detalles específicos, o bien con otros procedimientos, componentes, materiales, etc. En otras circunstancias, las estructuras, materiales u operaciones que son bien conocidas no se ilustran ni describen en detalle de forma que aspectos de las realizaciones no quedarán oscurecidos. La referencia, en el curso de la presente descripción, a "una realización" o "una realización" significa que una peculiaridad, estructura o característica particular descrita en relación con la realización está comprendida en al menos una realización. En consecuencia, frases tales como "en una realización" o "en una realización" que pueden estar presentes en uno o más puntos de la presente descripción no necesariamente se refieren precisamente a una y la misma realización. Además, las conformaciones, estructuras, o características particulares pueden combinarse de cualquier forma adecuada en una o más realizaciones.

Las letras y referencias utilizadas en el presente documento se proporcionan únicamente para comodidad del lector y no definen el alcance o el significado de las realizaciones.

En referencia inicial a las Figuras 2 y 3, designado en su conjunto por 12 es un cabezal o elemento móvil que comprende una unidad óptica (o cabezal óptico) de una máquina 10 para fabricación aditiva por deposición de energía dirigida (DED) de acuerdo con la presente descripción.

Cabe señalar que la máquina descrita a continuación constituye simplemente un ejemplo de implementación de máquina a la que puede aplicarse la siguiente solución. Una máquina de este tipo se ilustra en el documento WO 2018/069809 A1 presentado a nombre del mismo Solicitante. No obstante, se entiende que la solución descrita en la presente memoria es de aplicación general, dado que puede aplicarse también a máquinas con cualquier otra configuración y disposición, distinta de la ilustrada a modo de ejemplo.

Con referencia al ejemplo ilustrado, una máquina de fabricación aditiva DED puede comprender una máquina cartesiana 10, por ejemplo con ejes redundantes, que comprende uno o más brazos configurados para desplazar el cabezal 12 por medio de actuadores accionados por una unidad de control.

A continuación, la Figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de una realización de la máquina de fabricación aditiva DED, designada en su conjunto por el número de referencia 10, que comprende una estructura de transporte 11, diseñada para desplazar un soporte 11d, al que está asociado de forma segura un cabezal o elemento móvil 12 para la fabricación aditiva por deposición directa de polvos, a lo largo de una primera pluralidad de ejes, concretamente tres ejes cartesianos X, Y, Z.

Para ello, la estructura de transporte 11 comprende una estructura de guía 11a, que incluye una base 11m y, en la parte superior, unos raíles 11h que se extienden a lo largo del eje horizontal X. Posicionada sobre los raíles 11h hay una corredera 11c libre para deslizarse a lo largo de la extensión de los raíles 11h. Descansando sobre esta corredera 11c se encuentra un extremo de una viga en voladizo 11b, que se extiende en una dirección ortogonal a la dirección de extensión de los raíles 11h, por ejemplo a lo largo del eje Y ortogonal al eje X. Dicho extremo de la viga en voladizo 11b está asociado de forma deslizante a la corredera 11c, sobre la que descansa. El otro extremo libre de la viga 11b tiene un soporte 11k con guías verticales 11j, a través de las cuales el soporte 11d, que lleva la cabeza 12, es guiado a lo largo de un eje vertical, por ejemplo un eje Z ortogonal al plano XY Los movimientos del soporte 11d a lo largo del eje Z están gobernados por un motor 11f.

Los movimientos del haz 11b con respecto a la corredera 11c y de la corredera 11c con respecto a la estructura 11a de guía también son accionados por motores, los cuales sin embargo no son visibles en la Figura 2.

Como resultado de esta configuración, el desplazamiento del cabezal 12 tiene lugar en un volumen de trabajo 100, es decir, básicamente en un paralelepípedo, cuyas dimensiones están definidas por el recorrido del cabezal 12 a lo largo de los ejes horizontales X e Y, y del eje vertical Z.

Una cara del paralelepípedo 100 que forma el volumen de trabajo (por ejemplo, la cara inferior) es la superficie de trabajo 110, a partir de la cual, como se describe a continuación, las secciones de un objeto que se va a producir por medio de fabricación aditiva se tratan térmicamente a altas temperaturas (por ejemplo, se someten a fusión).

En variantes de realización, la superficie de trabajo 110 puede entenderse como la superficie, por ejemplo, de un sustrato (o de un banco en el que está presente un sustrato), sobre la que se depositan los polvos y se lleva a cabo la fusión de los mismos, o bien también un elemento sobre el que se cultiva una estructura de forma aditiva por medio del proceso descrito en la presente memoria. Por consiguiente, en general, por "superficie de trabajo" se entiende la superficie en el nivel (por ejemplo, a lo largo del eje Z) en el que se lleva a cabo el proceso.

Alternativamente, la estructura de transporte 11 puede ser, por ejemplo, de tipo portal.

La estructura del cabezal 12 descrita en lo que sigue, es también en sí misma conocida por el documento WO 2018/069809 A1 presentado a nombre del presente solicitante. Una vez más, esta estructura se ilustra a modo de ejemplo. Se entiende que la solución sería aplicable también a diferentes estructuras de cabeza, de forma compatible con la posibilidad de aplicar los principios que subyacen a la presente solución, como se desprende claramente de la descripción que sigue.

En el ejemplo, el cabezal 12, como se ilustra más detalladamente en lo que sigue, comprende boquillas 34 para emitir o inyectar chorros de polvo y una unidad óptica para dirigir simultáneamente un haz láser para tratar térmicamente dichos polvos. La máquina 10 comprende, por ejemplo, una catenaria, no visible en las figuras 2 y 3, que incluye cables de fibra óptica que se conectan a través de un cableado 50 del cabezal 12 con el fin de transportar la radiación procedente de una fuente de radiación láser, por ejemplo situada a distancia con respecto al cabezal 12, en la unidad óptica láser del cabezal 12. La unidad óptica láser comprende un dispositivo de colimación 12c (por ejemplo, colimación adaptativa o estable) y un dispositivo óptico 12d para la orientación (o desviación) del haz láser.

Por "dispositivo óptico" se entiende en general un sistema configurado para variar las propiedades ópticas de un haz láser, por ejemplo un aparato de desviación óptica que puede comprender un escáner, o actuadores piezoeléctricos, o uno o más prismas, u otros elementos ópticos configurados para variar de forma controlada una trayectoria óptica de un haz láser.

En diversas realizaciones, el cabezal 12 puede incluir la propia fuente láser.

Es posible que la catenaria anterior suministre también gases de proceso, tales como argón o nitrógeno, para el proceso de fusión. Una vez más, en el ejemplo considerado, la catenaria anterior comprende conductos para suministrar los polvos fundentes desde los respectivos dispositivos de suministro dispuestos a distancia con respecto a la máquina 10. Además, la catenaria mencionada incluye cables de control eléctrico y posibles tubos para el suministro de refrigerante.

La figura 3 representa el cabezal 12 en vista en perspectiva. El cabezal 12 comprende una porción superior 12a, que aloja sustancialmente la unidad óptica láser 12d. Conectado, de hecho, a la porción superior 12a está el cableado 50, que, como se ha mencionado, comprende en su interior una fibra óptica que transporta un haz láser L emitido por una fuente láser situada a distancia y, por tanto, no ilustrada en las figuras 2 y 3.

El cableado 50 entra en un primer cuerpo en forma de caja 12c en la porción superior 12a, que está situada en la pared superior de un segundo cuerpo en forma de caja 12d.

Dicho primer cuerpo en forma de caja 12c, como se ve más claramente en la figura 3, alberga en su interior un dispositivo de colimación adaptativa, que recibe el haz láser L a lo largo de un eje paralelo al eje vertical Z.

El segundo cuerpo en forma de caja 12d aloja en su interior el dispositivo óptico, que comprende, por ejemplo, medios ópticos de barrido que dirigen el haz láser, como se expone a continuación (en particular, con referencia a la figura 6).

El cabezal 12 comprende además, además de la porción superior 12a, también una porción inferior 12b, situada debajo de la porción superior 12a y asociada a la misma, a través de una pared superior propia, asociada a una pared inferior del segundo cuerpo en forma de caja 12d que aloja los medios de exploración óptica.

Dicha porción inferior 12b comprende un conducto pasante 12e, cuyo eje principal es paralelo al eje vertical Z, pero escalonado en el plano horizontal XY con respecto al eje del dispositivo de adaptación-colimación 12c. El conducto pasante (o espaciador) 12e, preferentemente presurizado, tiene forma tubular y está asociado al cuerpo en forma de caja 12b a través de un extremo abierto propio y a través de un sistema de accionamiento rotativo 12f, asociado a motores de accionamiento (no visibles en la figura), que facilita la rotación del conducto pasante 12e alrededor de su propio eje principal.

En el ejemplo discutido en la presente memoria, la porción superior 12a se representa como teniendo un tamaño mayor que el tamaño correspondiente de la porción inferior 12b. La relación entre los tamaños se proporciona meramente a modo de ejemplo, quedando por otro lado entendido que en una o más realizaciones las relaciones de estos tamaños pueden ser diferentes e incluso invertidas con respecto a lo ejemplificado en las Figuras 2, 3 y 3A. Específicamente, la porción inferior puede ser apreciablemente más corta que la porción superior.

El otro extremo abierto del conducto pasante 12e está abierto al menos desde un punto de vista óptico en la medida en que, para mantener la presurización, puede proporcionarse un elemento de sellado transparente a la longitud de onda de la radiación láser. Este otro extremo abierto está orientado hacia la zona de trabajo 100 y está conectado de forma segura a un efector final que comprende un bastidor portaherramientas 30 en el que están montadas una pluralidad de boquillas 34 para la emisión/inyección de chorros de polvo PJ. Dicho bastidor portaherramientas 30 se asocia de forma segura a dicho extremo abierto del conducto pasante 12e.

Con referencia a la figura 3A, ésta muestra una vista a escala ampliada de la parte terminal del conducto 12e y del bastidor portaherramientas 30 del cabezal 12.

En el ejemplo considerado, el citado marco 30 tiene la forma de un anillo, de forma que define un perímetro que, en consecuencia, tiene la forma de una circunferencia que identifica una zona circular de paso en su interior. En el ejemplo descrito en la presente memoria, las boquillas 34 fijadas con respecto al bastidor 30 son cuatro en número en dos pares de puntos diametralmente opuestos y en un ángulo de 90° entre sí a lo largo de la circunferencia del bastidor 30.

Cabe señalar que el número de cuatro boquillas descrito en la presente memoria se proporciona meramente a modo de ejemplo. Cualquier número de boquillas puede estar presente en otras realizaciones.

En el ejemplo discutido, el bastidor portaherramientas 30 está posicionado paralelo a la superficie de trabajo 110; es decir, su perímetro y su área son paralelos al plano XY Las boquillas 34 están dispuestas preferentemente de forma que sus respectivos ejes de emisión de las boquillas U estén inclinados hacia un eje de inyección I que pasa por el centro del perímetro del bastidor 30, para formar, es decir, un ángulo de inclinación agudo con el propio eje de inyección I. Por consiguiente, estos ejes de boquilla U se cruzan en un punto de depósito de polvo PD.

De acuerdo con una realización preferente, una o más de las boquillas 34 anteriores es una boquilla para pulverizar gas de proceso.

De acuerdo con otra realización preferente, una o más de las boquillas 34 anteriores es una boquilla para pulverizar polvos a fundir, rodeada de un gas protector.

El segundo cuerpo en forma de caja 12d comprende, en su interior, la unidad óptica que transporta la radiación láser L y la enfoca en un punto láser LS en el volumen de trabajo 100. Esta radiación láser L procede del elemento de colimación 12c que facilita la variación del diámetro y del punto de enfoque de dicho punto láser LS a partir de una radiación láser, con características de potencia adecuadas para la fusión, transportada por una fuente láser remota a través de la fibra óptica en el cableado 50, o alternativamente, a través de una cadena óptica o una fuente de radiación láser, que también se encuentra en el cabezal 12.

Corriente abajo del colimador adaptativo 12c, a lo largo de un eje vertical de propagación de la radiación láser L, un espejo estacionario (no visible en las figuras) desvía la radiación láser L perpendicularmente, es decir, en dirección horizontal. Este espejo tiene preferentemente características de selección en frecuencia (es decir, es, por ejemplo, un espejo dicroico) para efectuar el seguimiento de la radiación no reflejada procedente de la fuente o de la zona de tratamiento 110. En particular, la radiación reflejada generada por la traza o por el baño de fusión durante el tratamiento cubre el camino óptico en sentido inverso. El espejo dicroico selecciona algunas frecuencias, dejándolas pasar, y las envía hacia un elemento o sistema de vigilancia, por ejemplo.

La unidad o dispositivo óptico situado en el segundo cuerpo en forma de caja 12d comprende un conjunto de componentes ópticos diseñados para desviar y/o manipular un haz láser incidente L. Por ejemplo, el dispositivo óptico 12d puede comprender uno o más espejos de orientación M1, M2, tal como se describe a continuación en relación con la figura 6, que son móviles a través de los respectivos actuadores galvanométricos A1, A2 (representados de forma totalmente esquemática en la figura 6) configurados para girar los dos espejos M1, M2 -y por lo tanto el haz láser L desviado por los mismos- a lo largo de ejes de rotación mutuamente perpendiculares.

Algunas realizaciones pueden comprender, como componentes ópticos utilizados en el dispositivo óptico 12d, también unos de tipos múltiples y/o diferentes, tales como prismas, lentes, rejillas de difracción, divisores de haz, polarizadores, expansores, y otros componentes per se conocidos pero combinados de forma que faciliten el control de las propiedades del haz láser de acuerdo con el procedimiento discutido en la presente memoria.

Además, en la vista de la Figura 3 es visible el bastidor 30 que lleva las boquillas 34 y el conducto presurizado 12e dentro del cual pasa el haz láser L.

De acuerdo con otra realización opcional, las boquillas 34 mencionadas son móviles, es decir, ajustables, con respecto al eje de inyección I para poder variar en el tiempo la posición relativa de sus ejes U. El bastidor 30, como se ha mencionado anteriormente, se mueve opcionalmente de acuerdo con una rotación alrededor de un eje vertical propio, paralelo al eje Z y que pasa por el centro del perímetro definido por las boquillas 34, a través de un accionador (no visible en las figuras). En general, el eje del bastidor coincide con el eje normal de incidencia I. En la realización proporcionada a modo de ejemplo, el conducto presurizado 12e está fijado con respecto al bastidor 30, y el conducto 12e y el bastidor 30 giran fijamente con respecto a la porción superior 12a, que, en cambio, está fijada con respecto al soporte 11d; es decir, es móvil únicamente a lo largo de la primera pluralidad de ejes de movimiento X, Y, Z del sistema de transporte 11.

En una realización alternativa, el conducto presurizado 12e está fijado con respecto a la parte superior 12a, mientras que el bastidor 30 está, en cambio, asociado al extremo inferior del conducto 12e de forma giratoria alrededor del eje longitudinal del conducto 12e, que corresponde al eje vertical principal de inercia del bastidor, si se entiende como disco o anillo. Los medios de accionamiento pueden estar dispuestos, en este caso, en el interior del conducto 12e para hacer girar el bastidor 30.

En la figura 4 se representa un diagrama de principio de la arquitectura de una unidad de control numérico 60 para gestionar el control de los actuadores, a saber, los motores de la estructura de transporte 11, que mueven los ejes X, Y, Z del cabezal 12 y que mueven las correderas 31u, 31v, y por tanto los ejes del dispositivo óptico 12d, a saber, los actuadores galvanométricos de los ejes de rotación a y p. La unidad 60 comprende dos ordenadores 61 y 62 personales. El ordenador 61 personal opera como interfaz de usuario para enviar instrucciones y comandos al segundo ordenador 62 personal, el cual comprende preferentemente un sistema 62a operativo asociado a extensiones de tipo 62b tiempo real para la gestión de la máquina. El sistema operativo puede ser, por ejemplo, de tipo Linux, de tipo WinCE, u obtenerse a través de soluciones propietarias. Por lo tanto, el ordenador 62 personal suministra los trayectos por seguir a una tarjeta 63 de servocontrol de tipo DSP PCI para el control de los actuadores.

Implementados en el ordenador 62 personal y en la tarjeta 63 de servocontrol están los procedimientos para accionar el sistema, como se discute en lo que sigue.

La unidad de control numérico 60, de acuerdo con procedimientos per se conocidos en la técnica anterior, genera una secuencia de instrucciones P, correspondiente a un llamado programa de pieza para una máquina virtual con especificaciones dadas de aceleración y velocidad. Dicha secuencia de instrucciones P procede del ordenador personal 61 y está originada por un programa diseñado a propósito para el ajuste fuera de línea de las trayectorias y movimientos de la máquina. Se aplica a la misma una función de interpolación que, en base a la secuencia de instrucciones P, genera una trayectoria de la máquina herramienta 10. Este trayecto de la máquina herramienta 10 corresponde a las coordenadas cinemáticas que describen en el tiempo el movimiento de un punto de la máquina herramienta 10, por ejemplo una junta o un terminal, o TCP (Punto Central de Herramienta). Esta interpolación opera en respuesta a un código de preparación, o G-código, enviado dentro de la secuencia P de instrucciones. La operación de la interpolación se implementa a través del software dentro del ordenador 62 personal.

Se observa además que, en la máquina de fabricación aditiva DED 10 descrita, la unidad 60 está configurada para enviar otros comandos relativos a la regulación, por ejemplo, de la velocidad de los chorros de polvo y del caudal del gas de proceso. Estos comandos pueden asociarse a la secuencia de instrucciones P para que se produzcan en determinados puntos y en determinados instantes definidos por la trayectoria de la máquina herramienta, así como a fin de accionar los actuadores de los espejos galvanométricos A1, A2, como se comenta a continuación.

De acuerdo con un aspecto principal de la solución en la presente memoria descrita, el dispositivo óptico en el cuerpo en forma de caja 12d es accionado por la unidad de control 60 de forma que imparte al haz láser L, durante el ciclo de procesamiento, un movimiento dinámico, por ejemplo una variación dinámica con frecuencia w del ángulo con el que el haz láser emitido por el cabezal incide sobre la región PD de la superficie de trabajo 110.

En diversas realizaciones, puede impartirse al haz láser emitido por el cabezal una oscilación dinámica, a saber, una oscilación cíclica continua o incluso intermitente, variable en el tiempo con una frecuencia preestablecida, que hace que un punto de enfoque LS siga cíclica y periódicamente un patrón preestablecido, por ejemplo un patrón circular.

En lo que sigue, para simplificar, los principios de la solución se discuten con referencia al movimiento de oscilación dinámica proporcionado anteriormente a modo de ejemplo, quedando por otra parte entendido que este ejemplo no es en modo alguno limitativo. En diversas realizaciones, en efecto, el movimiento dinámico impartido al haz láser comprende movimientos de traslación del haz láser, de rotación del haz láser, o cualquier otro tipo de movimiento del haz láser, y/o combinaciones de movimientos.

Como se menciona para simplificar en lo que sigue, se hace referencia principalmente a un cabezal 12 que opera con boquillas 34 que pueden asumir una posición con respecto a un eje de inyección que permanece invariable en el tiempo; sin embargo, se entiende que una solución como la discutida en la presente memoria puede aplicarse también al caso en que las boquillas se mueven, como se discute en lo anterior.

La Figura 5 ejemplifica los principios subyacentes a una solución discutida en la presente memoria.

Como se ha mencionado, el cabezal 12 puede desplazarse, por ejemplo con una velocidad V, en el espacio tridimensional, por ejemplo de acuerdo con los ejes X, Y, Z, a fin de depositar los polvos a través de las boquillas 34 y, simultáneamente, tratarlos térmicamente por medio de un haz láser controlado a través del módulo de escáner 12d. Tanto el láser L como las boquillas 34 se accionan de acuerdo con las instrucciones recibidas de la unidad de control 60.

Como consecuencia de la traslación anterior, un punto de deposición de polvo PD también se traslada rígidamente con respecto a la traslación del cabezal 12 a la velocidad V para crear una tira de polvo generada por la secuencia de los puntos de deposición PD que se trasladan como uno con el cabezal 12.

Del mismo modo, un punto láser LS utilizado simultáneamente para tratar los polvos depositados en la traza de polvo se desplaza a lo largo de una trayectoria de luz LP, por ejemplo con forma de epicicloide, representada con líneas discontinuas en la Figura 5.

Como resultado del movimiento impartido al haz láser durante la traslación del cabezal 12, la porción "iluminada" resultante transmite a los polvos una potencia que tiene una distribución igual a la resultante de la traslación de un punto con forma o "punto aparente" de un tamaño correspondiente a la amplitud de la oscilación impartida al haz láser.

Se observa que lo que se ha discutido en lo anterior se aplica tanto en el caso de las boquillas móviles 34 como en el caso de las boquillas fijas 34. La Figura 6 representa un diagrama, proporcionado a modo de ejemplo, de ópticas móviles que pueden utilizarse; por ejemplo, es visible el módulo de escáner 12d del cabezal 12.

Por ejemplo, el dispositivo óptico 12d puede comprender un camino óptico para el láser L, que incluye:

- un primer espejo móvil M1, con al menos una superficie reflectante dispuesta a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser L procedente del espejo estacionario descrito anteriormente, situado corriente abajo del colimador adaptativo 12c; el espejo M1 está configurado para ser orientable, por medio de un accionador A1 acoplado al mismo, a lo largo de un primer eje, por ejemplo un eje horizontal X; y

- un segundo espejo móvil M2, que tiene al menos una superficie reflectante dispuesta a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser L reflejado por el espejo M1, configurado para ser orientable por medio de un accionador A2 acoplado al mismo a lo largo de un segundo eje ortogonal (es decir, fijado a 90°) al primer eje de orientabilidad del primer espejo móvil M1; por ejemplo, el espejo M2 puede ser orientable a lo largo del eje vertical Z.

Los actuadores A1, A2 pueden ser actuadores galvanométricos, que sonper seconocidos.

El segundo espejo M2 puede además estar configurado para suministrar, a la salida, el haz láser L de forma que se dirija hacia la superficie de trabajo 110.

Cuando el haz láser L se encuentra con el primer espejo móvil M1, se refleja con un cierto ángulo a con respecto a un eje perpendicular a una superficie reflectante del espejo. Del mismo modo, cuando el haz láser L reflejado por el primer espejo móvil M1 se encuentra con el segundo espejo móvil M2, se refleja con un ángulo adicional p definido con respecto a un eje adicional perpendicular a una superficie reflectante del segundo espejo M2.

Variando en el tiempo los valores de estos ángulos de deflexión de manera coordinada, es posible impartir tal oscilación dinámica.

En algunas realizaciones, es posible accionar los actuadores de los espejos respectivos A1, A2 de manera independiente o coordinada entre sí por medio del envío de las instrucciones correspondientes, por ejemplo a través del módulo de control 60.

Repitiendo con un cierto periodo, por ejemplo con un periodo que es el inverso de la frecuencia de oscilación dinámica w, una secuencia dada de movimientos de orientación de los espejos M1, M2 por medio de los respectivos actuadores A1, A2, es posible obtener una cierta forma o patrón, o, a la inversa, partiendo de una cierta forma que se desea obtener es posible accionar los actuadores en consecuencia.

Se nota que en lo que sigue por simplicidad se discute el caso donde la oscilación dinámica se imparte con dos espejos, quedando por otro lado entendido que cualquier número de espejos, por ejemplo un número de espejos igual o mayor a dos, podría ser usado en algunas realizaciones.

Igualmente, en lo que sigue por simplicidad se discute el caso donde hay dos actuadores, quedando por otro lado entendido que cualquier número de actuadores, por ejemplo un número par, podría ser usado en algunas realizaciones.

La Figura 8 ilustra algunas formas o patrones proporcionados a modo de ejemplo que es posible obtener con los espejos móviles M1, M2 accionados por los actuadores A1, A2.

Como se ejemplifica en la Figura 8, por ejemplo:

- como se representa en la porción A), es posible obtener un patrón circular I que, una vez trasladado con velocidad V, forme una trayectoria luminosa epicicloidal LPa; dicho patrón circular puede obtenerse, por ejemplo, desplazando el primer espejo de acuerdo con una función seno y el segundo espejo de acuerdo con una función coseno (o viceversa);

- como se representa en la porción B), es posible obtener un patrón elipsoidal Lb que, una vez trasladado con velocidad V, forma una trayectoria luminosa en espiral LSb que tiene la forma de una elipse trasladada;

- como se representa en la porción C), es posible obtener un patrón lineal Lc, que, una vez trasladado con velocidad V, forma una trayectoria luminosa en forma de V LSc; dicho patrón lineal puede obtenerse, por ejemplo, moviendo sólo uno de los dos espejos, por ejemplo el segundo M2, de forma que pueda asumir todas las posiciones comprendidas entre dos ángulos máximos, entre los cuales puede orientarse el espejo; y

- como se representa en la porción D), es posible obtener un patrón con forma de figura 8 LPc, que, una vez trasladado con velocidad V, forma una doble espiral.

Se hace notar que los ejemplos discutidos en lo que antecede, como tales, no constituyen limitación alguna sobre los patrones que pueden obtenerse impartiendo la oscilación dinámica sobre el haz láser L, quedando por otra parte entendido que podrían obtenerse otros patrones, además de los ejemplificados en la presente memoria.

Gracias a la oscilación dinámica circular I impartida a través de los espejos M1, M2 y los respectivos actuadores A1, A2 en el módulo de escáner 12d situado en el cabezal 12, como se ha comentado anteriormente, a pesar de la propiedad de los polvos de depositarse de acuerdo con una distribución en forma de campana, la traza resultante MPP es sustancialmente plana; a saber, tiene una forma que es más aplanada en el centro en comparación con lo que puede obtenerse con soluciones conocidas y que presenta una diferencia de nivel insignificante entre el punto de máximo y el punto de mínimo del espesor de la traza, a pesar de la tendencia de los polvos a acumularse a un nivel más alto en la zona central de la traza, disminuyendo también en consecuencia la profundidad h de la traza MPP con respecto a la profundidad que tendría tras dicha acumulación de polvos.

Como se ejemplifica en la Figura 7, la potencia láser transmitida a los polvos, por ejemplo con un patrón de tipo circular I, presenta una distribución de potencia designada por D.

Gracias a la distribución D de la potencia transmitida, obtenida con el procedimiento descrito anteriormente, la altura h de la sección transversal de la traza MPP no varía significativamente en función de la distancia a un centro en dirección transversal, en la medida en que la sección transversal de la traza MPP en dirección transversal a la velocidad V de traslación presenta un espesor cuasi uniforme de valor h tanto en el centro como en los bordes, donde los bordes están separados entre sí por una distancia c.

La anchura anterior es sustancialmente igual a la amplitud máxima de la distribución D de potencia transmitida. En consecuencia, gracias a la distribución de potencia D resultante es posible obtener una traza metálica MPP relativamente ancha c y relativamente fina h, lo que, por una parte, garantiza la posibilidad de obtener un producto determinado en un tiempo relativamente corto y, por otra, facilita la fabricación del producto por medio de la superposición de capas de material que tienen una profundidad h pequeña, es decir, la fabricación del producto con un alto grado de resolución.

La Figura 9 es un diagrama proporcionado a modo de ejemplo de las operaciones de una o más realizaciones de un procedimiento 1000 para la fabricación aditiva como se discute en el presente documento.

Por ejemplo, el procedimiento 1000 puede comprender:

- 1010: proporcionar un cabezal de fabricación aditiva 12 configurado, por ejemplo a través de las boquillas 34, tanto para dirigir uno o más chorros de polvos PJ, en particular polvos metálicos, sobre una región de una superficie de trabajo 110, como para dirigir simultáneamente, por ejemplo a través de las ópticas M1, M2 en el módulo de escáner 12d, un haz láser L sobre dicha región, en particular sobre la traza de los polvos depositados, para formar un punto de enfoque LS del haz láser L sobre la región; y

- 1012: durante la dirección de dichos chorros de polvo PJ y de dicho haz láser L, LS, trasladando simultáneamente el cabezal de fabricación de aditivos 12 en una dirección transversal a la dirección del haz láser L, por ejemplo con una velocidadVde traslación a lo largo de un eje X o Y, a fin de dar lugar a un trayecto de luz LP que efectúe un tratamiento térmico sobre los polvos, formando así una traza sólida MPP por medio de fusión y posterior solidificación de los polvos, en particular como resultado de la potencia transmitida a dichos polvos por dicho punto de enfoque láser L de en el trayecto de luz LP; y

- 1014: durante el movimiento del cabezal de fabricación de aditivos 12 en la dirección transversal, impartiendo una oscilación dinámica al haz láser L emitido por el cabezal 12, estando configurada dicha oscilación, que por ejemplo tiene una frecuencia w, de forma que se obtenga una anchura c de la traza que sea independiente del tamaño del punto de enfoque del haz láser L, y de forma que la distribución de la potencia transmitida por el haz láser a la traza (de forma que los polvos interceptados por el haz láser van a solidificarse, formando una secuencia de charcos de fusión y, por consiguiente, la propia traza) varíe a lo largo de la dirección de la anchura, por ejemplo de acuerdo con una distribución de potencia D, con un perfil que tenga dos valles y un pico central.

Sin perjuicio de los principios subyacentes, los detalles y las realizaciones pueden variar, incluso apreciablemente, con respecto a lo que se ha descrito en la presente memoria, simplemente a título de ejemplo, sin apartarse del ámbito de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento (1000) para la fabricación aditiva,

en el que un cabezal de fabricación aditiva (12) dirige uno o varios chorros de polvos (PJ), en particular polvos metálicos, sobre una región (PD) de una superficie de trabajo (110),

en el que dicho cabezal (12) dirige simultáneamente un haz láser (L) sobre dicha región (PD), para formar un punto de enfoque (LS) del haz láser (L) sobre dicha región (PD), y

en el que, durante la dirección de dichos chorros de polvo (PJ) y de dicho haz láser (L) sobre dicha región (PD), dicho cabezal de fabricación de aditivos (12) se desplaza simultáneamente (1012) en una dirección transversal a la dirección del haz láser (L) para dar lugar a una traza (MPP) obtenida por fusión de dichos polvos como resultado de la potencia (D) transmitida a dichos polvos (PJ) por dicho punto de enfoque (LS),

en el que, durante la traslación (1012) del cabezal de fabricación de aditivos (12) en dicha dirección transversal, se imparte un movimiento dinámico con respecto al cabezal (12) (1014) sobre el haz láser (L) emitido por el cabezal (12),

dicho movimiento dinámico está configurado de forma que se obtenga una anchura (c) de dicha traza (MPP) independiente del tamaño del punto de enfoque (LS) del haz láser (L) y equivalente a la que se produciría por simple traslación de un punto aparente que tuviera una anchura correspondiente a la anchura (c) de la traza (MPP),

dicho movimiento dinámico está además configurado de forma que la distribución de la potencia (D) transmitida por el haz láser (L) a la traza (MPP) varía a lo largo de la dirección de la anchura (c) de la traza (MPP), el procedimientose caracteriza por queel movimiento impartido (1014) al haz láser (L) es tal que una zona central de la traza recibe del haz láser (L) una distribución de potencia inferior a la de las zonas laterales de la traza, a fin de obtener una traza (MPP) con una profundidad (h) preestablecida y controlada que es relativamente pequeña en comparación con la anchura (c), a pesar de la tendencia de los polvos a acumularse a un nivel superior (q, q') en la zona central de la traza (MP, MP').

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado en quedicho movimiento dinámico impartido (1014) sobre el haz láser (L) es un movimiento cíclico tal que en cada ciclo el punto de enfoque (LS) del haz láser (L) describe un patrón preestablecido (LP).

3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2,caracterizado porquedicho movimiento dinámico impartido (1014) sobre el haz láser (L) es un movimiento de oscilación dinámica (w).

4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3,caracterizado en quedicho movimiento dinámico impartido (1014) sobre el haz láser (L) es un movimiento cíclico de oscilación (w) sustancialmente correspondiente a un movimiento de precesión, donde en cada ciclo de dicho movimiento de precesión el punto de enfoque (LS) del haz láser (L) describe un patrón preestablecido (LP).

5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2 o la reivindicación 4,caracterizado porquedicho patrón preestablecido se selecciona de entre una pluralidad de patrones que comprenden: un patrón circular (L<a>,<l>P<a>), un patrón elíptico (L<b>, LP<b>), un patrón lineal (Lc, LPc), y un patrón en forma de figura 8 (L<d>, LP<d>).

6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado porqueuna velocidad (V) de traslación del cabezal de fabricación aditiva (12) y/o una velocidad (w) con la que el punto de enfoque (LS) del haz láser (L) describe un patrón (LP) en cada ciclo de oscilación del haz láser (L) están predeterminadas de forma que se obtiene una distribución deseada de la potencia (D) transmitida por el haz láser (L) a la traza (MPP) en la dirección de la anchura (c) de la traza (MPP).

7. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6,caracterizado en quedicho patrón (LP), dicha velocidad de traslación (V) del cabezal (12), y/o dicha velocidad (w) con la que el punto de enfoque (LS) del haz láser (L) describe dicho patrón (LP) en cada ciclo de oscilación del haz láser (L) se eligen de forma que den lugar a un perfil deseado de la potencia (D) transmitida por el haz láser (L) con respecto a la dirección de la anchura (c) de la traza (MPP).

8. Un sistema de fabricación aditiva (10), que comprende:

- un cabezal de fabricación aditiva (12) que incluye una o más boquillas (34) para dirigir uno o más chorros de polvos metálicos (PJ) sobre una región (PD) de una superficie de trabajo (110), y un dispositivo de enfoque y dirección del haz láser para dirigir un haz láser (L) sobre dicha región (PD) simultáneamente con la dirección de dichos chorros de polvos metálicos (PJ), para formar un punto de enfoque del haz láser (LS) sobre dicha región (PD),

y en el que dicho cabezal de fabricación de aditivos (12) está configurado para ser desplazado (1014), en una dirección transversal a la dirección de emisión del haz láser, durante la dirección (1012) de dichos chorros de polvos metálicos (PJ) y de dicho haz láser (L),

dicho cabezal (12) comprende además:

un dispositivo para orientar el haz láser emitido (12d); y

al menos un controlador electrónico para controlar el movimiento de traslación (1014) del cabezal (12) y para gobernar dicho dispositivo de orientación del haz láser (12d),

en el que dicho al menos un controlador electrónico está configurado para gobernar dicho dispositivo de orientación del haz láser (12d) con el fin de impartir (1014) al haz láser (L) emitido por el cabezal (12), durante el movimiento del cabezal (12) en dicha dirección transversal, un movimiento dinámico con respecto al cabezal (12),

dicho movimiento dinámico impartido (1014) está configurado de forma que se obtiene una anchura (c) de dicha traza que es independiente del tamaño del punto de enfoque (LS) del haz láser (L) y es equivalente a la que se produciría por simple traslación de un punto aparente que tuviera una anchura correspondiente a la anchura (c) de la traza,

dicho movimiento dinámico impartido (1014) está además configurado de forma que la distribución de la potencia (D) transmitida por el haz láser (L) a la traza (MPP) varía en la dirección de la anchura de la traza (MPP),

el sistemase caracteriza por queel movimiento (1014) impartido al haz láser (L) es tal que una zona central de la traza recibe del haz láser (L) una distribución de potencia menor que las zonas laterales de la traza, a fin de obtener una traza (MPP) con una profundidad (h) preestablecida y controlada que es relativamente pequeña en comparación con la anchura (c), a pesar de la tendencia de los polvos a acumularse a un nivel más alto (q, q') en la zona central de la traza (MP, MP').

9. Durante el movimiento (V) del cabezal de fabricación aditiva en dicha dirección transversal, el cabezal emite un movimiento dinámico impartido sobre el haz láser, estando dicho movimiento configurado de forma que se obtenga un ancho de la traza que es independiente del tamaño del punto de enfoque del haz láser y es equivalente a la producida por un punto aparente que tenga un ancho sustancialmente correspondiente al ancho de la traza, y de forma que la distribución de la potencia transmitida por el haz láser a la traza varíe en la dirección del ancho de la traza.

10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado en que dicho dispositivo orientador del haz láser (12d) comprende un par de espejos (M1, M2) dispuestos en secuencia a lo largo de la trayectoria del haz láser (L) y montados oscilando alrededor de respectivos ejes mutuamente ortogonales (a, p), y dos dispositivos actuadores (A1, A2), cada uno para gobernar un movimiento de oscilación de un espejo respectivo (M1, M2).

11. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8,caracterizado porquedichas una o más boquillas (34) pueden orientarse por medio de respectivos actuadores.

12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 8,caracterizado porquedicho dispositivo de orientación del haz láser (12d) comprende una pluralidad de componentes ópticos, preferentemente incluyendo prismas giratorios y/o colimadores adaptativos.