ES2982746T3

ES2982746T3 - Sistema volumétrico de medición y control del flujo de gas plasma para aplicaciones de fabricación aditiva por arco de alambre y plasma basadas en metales

Info

Publication number: ES2982746T3
Application number: ES20829809T
Authority: ES
Inventors: Ehsan Rezapour; Brede VIGDAL
Original assignee: Norsk Titanium AS
Current assignee: Norsk Titanium AS
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2024-10-17
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: WO2021116291A1; US20210178507A1; KR102930252B1; AU2020401322A1; KR20220116215A; JP7712272B2; JP2023506455A; CN114788417A; CA3164110A1; EP4074145B1; US12465998B2; DK4074145T3; CN114788417B; EP4074145A1

Abstract

Se proporcionan sistemas y métodos para la regulación del flujo másico y el monitoreo del flujo volumétrico, para la regulación del flujo volumétrico y el monitoreo del flujo másico, y para la regulación tanto del flujo másico como del flujo volumétrico de gas a una antorcha de plasma para procesos de fabricación aditiva por arco de plasma de alambre, y métodos para fabricar objetos metálicos mediante fabricación aditiva utilizando uno o más de los sistemas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema volumétrico de medición y control del flujo de gas plasma para aplicaciones de fabricación aditiva por arco de alambre y plasma basadas en metales

Referencia cruzada a la solicitud relacionada

La presente solicitud de patente reivindica prioridad con respecto la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. Serial No. 62/948,148, presentada el 13 de diciembre de 2019, titulada "VOLUMETRIC PLASMA GAS FLOW MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEM FOR METAL-BASED WIRE-PLASMA ARC ADDITIVE MANUFACTURING APPLICATIONS,", y a la Solicitud de EE. UU. Serial No. 17/116,092, presentada el 9 de diciembre de 2020 también titulada "VOLUMETRIC PLASMA GAS FLOW MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEM FOR METAL-BASED WIRE-PLASMA ARC ADDITIVE MANUFACTURING APPLICATIONS".

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a sistemas y métodos para controlar y suministrar de forma consistente un flujo de gas a una herramienta de fusión de un proceso de fabricación aditiva con el fin de crear una fuerza consistente del baño de fusión mientras la densidad del gas está sujeta a variaciones debidas a factores mecánicos y ambientales.

Debate sobre la técnica relacionada

Las partes metálicas estructuradas hechas de titanio o aleaciones de titanio se han fabricado convencionalmente por colada, forja o mecanizado a partir de un tocho. Estas técnicas presentan una serie de desventajas, tales como el elevado uso de material del costoso metal titanio y los grandes plazos de fabricación del objeto metálico. La colada, que a menudo puede utilizarse para la producción de un objeto potencialmente con forma casi de red, suele tener una calidad de material reducida debido a la falta de control de las tasa de solidificación y enfriamiento. Los costes de utillaje y la imposibilidad de preparar objetos con formas complejas son desventajas adicionales de los métodos convencionales.

Los objetos físicos totalmente densos pueden fabricarse mediante fabricación aditiva, una tecnología de fabricación también conocida como prototipado rápido, fabricación rápida, fabricación de forma libre y fabricación por capas. La fabricación aditiva prepara productos con forma casi de red mediante la superposición consecutiva de materiales, capa a capa, para obtener el objeto tridimensional. Esto se opone a la fabricación sustractiva, en donde un tocho o bloque de material se trabaja eliminando material para producir el producto final.

Algunos procesos de fabricación aditiva utilizan un proceso de soldadura por alambre y arco. Es lo que comúnmente se denomina fabricación aditiva por alambre y arco (WAAM). WAAM incluye tres procesos diferentes. La soldadura por arco metálico con gas (GMAW) utiliza un arco eléctrico que se forma entre un electrodo de alambre consumible, generalmente coaxial con la antorcha, y el metal de la pieza de trabajo. La soldadura por arco de gas tungsteno (GTWA) y la soldadura por arco de plasma (PAW) difieren de la GMAW en que pueden utilizar un electrodo de tungsteno no consumible y un gas inerte para generar un plasma ionizado para calentar y fundir un material metálico, tal como un alambre metálico, con el fin de formar una preforma o pieza de trabajo tridimensional. En la soldadura por arco de gas tungsteno y la soldadura por arco de plasma, la ionización puede producirse entre un electrodo negativo (de tungsteno) no consumible y la pieza de trabajo como arco transferido directo, solo o en combinación con un arco piloto entre un electrodo negativo (de tungsteno) no consumible y un ánodo, donde la preforma o el sustrato pueden actuar como ánodo. La configuración de la antorcha y su posición y colocación relativas con respecto a la pieza que se va a cortar pueden hacer que la columna de plasma incida en el baño de fusión.

En aplicaciones de soldadura por arco de plasma para fabricación aditiva, tanto el número de moléculas de gas en el tiempo como el volumen de gas en el tiempo son críticos porque ambos factores afectan a las características térmicas del arco de plasma. En particular, el flujo másico de gas (número de moléculas de gas por unidad de tiempo) afecta al grado de ionización del arco de plasma (es decir, el número de átomos de gas ionizados en relación con el número total de átomos de gas disponibles), y el flujo volumétrico de gas (volumen de gas por unidad de tiempo) afecta a la energía cinética del flujo del arco de plasma y a la presión resultante en el baño de fusión. La presión que la columna de plasma puede ejercer sobre la pieza de trabajo durante la formación puede tener un impacto significativo en la uniformidad de la capa y la repetibilidad del proceso. La presión de la columna de plasma puede verse influida por el control del gas inerte suministrado a la antorcha. Las tecnologías de control del flujo de gas utilizadas actualmente en los procesos de fabricación aditiva por arco de alambre y plasma basados en metales miden y controlan el caudal másico, es decir, el número de moléculas de gas por unidad de tiempo, suministrado a la antorcha de plasma, "suponiendo" unas condiciones estándar para la presión y la temperatura del gas de suministro. Sin embargo, la densidad del gas suministrado a la antorcha puede cambiar significativamente debido a variaciones ambientales, solas o en combinación con factores de variación entre máquinas.

Como resultado, el flujo volumétrico real del gas suministrado en la antorcha y la presión resultante que la columna de plasma puede ejercer sobre la pieza de trabajo pueden estar sujetos a grandes variaciones durante la fabricación. Estas variaciones pueden dar lugar a la formación de productos inconsistentes producidos por un proceso de fabricación aditiva por arco de alambre y plasma basado en metal. Los sistemas y métodos conocidos para la fabricación aditiva se divulgan en los documento EP3135419 A1, EP3170593 A1 y WO 2019/002563 A2.

En consecuencia, existe una necesidad en esta técnica para un método mejorado de controlar el flujo del gas inerte a una antorcha de plasma para ser ionizada en plasma para su uso en un proceso de fabricación aditiva de metal.

Resumen de la invención

Por lo tanto, de acuerdo con la invención se proporciona un sistema para controlar el flujo de un gas a una antorcha de plasma de un dispositivo de fabricación aditiva de acuerdo con la reivindicación 1 y un método para suministrar un flujo volumétrico objetivo y un flujo másico objetivo de un gas inerte para ser ionizado en plasma a una antorcha de plasma de acuerdo con la reivindicación 16. Las realizaciones preferidas de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes. En consecuencia, las realizaciones descritas en el presente documento se dirigen a sistemas y métodos para controlar el flujo del gas inerte a una antorcha de plasma que puede determinar el flujo volumétrico real y puede permitir el ajuste de la presión del arco de plasma y la dinámica del baño de fusión para su uso en procesos de fabricación aditiva por arco de alambre y plasma basados en metales. Se proporcionan sistemas que regulan tanto el flujo másico como el flujo volumétrico del gas a la antorcha de plasma. Los sistemas y métodos pueden incluir elementos de control de flujo volumétrico que pueden estar ubicados dentro de una cámara de producción en o cerca de la entrada de gas de la antorcha de plasma para recibir el gas que va a ser ionizado en plasma por la(s) antorcha(s) de plasma para poder medir y/o controlar cualquier variación en la densidad del gas debido a la perturbación de la radiación del arco, tales como variaciones en la temperatura de las mangueras o tuberías de gas. Los elementos de control del flujo volumétrico situados en la entrada de gas de la(s) antorcha(s) de plasma o en sus proximidades también pueden permitir la detección de cualquier reducción del flujo másico, tal como la debida a fugas, y pueden actuar como un sensor de segunda opinión para el flujo másico.

Un objetivo de las realizaciones descritas en el presente documento es proporcionar una fuerza consistente sobre el baño de fusión durante los procesos de fabricación aditiva por arco de plasma y alambre, incluso si la densidad del gas está sujeta a variaciones debidas a perturbaciones mecánicas o ambientales, o ambas. En algunas realizaciones, se puede conseguir una fuerza consistente controlando el flujo volumétrico del gas en la antorcha de plasma que forma el gas ionizado o plasma. En algunas realizaciones, el control del flujo volumétrico del gas en la antorcha de plasma puede lograrse ajustando el flujo másico del gas que se va a ionizar de la fuente de suministro de gas, o ajustando la densidad del gas que se va a ionizar en la antorcha de plasma modificando la temperatura o la presión o una combinación de ambas del gas, o una combinación de ajustes del flujo másico del gas que se va ionizar en la fuente de suministro de gas en combinación con el flujo volumétrico del gas que se va a ionizar en la antorcha de plasma ajustando la temperatura y/o la presión del gas que se va a ionizar en la entrada de gas de la antorcha de plasma o en sus proximidades.

Un objetivo de las realizaciones descritas en el presente documento es mejorar la dinámica del baño de fusión y, por lo tanto, la forma geométrica y las propiedades mecánicas de la preforma producida por un proceso de fabricación aditiva por arco de plasma y alambre basado en metal, mejorando así la consistencia y la calidad.

Otro objetivo de las realizaciones proporcionadas en el presente documento es crear una presión de arco de plasma consistente en el baño de fusión (es decir, fuerza de arco por unidad de área del baño de fusión), manteniendo la velocidad de descarga de gas del arco de plasma desde la boquilla de la antorcha de plasma a una velocidad de descarga objetivo, a través de diversos niveles de densidad del gas inerte suministrado a la antorcha(s) de plasma.

Se proporcionan sistemas y métodos para controlar el flujo de un gas inerte a una antorcha de plasma de un dispositivo de fabricación aditiva para ser ionizado en plasma. Los sistemas pueden permitir el ajuste de la presión del arco de plasma ejercida sobre el baño de fusión, y por lo tanto pueden permitir la modificación de la dinámica del baño de fusión durante la fabricación de objetos utilizando procesos de fabricación aditiva por arco de plasma y alambre basados en metal.

Se proporciona un sistema para controlar el flujo de un gas a una antorcha de plasma de un dispositivo de fabricación aditiva, donde el sistema incluye una fuente de un gas inerte; un colector de suministro en comunicación fluida con la fuente del gas inerte; una antorcha de plasma que comprende una entrada de gas para recibir el gas inerte de una línea de gas inerte conectada al colector de suministro, y un campo electromagnético ionizador de gas para ionizar el gas inerte en plasma. El sistema incluye además un kit sensorial que comprende una unidad de medición de la temperatura, una unidad de medición de la presión y una unidad de medición del flujo másico, en donde cada unidad está en comunicación con uno o más conectores sensoriales conectados a una posición de la línea de gas inerte entre el colector de suministro y el campo electromagnético del ionizador de gas. El sistema también incluye una válvula de control en comunicación fluida con el colector de suministro de gas y que regula el flujo del gas inerte desde el colector de suministro de gas a la antorcha de plasma. El sistema incluye además un controlador maestro de proceso en comunicación con el kit sensorial, un programa de parte que proporciona un valor establecido de flujo másico y un valor establecido de flujo volumétrico al controlador maestro de proceso, una función de cálculo que se ejecuta en el controlador maestro de proceso que calcula el flujo volumétrico real, y a) una función de control de flujo másico y una función de control de flujo volumétrico que se ejecutan en el controlador maestro de proceso, o b) una función combinada de control de flujo másico y flujo volumétrico que se ejecuta en el controlador maestro de proceso, y en donde el sistema comprende además un elemento de control de densidad que controla la temperatura y/o la presión del gas inerte suministrado a la entrada de la antorcha de plasma.

El sistema puede incluir una función de control de flujo másico que compara el valor establecido de flujo másico del programa de parte con el valor de flujo másico real de la unidad de medición de flujo másico del kit sensorial, y modula la válvula de control o el elemento de control de densidad o ambos, la válvula de control y el elemento de control de densidad, para aumentar o disminuir el flujo másico de gas inerte para disminuir la diferencia entre el valor establecido de flujo másico y el valor de flujo másico real.

La función de control de flujo volumétrico puede comparar el valor establecido de flujo volumétrico del programa de parte con el valor calculado de flujo volumétrico de la función de cálculo, y modular la válvula de control o el elemento de control de densidad o ambos, la válvula de control y el elemento de control de densidad, para aumentar o disminuir el flujo volumétrico del gas inerte para disminuir la diferencia entre el valor establecido de flujo volumétrico y el valor calculado de flujo volumétrico.

En el sistema proporcionado en el presente documento, la función de control de flujo másico puede comparar el valor establecido de flujo másico del programa de parte con el valor de flujo másico real de la unidad de medición de flujo másico del kit sensorial, y la función de control de flujo volumétrico compara el valor establecido de flujo volumétrico del programa de parte con el valor de flujo volumétrico calculado de la función de cálculo y modula la válvula de control y el elemento de control de densidad para ajustar el flujo volumétrico del gas inerte suministrado al campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma.

En el sistema proporcionado, la función combinada de control de flujo másico y flujo volumétrico puede adaptarse para comparar el valor establecido de flujo másico del programa de parte con el valor de flujo másico real de la unidad de medición de flujo másico del kit sensorial, y el valor establecido de flujo volumétrico del programa de parte con el valor de flujo volumétrico calculado de la función de cálculo, y modular la válvula de control y el elemento de control de densidad para ajustar tanto el flujo másico como el flujo volumétrico del gas inerte suministrado al campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma.

En el sistema proporcionado, la función de control de flujo másico puede estar adaptada para comparar el valor establecido de flujo másico del programa de parte con el valor de flujo másico real de la unidad de medición de flujo másico del kit sensorial, y modular la válvula de control para aumentar o disminuir el flujo másico de gas inerte para disminuir la diferencia entre el valor establecido de flujo másico y el valor de flujo másico real, siendo el flujo másico del gas inerte suministrado al campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma; y la función de control del flujo volumétrico está adaptada para comparar el valor establecido del flujo volumétrico del programa de parte con el valor del flujo volumétrico calculado de la función de cálculo y ajustar el elemento de control de densidad para controlar el flujo volumétrico del gas inerte suministrado al campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma.

En el sistema proporcionado en el presente documento, el conector sensorial de cada una de la unidad de medición de la temperatura, la unidad de medición de la presión y la unidad de medición del flujo másico del kit sensorial se puede conectar en las proximidades de la entrada de gas de la antorcha de plasma, y el conector sensorial de cada una de la unidad de medición de la temperatura y la unidad de medición de la presión del kit sensorial se encuentra dentro de la antorcha de plasma.

En el sistema proporcionado en el presente documento, el modificador de la densidad del gas puede incluir: a) un regulador de temperatura y un sensor de temperatura; o b) un regulador de presión y un sensor de presión; o c) un regulador de temperatura, un sensor de temperatura, un regulador de presión y un sensor de presión; o d) cualquier combinación de a), b) y c).

En el sistema proporcionado en el presente documento, puede incluir el modificador de densidad de gas que comprende el regulador de temperatura, y el regulador de temperatura que comprende un calentador, el calentador que comprende un calentador de inducción, un calentador de resistencia, un elemento de calentamiento cerámico piezoeléctrico, o una combinación de los mismos, y el regulador de temperatura que comprende además un aparato de enfriamiento.

En el sistema proporcionado en el presente documento, el aparato de enfriamiento puede incluir: a) una tubería conectada a un depósito de fluido refrigerado y una bomba para formar una vía de enfriamiento de bucle cerrado para suministrar un fluido de enfriamiento al regulador de temperatura; o b) un conducto que pasa a través del regulador de temperatura y un ventilador conectado al conducto para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura; o c) una combinación de a) y b).

En sistemas configurados para incluir el regulador de presión, el regulador de presión puede incluir una cámara plenum móvil que puede aumentar el volumen del regulador de presión y por lo tanto disminuir la presión del gas inerte que sale del regulador de presión; o disminuir el volumen del regulador de presión y por lo tanto aumentar la presión del gas inerte que sale del regulador de presión.

En los sistemas proporcionados en el presente documento, el elemento de control puede configurarse para controlar una velocidad del gas inerte a la antorcha de plasma.

En los sistemas proporcionados en el presente documento, el conector sensorial puede posicionarse dentro de una cámara de producción de un sistema de fabricación aditiva y en la entrada de gas de la antorcha de plasma para medir una perturbación de radiación de la antorcha de plasma y/o la pieza de trabajo.

Los sistemas proporcionados en el presente documento pueden incluir un medidor de flujo másico situado corriente arriba de la válvula de control y en comunicación con el controlador maestro del proceso que puede detectar una reducción en el flujo másico del gas inerte desde el colector, y el control maestro del proceso envía una señal a un sistema de monitorización de datos para indicar una fuga.

En los sistemas proporcionados en el presente documento, el conector sensorial puede estar conectado a, o conectado en las proximidades de, la entrada de gas de la antorcha de plasma, y el sistema puede comprender además un grupo procesador conectado al kit sensorial y en comunicación con la válvula de control, en donde el grupo procesador comprende: un controlador maestro de proceso en comunicación con la unidad sensorial; un procesador de cálculo en comunicación con el kit sensorial y el controlador maestro de proceso, el procesador de cálculo calcula el flujo volumétrico real; y el controlador de flujo másico y un controlador de flujo volumétrico en comunicación con el controlador maestro de proceso; y un programa de parte que proporciona un valor establecido de flujo másico o un valor establecido de flujo volumétrico o ambos, un valor establecido de flujo másico y un valor establecido de flujo volumétrico, al controlador maestro de proceso.

También se proporcionan métodos para suministrar un flujo volumétrico objetivo de un gas inerte para ser ionizado en plasma a una antorcha de plasma. Los métodos incluyen proporcionar un gas inerte desde un colector de suministro de gas a una entrada de la antorcha de plasma a través de una válvula de control conectada a un colector de suministro de gas inerte; medir una temperatura, un flujo másico y una presión del gas inerte en o cerca de la entrada; calcular un flujo volumétrico real del gas inerte en o cerca de la entrada; y comparar el flujo volumétrico real con el flujo volumétrico objetivo para generar un valor diferencial. Basándose en el valor diferencial, la válvula de control puede ajustarse para aumentar o disminuir el flujo másico del gas inerte a través de la válvula de control hacia la entrada de la antorcha de plasma; o la densidad del gas inerte puede ajustarse aumentando o disminuyendo la presión y/o la temperatura del gas inerte para producir un gas inerte modificado, y dirigir el gas inerte modificado hacia la entrada de la antorcha de plasma.

En los métodos, el ajuste de la válvula de control puede incluir la generación de una señal de ajuste basada en el valor diferencial; y el envío de la señal de ajuste a un controlador conectado a la válvula de control, el controlador aumentando o disminuyendo una apertura de la válvula de control basada en la señal de ajuste. En los métodos, el ajuste de la densidad del gas inerte puede incluir a) medir la temperatura del gas inerte y aumentar o disminuir la temperatura del gas inerte en respuesta al valor diferencial; o b) medir la presión del gas inerte y aumentar o disminuir la presión del gas inerte en respuesta al valor diferencial; o c) ambos a) y b).

En los métodos, aumentar la temperatura del gas inerte puede incluir dirigir el gas inerte a un regulador de temperatura que comprende un calentador y activar el calentador. El calentador puede incluir un calentador de inducción, un calentador de resistencia, un elemento de calentamiento cerámico piezoeléctrico, o una combinación de los mismos. En los métodos, la disminución de la temperatura del gas inerte puede incluir dirigir el gas inerte a un regulador de temperatura que puede incluir un aparato de enfriamiento, y activar el aparato de enfriamiento. El aparato de enfriamiento puede incluir una tubería conectada a un depósito de fluido refrigerado y una bomba para formar una vía de enfriamiento de bucle cerrado para suministrar un fluido de enfriamiento al regulador de temperatura; o un conducto que pasa a través del regulador de temperatura y un ventilador conectado al conducto para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura y una tubería conectada a un depósito de fluido refrigerado y una bomba para formar una vía de enfriamiento de bucle cerrado para suministrar un fluido de enfriamiento al regulador de temperatura; o un conducto que pasa a través del regulador de temperatura y un ventilador conectado al conducto para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura.

En los métodos, aumentar o disminuir la presión del gas inerte suministrado a la antorcha de plasma puede incluir dirigir el gas inerte a un regulador de presión. El regulador de presión puede incluir una cámara plenum móvil que puede aumentar el volumen del regulador de presión y por lo tanto disminuir la presión del gas inerte que sale del regulador de presión, o disminuir el volumen del regulador de presión y por lo tanto aumentar la presión del gas inerte que sale del regulador de presión. En los métodos, el gas inerte puede ser argón.

Características y ventajas adicionales de las realizaciones descritas en el presente documento se expondrán en la descripción que sigue, y en parte serán evidentes a partir de la descripción, o pueden ser aprendidas por la práctica de la invención. Los objetivos y otras ventajas de las realizaciones ejemplares se realizarán y alcanzarán mediante la estructura particularmente señalada en la descripción escrita y las reivindicaciones del presente, así como en los dibujos adjuntos.

Debe entenderse que tanto la descripción general anterior como la descripción detallada siguiente son ejemplares y explicativas y tienen por objeto proporcionar una explicación más detallada de la invención tal como se reivindica.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos adjuntos, que se incluyen para proporcionar una mayor comprensión de la invención y se incorporan y constituyen parte de esta memoria descriptiva, ilustran realizaciones de la invención y junto con la descripción sirven para explicar los principios de la invención.

En los dibujos:

La FIG. 1 es un diagrama simplificado que muestra una realización ejemplar de un flujo de gas inerte para ser ionizado por una antorcha de plasma, fluyendo el gas inerte desde un colector de suministro de gas, a través de un sistema de control de flujo proporcionado en el presente documento, y a través de una antorcha de plasma para producir un arco de plasma, cuya presión puede ser controlada.

La FIG. 2 es un diagrama simplificado que muestra una realización ejemplar de un flujo de gas inerte que se va a ionizar desde un colector de suministro de gas, a través de un sistema de control de flujo proporcionado en el presente documento, y a través de una antorcha de plasma que incluye un sensor de temperatura y un sensor de presión dentro de la antorcha de plasma, pasando el gas a través de una región de un campo EM ionizante para producir un arco de plasma, cuya presión puede ser controlada.

La FIG. 3A es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques una realización ejemplar de un sistema para la regulación del flujo másico y la monitorización del flujo volumétrico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. En la realización mostrada, el grupo procesador incluye un procesador de cálculo separado, un controlador maestro de proceso y un controlador de flujo másico, donde el controlador de flujo másico está en comunicación con la válvula de control.

La FIG. 3B es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques un sistema ejemplar para la regulación del flujo másico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. En la realización mostrada, un único controlador maestro de proceso en donde las tareas de control del procesador de cálculo y del controlador de flujo másico son códigos de software o funciones que se ejecutan de forma integrada en el controlador maestro de proceso, donde el controlador maestro de proceso está en comunicación con un elemento de control de densidad y una válvula de control, y comunica comandos de control de flujo másico a la válvula de control y/o al elemento de control de densidad.

La FIG. 4A es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques una realización ejemplar de un sistema para la regulación del flujo volumétrico y la monitorización del flujo másico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. En la realización mostrada, el grupo procesador incluye un procesador de cálculo separado, un controlador maestro de proceso, y un controlador de flujo volumétrico, donde el controlador de flujo volumétrico está en comunicación con la válvula de control y un elemento de control de densidad.

La FIG. 4B es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques un sistema ejemplar para la regulación tanto del flujo másico como del flujo volumétrico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. En la realización mostrada, un único controlador maestro de proceso en donde las tareas de control del procesador de cálculo y del controlador de flujo volumétrico son códigos de software o funciones que se ejecutan de forma integrada en el controlador maestro de proceso, donde el controlador maestro de proceso está en comunicación con un elemento de control de densidad y una válvula de control, y comunica comandos de control de flujo volumétrico a la válvula de control y/o al elemento de control de densidad.

La FIG. 5 es un diagrama simplificado que muestra una realización ejemplar de un elemento de control de densidad que puede controlar la presión del gas inerte cambiando la temperatura del gas.

La FIG. 6 es un diagrama simplificado que muestra una realización ejemplar de un elemento de control de densidad que incluye una cámara plenum que puede modular el volumen del gas inerte para controlar la presión del gas inerte.

La FIG. 7A es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques un sistema ejemplar para la regulación tanto del flujo másico como del flujo volumétrico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. En la realización mostrada, el grupo procesador incluye un procesador de cálculo separado, un controlador maestro de proceso, un controlador de flujo volumétrico y un controlador de flujo másico, donde el controlador de flujo volumétrico está en comunicación con el elemento de control de densidad y el controlador de flujo másico está en comunicación con la válvula de control.

La FIG. 7B es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques un sistema ejemplar para la regulación tanto del flujo másico como del flujo volumétrico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. En la realización mostrada, un único controlador maestro de proceso en donde las tareas de control del procesador de cálculo, el controlador de flujo másico y el controlador de flujo volumétrico son códigos de software o funciones que se ejecutan de forma integrada en el controlador maestro de proceso, donde el controlador maestro de proceso está en comunicación con un elemento de control de densidad y una válvula de control, y comunica comandos de control de flujo volumétrico al elemento de control de densidad, y comunica comandos de control de flujo másico a la válvula de control.

La FIG. 7C es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques un sistema ejemplar para la regulación tanto del flujo másico como del flujo volumétrico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. En la realización mostrada, un único controlador maestro de proceso en donde las tareas de control del procesador de cálculo, y una combinación del controlador de flujo másico y el controlador de flujo volumétrico, son códigos de software o funciones que se ejecutan de forma integrada en el controlador maestro de proceso, donde el controlador maestro de proceso está en comunicación con un elemento de control de densidad y una válvula de control, y comunica comandos de control de flujo másico y volumétrico al elemento de control de densidad y a la válvula de control.

La FIG. 8A es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques un controlador ejemplar de entrada única salida única (SISO) que puede utilizarse en el sistema para la regulación tanto del flujo másico como del flujo volumétrico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. En la configuración ilustrada, el error de flujo másico de las unidades del kit sensorial se dirige a una función de controlador de flujo másico SISO, que en respuesta envía una posición de válvula ordenada a la válvula de control que está en comunicación con la función de controlador de flujo másico. El error de flujo volumétrico de las unidades del kit sensorial se dirige a una función de controlador de flujo volumétrico SISO, que en respuesta envía un comando de control de densidad al elemento de control de densidad que está en comunicación con la función de controlador de flujo volumétrico. Los dos controladores SISO paralelos pueden ignorar cualquier acoplamiento entre el error de flujo másico y el error de flujo volumétrico.

La FIG. 8B es un diagrama de flujo que muestra en forma de diagrama de bloques un controlador ejemplar de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) que puede utilizarse en el sistema para la regulación tanto del flujo másico como del flujo volumétrico de un gas que va a ser ionizado en plasma por una antorcha de plasma de un sistema de fabricación aditiva. La configuración muestra un controlador MIMO multivariable que tiene dos entradas: una para el error de flujo másico y otra para el error de flujo volumétrico recibido de las unidades del kit sensorial. El controlador MIMO está configurado para incluir algoritmos de control que pueden considerar cualquier dinámica de acoplamiento entre el flujo másico y el flujo volumétrico. El controlador MIMO tiene dos salidas, una señal de posición de válvula comandada y una señal de acción comandada al elemento de control de densidad, que se dirigen a la válvula de control y al elemento de control de densidad, respectivamente. Esta configuración puede permitir al sistema estabilizar los valores individuales de flujo másico y flujo volumétrico, así como abordar o compensar cualquier perturbación que una variable tenga sobre la otra, y de este modo puede estabilizar todo el sistema.

Descripción detallada de las realizaciones ilustradas

La referencia ahora será hecha en detalle a una realización de la presente invención, el ejemplo de la cual se ilustra en los dibujos acompañantes.

A. Definiciones

A menos que se definan de otro modo, todos los términos técnicos y científicos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que comúnmente entiende un experto en la técnica a la que pertenecen las invenciones. Todas las patentes, solicitudes de patentes, solicitudes y publicaciones publicadas, sitios web y otros materiales publicados a los que se hace referencia a lo largo de toda la divulgación contenida en el presente documento, a menos que se indique lo contrario, se incorporan por referencia en su totalidad. En caso de pluralidad de definiciones de términos, prevalecerán las de esta sección.

Tal como se utilizan en el presente documento, las formas singulares "un", "una" y "el/la" incluyen referentes plurales a menos que el contexto dicte claramente lo contrario.

Tal como se utilizan en el presente documento, los intervalo y las cantidades pueden expresarse como "aproximadamente" un valor o intervalo particular. "Aproximadamente" también incluye la cantidad exacta. De ahí que "aproximadamente 5 por ciento" signifique "cerca del 5 por ciento" y también "5 por ciento" "Aproximadamente" significa dentro del error experimental típico para la aplicación o finalidad prevista.

Tal como se utiliza en el presente documento, "opcional" u "opcionalmente" significa que el suceso o circunstancia descrito a continuación ocurre o no ocurre, y que la descripción incluye casos en los que el suceso o circunstancia ocurre y casos en los que no ocurre. Por ejemplo, un componente opcional en un sistema significa que el componente puede estar presente o no en el sistema.

Tal y como se utiliza en el presente documento, una "combinación" se refiere a cualquier asociación entre dos elementos o entre más de dos elementos. La asociación puede ser espacial o referirse al uso de los dos o más elementos para un fin común.

Tal como se utilizan en el presente documento, los términos "que comprende", "que incluye" y "que contiene" son sinónimos, y son inclusivos o abiertos. Cada término indica que, opcionalmente, pueden incluirse elementos o pasos de método adicionales no repetidos.

Tal como se utiliza en el presente documento, "y/o" significa "uno o ambos" de los elementos así unidos, es decir, elementos que están presentes conjuntamente en algunos casos y disjuntamente en otros. Los elementos múltiples enumerados con "y/o" deben interpretarse de la misma manera, es decir, "uno o más" de los elementos así unidos. Opcionalmente, pueden estar presentes otros elementos distintos de los identificados específicamente por la cláusula "y/o", relacionados o no con los elementos identificados específicamente. Así, como ejemplo no limitativo, una referencia a "A y/o B", cuando se utiliza junto con un lenguaje abierto tal como "que comprende", puede referirse, en una realización, sólo a A (incluyendo opcionalmente elementos distintos de B); en otra realización, sólo a B (incluyendo opcionalmente elementos distintos de A); en otra realización, tanto a A como a B (incluyendo opcionalmente otros elementos); etc.

Tal y como se utiliza en el presente documento, "fabricación aditiva" o "AM" también se conoce como "fabricación aditiva" y "fabricación aditiva por capas" y se refiere a un proceso aditivo que implementa la fabricación, capa tras capa, de un objeto. El proceso puede emplear el uso de datos de un modelo 3D, una fuente de metal, tal como alambre o polvo, una herramienta de fusión que contenga una fuente de energía (tal como un arco de plasma, láser o haz de electrones) para fundir la fuente de metal, o una combinación de los mismos.

Tal como se utiliza en el presente documento, "sistema de fabricación aditiva" se refiere a la máquina utilizada para la fabricación aditiva.

Tal y como se utiliza en el presente documento, "Deposición de Energía Dirigida" o "DED" se refiere a un proceso de fabricación aditiva en donde se utiliza una fuente térmica para fusionar materiales, en particular metales, fundiéndolos a medida que se depositan.

El término "material metálico", tal como se utiliza en el presente documento, se refiere a cualquier metal o aleación metálica conocido o concebible que pueda emplearse en un proceso de fabricación aditiva para formar un objeto tridimensional. Ejemplos de materiales adecuados incluyen, pero no se limitan a; titanio y aleaciones de titanio como por ejemplo la aleación Ti-6Al-4V.

Tal como se utiliza en el presente documento, "gas plasma" se refiere a un gas inerte que se convierte en plasma por la acción de una antorcha de plasma. El gas inerte que se va a ionizar en plasma suele ser argón, o puede ser una combinación de argón y helio.

Tal como se utiliza en el presente documento, una "antorcha de plasma" se refiere a cualquier antorcha de soldadura que pueda utilizarse en la soldadura por arco de plasma.

Tal como se utiliza en el presente documento, una "antorcha de soldadura por arco de plasma" o "antorcha PAW" se refiere a una antorcha de soldadura que puede utilizarse en la soldadura por arco de plasma. La antorcha está diseñada de forma que un gas pueda calentarse a alta temperatura para formar plasma y se convierta en conductor eléctrico, el plasma transfiere entonces un arco eléctrico a una pieza de trabajo, y el intenso calor del arco puede fundir metal y/o fusionar dos piezas de metal. Una antorcha PAW puede incluir una boquilla para constreñir el arco, aumentando así la densidad de potencia del arco. El gas inerte que se ioniza en plasma suele ser argón. La antorcha PAW también suele tener una boquilla exterior para suministrar un gas de protección. El gas de protección puede ser argón, helio o combinaciones de los mismos, y el gas de protección ayuda a minimizar la oxidación del metal fundido. Las antorchas PAW incluyen antorchas de arco de plasma transferido.

El término "antorcha de arco transferido por plasma" o "antorcha PTA", tal como se utiliza indistintamente en el presente documento, significa cualquier dispositivo capaz de calentar y excitar una corriente de gas inerte a plasma mediante un campo eléctrico y, a continuación, transferir el flujo de plasma, incluyendo el arco eléctrico, a través de una boquilla para formar un penacho constreñido que se extiende fuera de la boquilla y transfiere el calor intenso del plasma a una región objetivo. El electrodo y la región objetivo están conectados eléctricamente a una fuente de energía, tal como una fuente de energía de corriente continua, de tal manera que el electrodo de la antorcha PTA puede convertirse en el cátodo y la región objetivo puede convertirse en el ánodo. Esto puede garantizar que el penacho de plasma, incluyendo el arco eléctrico, proporcione un flujo de calor altamente concentrado a una pequeña superficie de la región objetivo con un excelente control de la extensión aérea y la magnitud del flujo de calor suministrado por la antorcha PTA. Un arco transferido por plasma puede tener la ventaja de proporcionar arcos estables y consistentes con poca oscilación y buena tolerancia a las desviaciones de longitud entre el cátodo y el ánodo. De este modo, la antorcha PTA puede ser adecuada tanto para formar un baño de fusión en el material base como para calentar y fundir el alambre metálico de alimentación. La antorcha PTA puede tener ventajosamente un electrodo hecho de tungsteno y una boquilla hecha de cobre, mientras que diversas partes de la antorcha PTA pueden estar refrigeradas por agua. Sin embargo, la invención no está vinculada a ninguna elección o tipo específico de antorcha PTA ni a ninguna configuración específica de la misma. Puede utilizarse cualquier dispositivo conocido o concebible capaz de funcionar como antorcha PTA.

Tal como se utiliza en el presente documento, "en las proximidades de la entrada de gas de la antorcha de plasma" significa situado en una posición en o cerca de la entrada de gas de la antorcha de plasma en donde se puede medir la radiación electromagnética del arco de plasma o de la pieza de trabajo, o las variaciones de temperatura causadas por dicha radiación electromagnética. El lugar donde se toman las muestras del gas inerte para medir el flujo y la densidad del gas puede estar a unos milímetros, o a varios centímetros, o a unos metros de la entrada de la antorcha.

El término "material base", tal como se utiliza en el presente documento, se refiere al material objetivo para el calor de una herramienta de fusión y sobre el que se puede formar un baño de fusión. Este será el sustrato de sujeción cuando se deposite la primera capa de material metálico. Cuando se hayan depositado una o más capas de material metálico sobre el sustrato de sujeción, el material de base será la capa superior de material metálico depositado sobre la que se depositará una nueva capa de material metálico.

Tal y como se utiliza en el presente documento, el término "pieza de trabajo" se refiere a un cuerpo metálico que se produce utilizando la fabricación de forma libre sólida.

Tal y como se utiliza en el presente documento, una "preforma" es la pieza de trabajo producida por un proceso de fabricación aditiva, y es un intermedio de la parte final acabada o es una pieza semiacabada. Las preformas tienen una forma cercana a la del producto final acabado, pero requieren al menos algún procesamiento posterior, aunque sea mínimo, tal como un mecanizado final de acabado con configuraciones de alta tolerancia para obtener el producto final acabado.

Tal y como se utiliza en el presente documento, una "herramienta de fusión" se refiere a un dispositivo que incluye una fuente térmica para fundir un material metálico o una porción de una superficie de una pieza de trabajo o ambos en un proceso de fabricación aditiva. Los ejemplos incluyen una antorcha PTA que produce un arco de plasma como fuente térmica, un dispositivo láser que produce un haz láser como fuente térmica y un dispositivo de haz de electrones que produce un haz de electrones como fuente térmica.

Tal como se utiliza en el presente documento, "velocidad de descarga de gas de la boquilla" se refiere a la rapidez con que el gas se mueve fuera de la boquilla de la antorcha de plasma en distancia por unidad de tiempo.

El término "modelo de diseño" o "modelo de diseño asistido por ordenador" o "modelo CAD", tal como se utiliza indistintamente en el presente documento, se refiere a cualquier representación tridimensional en capas vectorizada virtual conocida o concebible de un objeto que se va a formar mediante un proceso de fabricación aditiva. El modelo puede, por ejemplo, obtenerse formando un modelo virtual vectorizado por capas del objeto tridimensional dividiendo primero el objeto en un conjunto de capas paralelas virtuales y dividiendo después cada una de las capas paralelas en un conjunto de piezas casi unidimensionales virtuales que pueden ser utilizadas por el controlador del sistema de fabricación aditiva para formar el objeto mediante capas de metal depositadas o fusionadas de acuerdo con las capas paralelas virtuales.

Tal como se utiliza en el presente documento, "controlador" se refiere a cualquier circuito lógico y/o elementos de procesamiento implicados en la comunicación con y/o el control de uno o más componentes del sistema de fabricación aditiva, así como al software o programas relacionados de los componentes del sistema de fabricación aditiva. El controlador puede incluir un ordenador y/o una memoria de ordenador.

Tal como se utiliza en el presente documento, un "ordenador" puede incluir, pero no está limitado a, hardware y/o software, que puede capturar y/o almacenar datos, y cualquier programa que pueda ser programado para comunicarse con y/o controlar uno o más dispositivos electrónicos o software que controle dispositivos mecánicos. El ordenador puede incluir un medio no transitorio legible por ordenador que puede incluir, entre otros, un CD-ROM, una tarjeta de memoria flash extraíble, una unidad de disco duro o una cinta magnética.

Tal como se utiliza en el presente documento, "memoria de ordenador" se refiere a un elemento de almacenamiento configurable capaz de almacenar datos digitales o información que puede ser adquirida por un ordenador.

Tal como se utiliza en el presente documento, "atmósfera inerte" se refiere a cualquier gas o mezcla gaseosa conocida o concebible que pueda cubrir o envolver un objeto para aislarlo del aire ambiente. La atmósfera inerte puede proteger el objeto de la exposición al oxígeno o de la oxidación u otras acciones químicas no deseadas de los componentes de la atmósfera ambiente. Las atmósferas inertes ejemplares incluyen uno o más gases nobles.

Tal como se utiliza en el presente documento, "baño de fusión" se refiere a un volumen de metal fundido que se forma durante la fabricación aditiva.

Tal como se utiliza en el presente documento, "fuerza electromagnética" se refiere a la fuerza de Lorentz resultante del campo electromagnético que se usa para ionizar el gas para crear plasma.

Tal como se utiliza en el presente documento, "presión axial electromagnética" se refiere a la fuerza electromagnética por unidad de área del baño de fusión.

Tal como se utiliza en el presente documento, "fuerza de flujo de plasma" se refiere a la perturbación mecánica resultante del momento del plasma como fluido que fluye hacia el baño de fusión.

Tal como se utiliza en el presente documento, "presión axial del flujo de plasma" se refiere a la fuerza del flujo de plasma por unidad de área del baño de fusión.

Tal como se utiliza en el presente documento, "presión del arco de plasma" o "presión total del arco" se refiere a la fuerza del arco por unidad de área del baño de fusión.

Tal como se utiliza en el presente documento, la "Presión Total del Arco" es igual a la suma de la presión axial electromagnética y la presión axial del flujo de plasma.

Tal como se utiliza en el presente documento, "fuerza de arco" se refiere a la fuerza electromagnética, es decir, la fuerza de Lorentz, resultante del campo electromagnético que se utiliza para ionizar el gas y crear plasma, más la perturbación mecánica resultante de la masa del plasma como fluido que fluye hacia el baño de fusión.

Tal como se utiliza en el presente documento, "flujo másico" se refiere al número de moléculas de gas suministradas a una antorcha de plasma por unidad de tiempo.

Tal como se utiliza en el presente documento, "flujo volumétrico" se refiere al volumen de gas suministrado a una antorcha de plasma por unidad de tiempo.

Tal como se utiliza en el presente documento, "presión de estancamiento" o "presión de Pitot" se utilizan indistintamente para referirse a la presión estática en un punto de estancamiento en un flujo de fluido. En un punto de estancamiento, la velocidad del fluido es cero y toda la energía cinética se ha convertido en energía de presión.

Tal como se utiliza en el presente documento, una "temperatura del baño de fusión" se refiere a una temperatura que caracteriza un baño de fusión, que puede ser una temperatura media del volumen del baño de fusión, una temperatura media del tiempo del baño de fusión, una temperatura de la superficie del baño de fusión, o una temperatura pico del baño de fusión (la temperatura más alta alcanzada por cualquier superficie o región dentro del baño de fusión).

Para cualquier intervalo descrito en el presente documento, a menos que se indique claramente lo contrario, dicho intervalo incluye todos sus valores y todos sus subintervalos. Por ejemplo, si se menciona un intervalo de 1 a 10, ese intervalo incluye 1 y 10 y todos los valores entre 1 y 10, tal como, por ejemplo, 1.1, 2.5, 3.333, 6.26, 7.9989, etc., e incluye todos los subintervalos entre ellos, tal como, por ejemplo, 1 a 3.5, 2.75 a 9.33, 1.5 a 9.999, etc.

B. Sistemas de control del flujo de gas

Las tecnologías de deposición directa de energía pueden utilizar una fuente de calor localizada, tal como un arco de plasma, para calentar y fundir una materia prima metálica, que puede suministrarse a la antorcha de plasma en forma de alambre. Una configuración ejemplar de arco transferido por plasma (PTA) utilizando una antorcha PTA se muestra en la FIG. 1. La figura muestra una antorcha 600 de plasma que produce un arco 625 de plasma situado por encima de la pieza 650 de trabajo. No se muestra el alambre de metal fundido por el arco 625 de plasma, que funde el alambre, dando lugar a gotas fundidas de metal que se depositan sobre la pieza 650 de trabajo capa a capa para formar un objeto tridimensional mediante un proceso de fabricación aditiva. Aunque la FIG. 1 representa una sola antorcha 600 de plasma, otras configuraciones que pueden incluir dos o más antorchas de plasma, o dos o más alimentadores de alambre, o múltiples alambres, o un alimentador de alambre con una cabeza que puede manejar múltiples alambres de metal, también se contemplan y pueden incluirse en los sistemas proporcionados en el presente documento. La FIG. 1 ilustra un colector 120 de suministro de gas conectado a un sistema 800 de control de flujo volumétrico y másico de gas a través de una manguera 160 de gas. El sistema 800 de control está conectado a la antorcha de plasma a través de una manguera 196 de gas.

En una realización ejemplar, la pieza de trabajo puede incluirse en un circuito eléctrico. El plasma se forma entre la pieza de trabajo y la antorcha de plasma debido al efecto ionizante del campo electromagnético que se produce entre la antorcha y la pieza de trabajo al conectar una fuente de energía, por ejemplo, un terminal invertido, a la antorcha y la pieza de trabajo.

Un gas noble tal como el argón puede ser el gas que va a ser ionizado por la antorcha de plasma, tal como mediante el uso de un electrodo de arco, aunque gases inertes alternativos, iones, moléculas o átomos pueden ser utilizados en conjunción con una antorcha de plasma en lugar de argón. Estos mediadores alternativos de la energía plasmática pueden incluir iones positivos y/o negativos, o electrones solos o junto con iones. Además, los elementos reactivos pueden combinarse con un gas inerte tal como el argón para optimizar el rendimiento de la antorcha. El proceso de generación de plasma puede energizar el gas argón a una temperatura de gas elevada, tal como una temperatura de entre 5,000K y 30,000K. En consecuencia, sólo se requiere un pequeño volumen de gas argón energizado para fundir el alambre de metal de materia prima en metal fundido que se depositará en la pieza de trabajo. La antorcha de plasma puede incluir una o más boquillas. Por ejemplo, se pueden utilizar boquillas de diferentes aperturas para proporcionar una geometría específica y/o la colimación del plasma para la fabricación de diferentes componentes. La antorcha de plasma puede incluir uno o más orificios. Los orificios ejemplares incluyen orificios de boquilla de haz directo y orificios en forma de abanico. Estos orificios también se pueden utilizar para impartir una geometría deseada y/o colimación de plasma de la columna de plasma.

El flujo de plasma que sale de la antorcha de plasma, ya sea dirigido a un alambre de metal de materia prima, a la pieza de trabajo, o una combinación de los mismos, puede incidir sobre una superficie de, o en las proximidades de, el baño de fusión. Así, el flujo volumétrico de la columna de plasma puede influir en la dinámica del baño de fusión, por ejemplo por la presión ejercida por la columna de plasma sobre el baño de fusión. Los sistemas y métodos proporcionados en el presente documento pueden permitir el ajuste de la presión del arco de plasma, y por lo tanto pueden permitir la modificación de la dinámica del baño de fusión durante la fabricación de objetos utilizando procesos de fabricación aditiva por arco de plasma de alambre basados en metal.

La antorcha de plasma puede diseñarse de modo que un gas pueda calentarse a alta temperatura para formar plasma y pueda convertirse en conductor eléctrico. A continuación, el plasma puede transferir un arco eléctrico a una pieza de trabajo. El intenso calor del arco puede fundir metal y/o fusionar dos piezas de metal. La antorcha de plasma puede ser una "antorcha de arco de plasma transferido" o "antorcha PTA", que puede calentar y excitar una corriente de gas inerte a plasma mediante una descarga de arco eléctrico y luego transferir el flujo de plasma incluyendo el arco eléctrico a través de un orificio (tal como una boquilla) para formar un penacho constreñido que se extiende fuera del orificio y transfiere el intenso calor del arco a una región objetivo, tal como un alambre de metal o una pieza de trabajo o ambos. El plasma puede alimentarse a lo largo de un electrodo e ionizarse y acelerarse en las proximidades de un cátodo. El arco puede dirigirse hacia la pieza de trabajo y es más estable que un arco de combustión libre (tal como en una antorcha TIG). La corriente suele llegar hasta aproximadamente 500 A CC (corriente continua), y el voltaje suele estar en el intervalo de aproximadamente 10 - 70 V. Regulando el flujo del gas inerte, tal como el flujo másico y/o la presión de entrada, así como el flujo volumétrico, y/o regulando la potencia del plasma (tal como regulando el voltaje y la corriente del plasma), se puede producir una gama de configuraciones de arco de plasma para una antorcha de plasma o una geometría de cabezal de plasma dadas.

La distribución de la presión y la temperatura del arco de plasma también puede verse influida por factores tales como la ubicación relativa de la antorcha de plasma con respecto a la pieza de trabajo y la presencia de un voltaje de transferencia entre la pieza de trabajo y el cabezal de plasma. En general, la energía de un arco transferido por plasma puede ser más dirigida que la de un arco no transferido por plasma y se puede conseguir una transferencia más concentrada de energía térmica al material depositado en la pieza de trabajo. La presión total del arco ejercida por el arco de plasma sobre el baño de fusión durante la fabricación puede ser función de la potencia del plasma, de la densidad y temperatura del gas y del caudal de gas (velocidad). Por ejemplo, se ha observado que cualquier variación del X% en el flujo de gas inerte en la entrada de la antorcha puede dar lugar a una variación de hasta el 2X% o más en el área de fusión del arco de plasma. Por ejemplo, en algunas configuraciones, un aumento del flujo de gas inerte a la antorcha de plasma de 2.5 L/min a 2.75 L/min puede dar lugar a que el área de fusión del arco de plasma aumente aproximadamente 10%, mientras que todas las demás variables del proceso se mantienen constantes. Este es el impacto del aumento de la energía cinética del flujo de plasma.

La presión del arco de plasma sobre el baño de fusión puede ser uno de los factores más críticos que definen la dinámica del baño de fusión. La presión del arco de plasma puede afectar a la forma geométrica, a las propiedades mecánicas, o a ambas, de las capas metálicas depositadas, lo que puede repercutir en la consistencia y calidad del proceso de fabricación aditiva. Los sistemas y métodos proporcionados en el presente documento pueden utilizarse para crear una presión de arco de plasma consistente en el baño de fusión, regulando y manteniendo la velocidad de descarga de gas de la antorcha de plasma en un nivel deseado, a través de diversos niveles de densidad del gas que se va a ionizar suministrado a una antorcha de plasma.

Las tecnologías de control del flujo de gas utilizadas actualmente en los procesos de fabricación aditiva por arco de alambre y plasma basados en metales miden y controlan el flujo másico del gas de soldadura, es decir, el número de moléculas de gas por unidad de tiempo, suministrado a la antorcha de plasma, "suponiendo" condiciones estándar para la presión y la temperatura del gas de suministro. El típico sistema de control de gas de soldadura por plasma regula el Flujo Volumétrico Estándar enNL/min,dondeNsignifica normal. El flujo volumétrico estándar supone una temperatura del gas de, porejemplo,0 °C (273.15K, aunque en la técnica también se han utilizado otras temperaturas, tales como 20°C o 25°C) y una presión del gas de 1 atmósfera (atm, o 1.013 bar). Estas condiciones de referencia pueden denominarse condiciones normales de temperatura y presión, o condiciones NTP. En consecuencia, el flujo volumétrico real (en L/min) es diferente en función de la temperatura y la presión del gas. Los cambios en el flujo volumétrico en condiciones no estándar, tal como las presentes durante los procesos de fabricación aditiva, en comparación con las condiciones estándar pueden obtenerse mediante la siguiente fórmula:

donde \Zact es el flujo volumétrico real en condiciones no estándar,Vstdes el flujo volumétrico en condiciones estándar, Pstd es la presión en condiciones estándar, Pact es la presión real en condiciones no estándar, Tact es la temperatura real en condiciones no estándar y Tstd es la temperatura en condiciones estándar. Este método elimina la necesidad de utilizar los valores de la densidad del gas en condiciones estándar y reales. Esta ecuación supone una sección transversal constante de las mangueras en todo el sistema. En general, a medida que aumenta la temperatura, el gas se expande y aumenta la distancia media entre las moléculas de gas. Al aumentar la distancia entre las moléculas de gas, hay menos masa de gas en un volumen determinado. Si el flujo de masa se mantiene constante, entonces a medida que aumenta la temperatura, el flujo de volumen aumenta con el fin de tener el mismo número de moléculas de gas (masa) a través de una sección transversal dada suministrada a la antorcha de plasma por unidad de tiempo. Este aumento del flujo volumétrico incrementa la presión que el arco de plasma puede imponer sobre el baño de fusión de la pieza de trabajo.

Las mediciones típicas se realizan en la fuente de gas, sin tener en cuenta los posibles cambios en la sección transversal de las mangueras y conectores en todo el sistema, ni los factores ambientales cerca de la antorcha de plasma. La densidad del gas suministrado a la antorcha puede cambiar significativamente a distancias alejadas de la fuente de gas debido a variaciones ambientales, solas o en combinación con factores de tolerancia mecánica, por ejemplo, variaciones en el diámetro de mangueras, tuberías y conexiones. Como resultado, el flujo volumétrico real del gas suministrado a la antorcha de plasma está sujeto a grandes variaciones independientemente de las condiciones que puedan existir en la fuente de gas.

El flujo volumétrico real es un factor importante en la definición de la presión del arco de plasma en el baño de fusión, que tiene un efecto crucial en las fuerzas impulsoras del baño de fusión y por lo tanto en la dinámica del baño de fusión. El flujo volumétrico mide el volumen que ocupa el gas al fluir por un conducto, tal como una manguera o una antorcha de plasma, por lo que puede considerarse una medida del espacio ocupado por las moléculas de gas. En cambio, el flujo másico mide el número de moléculas que circulan por un conducto. Mediante la producción de un flujo volumétrico consistente para el gas de suministro en la antorcha de plasma utilizando los sistemas y métodos proporcionados en el presente documento, se puede mejorar la robustez del proceso de fabricación, dando lugar a una calidad de producto final consistente de las piezas de trabajo producidas utilizando el proceso de deposición de fabricación aditiva, independientemente de las diferentes variaciones ambientales y/o mecánicas.

La robustez del proceso de fabricación aditiva puede mejorarse utilizando los sistemas y métodos proporcionados en el presente documento controlando el efecto del flujo volumétrico real del plasma sobre la dinámica del baño de fusión. El control puede lograrse regulando y controlando el flujo volumétrico, solo o en combinación con un control simultáneo del flujo másico. Mediante el control del flujo volumétrico de gas, solo o en combinación con el flujo másico, se pueden mitigar los efectos de las perturbaciones ambientales, las variaciones mecánicas o sus combinaciones sobre el baño de fusión y la pieza de trabajo fabricada. Por ejemplo, cuando el proceso de deposición se realiza utilizando la misma máquina, las variaciones de densidad del gas debidas a perturbaciones ambientales pueden controlarse y, por tanto, las perturbaciones ambientales no afectarán o tendrán un efecto insignificante en el comportamiento dinámico del baño de fusión. Cuando el proceso de deposición se realiza en máquinas "diferentes", ya sean del mismo diseño o configuración, similares o diferentes, las variaciones ambientales así como las variaciones mecánicas de máquina a máquina pueden mitigarse, y por lo tanto no afectarán o tendrán un efecto insignificante en el comportamiento dinámico del baño de fusión.

La velocidad de flujo del gas que se va a ionizar en el plasma puede ser uno de los parámetros clave del proceso de fabricación aditiva por arco de alambre y plasma. El gas que se va a ionizar por la antorcha de plasma se suministra a la antorcha de plasma a través de líneas de suministro, tuberías o mangueras. En la antorcha de plasma, el gas se ioniza y puede acelerarse dentro de un campo electromagnético creado por una fuente de energía, tal como un inversor, y forma el arco de plasma que es la fuente de calor para el proceso de fabricación aditiva. A continuación, este arco puede utilizarse para calentar/fundir la materia prima metálica, tal como el alambre y el sustrato de titanio, que es la base de la fabricación aditiva basada en metales, en donde el objetivo es producir una forma tridimensional añadiendo capa tras capa de materiales solidificados para crear la geometría deseada de la pieza de trabajo.

Cuando se habla de caudal del gas que se va a ionizar por la antorcha de plasma, el caudal puede presentarse como flujo másico (número de moléculas de gas suministradas a la antorcha de plasma por unidad de tiempo) o flujo volumétrico (volumen de gas suministrado a la antorcha de plasma por unidad de tiempo).

Para aplicaciones de fabricación aditiva por arco de alambre-plasma basadas en metales, las tecnologías convencionales de control del flujo de gas se basan en la medición y el control del flujo másico. Como resultado, aunque el número de las moléculas de gas suministradas a la antorcha de plasma para formar el arco de plasma se mantiene en un nivel deseado, sin embargo, debido a las variaciones en la densidad del gas (es decir, la presión y la temperatura del gas), que afecta a la distancia media entre las moléculas de gas, el sistema puede proporcionar diferentes flujos volumétricos de gas a la antorcha con el fin de mantener el flujo de masa constante, es decir, el sistema de control ajusta la velocidad del gas para compensar las variaciones en la densidad del gas.

Una de las fuerzas de accionamiento más dominantes para la dinámica del baño de fusión puede ser la presión total del arco de plasma, que es la suma de la presión axial electromagnética más la presión axial del flujo de plasma. En algunos procesos de fabricación aditiva, la presión axial electromagnética puede controlarse mediante la corriente de arco a una longitud de arco determinada. La corriente de arco es generada por una fuente de energía que tiene su polo negativo conectado al electrodo consumible en la antorcha de plasma, y su polo positivo conectado a la pieza de trabajo. A continuación, se controla la intensidad del campo eléctrico resultante para mantener el nivel deseado de corriente principal ionizando un número definido de átomos de gas.

La presión axial del flujo de plasma debe controlarse con precisión para lograr una presión de arco total precisa en diversas condiciones para el proceso de fabricación aditiva. La presión total del arco puede describirse en forma de "presión de estancamiento" o presión de Pitot, en función de la densidad del gas y del caudal de gas (velocidad). Como resultado, las variaciones en la densidad del gas (que puede verse afectada por la temperatura y la presión) pueden provocar variaciones en la presión axial del flujo de plasma y, en consecuencia, en el comportamiento dinámico del baño de fusión. Por lo tanto, los sistemas y métodos en el presente documento proporcionados pueden controlar el flujo volumétrico, solo o en combinación con el flujo másico del gas que va a ser ionizado en plasma por la antorcha de plasma, con el fin de lograr una fuerza consistente por el arco de plasma en el baño de fusión, incluso si la densidad del gas que va a ser ionizado en plasma está sujeta a variaciones debido a perturbaciones mecánicas, o factores ambientales o perturbaciones, o una combinación de estos.

En algunas configuraciones de los sistemas y métodos proporcionados en el presente documento, se puede proporcionar una antorcha de plasma que contiene un sensor de presión que puede medir la presión del gas inerte dentro de la antorcha de plasma. En algunas configuraciones, se puede proporcionar una antorcha de plasma que incluye un sensor de temperatura que puede medir la temperatura del gas inerte dentro de la antorcha de plasma. En algunas realizaciones, se puede utilizar un antorcha de plasma que contenga tanto un sensor de presión como un sensor de temperatura. Al incluir un sensor de presión y/o un sensor de temperatura en la antorcha de plasma, el sistema puede determinar la presión y/o la temperatura, respectivamente, del gas inerte dentro de la antorcha de plasma antes de que se ionice en plasma. Estos datos pueden ser utilizados por el sistema para ajustar el flujo másico y/o volumétrico de gas inerte a la antorcha de plasma.

La FIG. 2 es un diagrama simplificado que muestra una realización ejemplar de un flujo de gas inerte para ser ionizado desde un colector de suministro de gas, a través de un sistema de control de flujo proporcionado en el presente documento, y a través de una antorcha de plasma que incluye un sensor de temperatura y un sensor de presión dentro de la antorcha de plasma, pasando el gas inerte a través de una región de un campo EM ionizante para producir un arco de plasma, cuya presión puede ser controlada. Como se muestra en la realización representada en la FIG. 2, el gas inerte del suministro 100 de gas fluye a un colector 120 de suministro de gas hacia una válvula 130 de control que puede regular el flujo del gas inerte a la antorcha 600 de plasma. El gas inerte fluye a través de un caudalímetro 265 situado en la entrada 605 de antorcha o en sus proximidades, lo que permite medir el flujo másico del gas inerte en las condiciones experimentadas en la región de la entrada 605 de antorcha. El gas inerte fluye a través de la entrada 605 de antorcha a través de la antorcha 600 de plasma, que contiene un sensor 245 de presión, que puede medir la presión del gas inerte dentro de la antorcha 600 de plasma. El gas inerte también fluye más allá de un sensor 225 de temperatura, que puede medir la temperatura del gas inerte dentro de la antorcha 600 de plasma. El gas inerte fluye a través de un electrodo 610 de tungsteno y hacia una región de un campo electromagnético (EM) ionizante donde el gas inerte se ioniza en plasma, y sale de la antorcha 600 de plasma como arco 625 de plasma.

El flujo másico o volumétrico o ambos pueden ser controlados o modificados utilizando un sistema 800 de control de flujo másico y volumétrico de gas. El sistema 800 de control de flujo volumétrico y másico de gas puede ser un sistema 1000, cuyas realizaciones ejemplares se ilustran en las FIGS. 3A y 3B, que regula el flujo másico y monitoriza el flujo volumétrico de un gas que se va a ionizar por una antorcha de plasma. El sistema 800 de control de flujo volumétrico y másico de gas puede ser un sistema 2000, una realización ejemplar del cual se ilustra en las FIGS. 4A y 4B, que regula el flujo volumétrico y controla el flujo másico de un gas que va a ser ionizado por una antorcha de plasma. El sistema 800 de control de flujo volumétrico y másico de gas puede ser un sistema 3000, una realización ejemplar del cual se ilustra en las FIG. 7, que regula el flujo másico y el flujo volumétrico de un gas que se va a ionizar por una antorcha de plasma. En las ilustraciones presentadas en las FIGS 3A, 3B, 4A, 4B y 7, las líneas discontinuas muestran vías de conexión de datos; las líneas continuas muestran vías de conexión de fluidos, tales como tuberías y mangueras a través de las cuales puede fluir un fluido; y las líneas discontinuas encierran los componentes de diferentes grupos, tal como el kit sensorial o el grupo procesador.

En un sistema convencional, una fuente de gas que va a ser ionizado puede ser conectada a un colector que puede dirigir el gas a más de un uso final, tal como a múltiples antorchas de plasma que van a ser ionizadas en plasma, o para uso como gas de protección, o para mantener un ambiente inerte, tal como dentro de un gabinete, y el colector puede proveer gas simultáneamente para satisfacer estas demandas. En algunas configuraciones, un sistema puede incluir una línea de suministro de gas inerte de la instalación que puede suministrar gas inerte a diversos elementos del sistema directamente o a través de un colector. Un gas inerte ejemplar es un gas nobel. En algunas realizaciones, el gas inerte se selecciona entre helio, neón, argón, criptón, xenón y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el gas inerte es argón. Por ejemplo, la línea de suministro de gas inerte de la instalación puede ser un suministro de gas argón que puede estar en comunicación fluida con un colector. La densidad del gas argón suministrado al colector puede controlarse en la línea de suministro de gas, por ejemplo, mediante el uso de un elemento de control de presión, tal como un regulador de presión, y un elemento de control de temperatura, tal como un calentador y un sensor de temperatura. El gas inerte procedente del colector de gas o de cualquier otro tipo de sistema de distribución de gas puede dirigirse a una unidad de flujo másico que puede medir y regular el flujo del inerte en condiciones estándar para suministrar el gas inerte a la antorcha de plasma de la máquina de fabricación aditiva.

Sin embargo, dado que los sistemas convencionales se basan en condiciones estándar, la densidad del gas inerte suministrado a través de un colector de suministro de gas puede estar sujeta a grandes variaciones debido a diversos factores. Un factor puede ser las diferentes longitudes y secciones transversales de las tuberías que suministran gas inerte a las distintas zonas de los componentes del sistema de fabricación aditiva. Otro factor puede ser la variación del consumo de inertes en las distintas fases del proceso de fabricación aditiva, y entre los distintos componentes y máquinas del sistema de fabricación aditiva. Otro factor que afecta a la densidad del gas inerte suministrado pueden ser las grandes variaciones de temperatura y presión en diversos componentes del sistema del proceso de fabricación aditiva. Por ejemplo, las mangueras y tuberías de gas que suministran el gas inerte a la antorcha de plasma están sometidas a una amplia gama espectral de radiación electromagnética procedente del arco de plasma y de la pieza de trabajo, que puede variar de una pieza a otra, así como variar durante el proceso de deposición en función del grosor o la masa de la pieza de trabajo. Como resultado, la temperatura de estas mangueras y tuberías puede cambiar, y afectar a la temperatura del gas inerte suministrado a la antorcha de plasma para ser ionizado, y por lo tanto la presión del plasma resultante dirigido por la antorcha de plasma hacia el baño de fusión.

Mientras se mantiene el flujo másico, las variaciones de densidad del plasma pueden afectar al flujo volumétrico del plasma en la antorcha de plasma y, en consecuencia, a la presión del arco en el baño de fusión. Para solucionar este problema, los sistemas que se proporcionan en el presente documento pueden monitorizar, o regular, o monitorizar y regular el flujo másico, el flujo volumétrico, o el flujo másico y el flujo volumétrico. Los sistemas proporcionados incluyen un kit sensorial que incluye una unidad de medición de la temperatura, una unidad de medición de la presión y una unidad de medición del flujo másico, que incluye un sensor en las proximidades de la entrada de gas del antorcha de plasma, de modo que el kit sensorial pueda medir las variaciones de temperatura, presión y flujo másico debidas a variaciones del entorno o de la máquina.

Los sistemas también pueden incluir un grupo procesador o grupo controlador que puede monitorizar, modificar y mantener el flujo volumétrico/velocidad del gas a un nivel deseado y consistente independientemente de cualquier variación de la densidad del gas debida a cualquiera de las razones descritas anteriormente. El grupo de controladores puede incluir un controlador para el cálculo del flujo volumétrico real basado en la fórmula matemática descrita anteriormente. El grupo controlador puede incluir un controlador de flujo másico y/o un controlador de flujo volumétrico para monitorizar, regular y mantener el flujo másico y el flujo volumétrico, respectivamente. En una configuración de este tipo, el sistema puede incluir unidades centrales de procesamiento (CPU) individuales o separadas para realizar las funciones de procesador de cálculo, controlador de flujo másico, controlador de flujo volumétrico y controlador maestro de proceso. El controlador maestro del proceso puede estar en comunicación con cada uno de los procesadores de cálculo separados, el controlador de flujo volumétrico y el controlador de flujo másico. Esta configuración puede permitir que el controlador maestro del proceso controle la función de cada uno de los procesadores separados que controlan el procesador de cálculo, el controlador de flujo másico y el controlador de flujo volumétrico. Cada uno de los procesadores de cálculo, el controlador de flujo másico y el controlador de flujo volumétrico también pueden proporcionarse como microcontroladores separados en comunicación con el controlador maestro del proceso. En las FIGS. 3, 4 y 7 se muestran configuraciones ejemplares de los sistemas proporcionados en el presente documento que incluyen un grupo procesador. Aunque se pueden utilizar procesadores o CPU individuales (por ejemplo, microcontroladores) para el procesador de cálculo, el controlador de flujo másico y el controlador de flujo volumétrico para incrustar las tareas de control en varias CPU, no es necesario un grupo de procesadores para la funcionalidad del sistema. Los controladores no tienen por qué ser CPU individuales.

El sistema también puede incluir, en lugar de un grupo de procesadores separados, un controlador maestro de procesos en donde el procesador de cálculo, el controlador de flujo másico y/o el controlador de flujo volumétrico no son procesadores individuales o unidades centrales de procesamiento (CPU) separadas, sino que son funciones o códigos de software que se ejecutan (por ejemplo, de forma integrada) en el controlador maestro de procesos. La función del controlador de flujo másico y del controlador de flujo volumétrico puede integrarse en un controlador unificado, tal como un controlador maestro de proceso. En esta configuración, el controlador maestro del proceso puede estar en comunicación con una válvula de control y un elemento de control de densidad, y utilizando los datos generados por el controlador de flujo másico y el controlador de flujo volumétrico, puede modificar y controlar el flujo másico y/o el flujo volumétrico del gas inerte que se va a ionizar por la antorcha de plasma, regulando así la presión del arco de plasma ejercida sobre el baño de fusión. En las FIGS. 8-11 se muestran realizaciones ejemplares de un sistema en donde el procesador de cálculo, el controlador de flujo másico y/o el controlador de flujo volumétrico son funciones o códigos de software que se ejecutan en el controlador maestro de procesos.

Sistema de regulación del flujo másico y monitorización del flujo volumétrico

Una realización ejemplar de un sistema 1000 para la regulación del flujo másico y la monitorización del flujo volumétrico se ilustra en la FIG. 3A. La realización mostrada en la FIG. 3 incluye un grupo 300 de procesadores que incluye un procesador 320 de cálculo independiente, un controlador 340 maestro de proceso y un controlador 380 de flujo másico. El controlador maestro del proceso está en comunicación con el procesador 320 de cálculo y el controlador de flujo másico. El controlador 340 maestro de proceso también está en comunicación con el programa 400 de parte, el kit 200 sensorial y el sistema 500 de monitorización de datos. El controlador de flujo másico está además en comunicación con la válvula de control, lo que resulta en la producción de un flujo másico controlado de gas inerte al antorcha de plasma.

Una realización alternativa de un sistema 1000 para la regulación del flujo másico y la monitorización del flujo volumétrico se ilustra en la FIG. 3B. El sistema ejemplar representado en la FIG. 3B, un único controlador 340 maestro de proceso contiene las tareas de control del procesador de cálculo y del controlador de flujo másico, que son códigos de software o funciones que se ejecutan de forma integrada en el controlador maestro de proceso. El controlador maestro del proceso está en comunicación con un elemento de control de densidad y una válvula de control y comunica comandos de control de flujo másico a la válvula de control y/o al elemento de control de densidad, lo que resulta en la producción de un flujo másico controlado de gas inerte hacia la antorcha de plasma.

Estas configuraciones pueden ser útiles en la resolución de problemas del sistema. Por ejemplo, estas configuraciones pueden ser útiles para detectar fugas en el sistema. En la configuración representada, el flujo másico y la densidad del gas se miden directamente en la entrada de la antorcha de plasma, o en las proximidades de la entrada de la antorcha de plasma. Esto puede permitir que todas las fugas en tuberías, mangueras o conexiones que podrían haber reducido el flujo másico que pueden producirse entre el suministro 100 de gas y el conector 195 sensorial sean detectadas y compensadas mediante la acción de la válvula de control. Además, la medición de la densidad con cualquiera de estas configuraciones puede permitir tener en cuenta las variaciones de densidad debidas a factores ambientales, tolerancias mecánicas y calor absorbido debido a la radiación del arco mientras se regula el flujo del gas inerte.

En las realizaciones ejemplares ilustradas en las FIGS. 3A y 3B, un suministro 100 de gas está conectado a un colector 120 de suministro de gas a través de la manguera 110. El gas inerte del suministro 100 de gas puede ser un gas noble. En algunas realizaciones, el suministro 100 de gas proporciona un gas seleccionado entre helio, neón, argón, criptón, xenón y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el suministro 100 de gas proporciona argón al sistema. El colector 120 de suministro de gas puede suministrar gas a varios componentes diferentes de una máquina de fabricación aditiva, o a diferentes máquinas de fabricación aditiva, así como, o además de, suministrar gas para mantener un entorno deseado en las proximidades del arco de plasma o de la pieza de trabajo. Por ejemplo, el colector 120 de suministro de gas puede proporcionar gas a una cámara que aloja la máquina de fabricación aditiva. Las FIGS. 3A y 3B ilustran sólo la línea 125 de gas que conecta el colector 120 de suministro de gas a la válvula 130 de control en aras de la claridad. La válvula 130 de control puede ser operada para aumentar o disminuir la abertura en la válvula para aumentar o disminuir la cantidad de gas que fluye a través de la válvula 130 de control.

En la configuración mostrada en la FIG. 3A, el gas inerte puede fluir desde la válvula 130 de control a través de la manguera 185 hasta la antorcha 600 de plasma, que ioniza el gas para formar el arco 625 de plasma, que puede utilizarse para fundir una fuente de alambre metálico para depositar metal fundido desde la fuente de alambre metálico fundido sobre la pieza 650 de trabajo. En la configuración mostrada en la FIG. 3B, el gas inerte puede fluir desde la válvula 130 de control a través de la manguera 135 a un elemento 140 de control de densidad, y luego a través de la manguera 190 a la antorcha 600 de plasma, que ioniza el gas para formar el arco 625 de plasma, que se puede utilizar para fundir una fuente de alambre metálico para depositar metal fundido de la fuente de alambre metálico fundido sobre la pieza 650 de trabajo.

El kit 200 sensorial en las FIGS, 3A y 3B incluye un conector 195 sensorial a la línea 185 de gas para permitir la medición de la temperatura, presión y flujo del gas a la antorcha de plasma. El kit sensorial puede incluir una unidad 220 de medición de temperatura, una unidad 240 de medición de presión y una unidad 260 de medición de flujo másico. La unidad 220 de medición de temperatura puede incluir un sensor 225 de temperatura (no mostrado). La unidad 240 de medición de presión puede incluir un sensor 245 de presión (no mostrado). La unidad 260 de medición de flujo másico puede incluir un caudalímetro 265 (no mostrado) para la medición del flujo másico en condiciones estándar. Pueden incluirse otros dispositivos de medición ambiental.

El conector 195 sensorial, que puede ser una manguera o tubo de muestreo de gas, del kit 200 sensorial puede conectarse a cualquier parte de la línea de suministro de gas inerte en cualquier lugar entre (i) el colector de gas o cualquier otro tipo de sistema de distribución de gas y (ii) el campo electromagnético del ionizador de gas. La colocación puede seleccionarse para adaptarse a cualquier restricción de espacio para el hardware del sistema de colocación, tal como el kit sensorial, debido a las diversas configuraciones de las diferentes máquinas de deposición. A medida que la colocación del conector 195 sensorial se aleja más del campo de ionización, es posible que algunas de las perturbaciones externas del flujo de gas controlado,por ejemplo,fugas de gas o variaciones de la temperatura del gas debidas a la radiación del arco de plasma y de la pieza de trabajo, no se detecten y, por tanto, no sean compensadas por los controladores del flujo de gas. Cuando las limitaciones físicas lo permiten, puede ser ventajoso tener el conector 195 sensorial lo más cerca posible de la antorcha para detectar las perturbaciones externas, por ejemplo, fugas en las mangueras que disminuyen el flujo de masa o la absorción de radiación por las mangueras que aumentan la temperatura del flujo de gas. En algunas realizaciones, el conector 195 sensorial puede estar situado de 10 mm a 15 cm, o de 2 cm a 2 m, o más lejos, de la entrada de gas de la antorcha de plasma. Aunque en las figuras se representa para mayor claridad como un único elemento 195, cada uno de los componentes del conector sensorial, tal como un sensor de temperatura, un sensor de presión y/o un caudalímetro, puede colocarse en ubicaciones físicas separadas y proporcionar datos de las diferentes ubicaciones al kit sensorial.

En una realización ejemplar mostrada en las FIGS. 3A y 3B, el conector 195 sensorial puede conectarse directamente a la entrada de la antorcha. Una ventaja de esta configuración es que todas las perturbaciones externas al flujo de gas controlado,por ejemplo,las fugas de gas o las variaciones de temperatura del gas debidas a la radiación del arco y la pieza de trabajo, hasta la entrada de la antorcha serán detectadas y compensadas por los controladores del flujo de gas. Con esta configuración, las perturbaciones externas del flujo de gas introducidas en el interior del conjunto de la antorcha,por ejemplo,las variaciones de presión debidas a las tolerancias mecánicas de la antorcha, o las variaciones de temperatura debidas a averías del circuito de enfriamiento, no serán captadas ni compensadas por los controladores del flujo de gas. En una realización ejemplar, el conector 195 sensorial puede conectarse a la línea de suministro de gas dentro de la cámara de producción justo en la entrada de gas de la antorcha de plasma, o en las proximidades de la entrada de gas de la antorcha de plasma.

En una realización ejemplar, el sensor de presión y/o el sensor de temperatura del kit de sensores pueden estar situados en el interior de la antorcha. La FIG. 2 ilustra una realización ejemplar de una antorcha de plasma que contiene un sensor de presión y un sensor de temperatura. Una ventaja de esta configuración es que todas las perturbaciones externas del flujo de gas, incluyendo los efectos de las tolerancias mecánicas de la antorcha, la radiación del arco de plasma y las fugas, serán medidas y compensadas por los controladores del flujo de gas. La colocación de los sensores de presión y temperatura del kit de sensores en el interior de la antorcha puede proporcionar el control más preciso del flujo de gas inerte, que va a ser entregado al campo electromagnético de ionización en el interior de la antorcha. Las desventajas de modificar la antorcha para incluir los sensores de presión y temperatura del kit de sensores pueden incluir limitaciones para introducir el hardware de los sensores de presión y temperatura del kit de sensores dentro de la antorcha, tales como restricciones de espacio. Otra desventaja puede ser el aumento del coste de esta configuración de la antorcha.

En algunas realizaciones, múltiples conectores 195 sensoriales pueden ser usados, cada uno conectado en una localización diferente. Las posiciones múltiples ejemplares pueden incluir cualquier combinación de (a) en la línea de alimentación de gas inerte entre el colector de gas y la entrada de la antorcha, (b) en la entrada de la antorcha, y (c) dentro de la antorcha. El muestreo múltiple por los múltiples conectores 195 sensoriales puede permitir que el kit 200 sensorial sea capaz de medir y controlar las variaciones de densidad del gas con mayor precisión en todo el sistema. Los sensores de cada uno de los componentes separados del kit sensorial pueden separarse y colocarse independientemente en lugares diferentes. Por ejemplo, la medición 260 de flujo másico del kit 200 sensorial puede posicionarse a lo largo de múltiples partes de la línea 175 o 185 de gas inerte. Se pueden colocar sensores de temperatura y/o sensores de presión independientes a lo largo de la línea 175 o 185 de gas inerte, o incluso dentro de la antorcha 600 de plasma.

El kit 200 sensorial ilustrado en las FIGS. 3A, 3B, 4 y 7 pueden separarse y cada uno de los elementos puede incrustarse en diferentes partes de la línea (125 y 185) de gas inerte. En particular, la agrupación de los sensores 220, 240 y 260 se muestra sólo para mayor claridad de la presentación en las FIGS. 3A, 3B, 4 y 7, y no pretende restringir la generalidad del esquema de control, ya que los sensores pueden estar separados entre sí y colocados en cualquier lugar entre el colector de gas y el campo electromagnético del ionizador de gas, como se ha comentado anteriormente.

Utilizando la información generada por los elementos del kit 200 sensorialfpor ejemplo, temperatura, presión y flujo másico en las realizaciones ilustradas en la FIG. 3A), el grupo 300 de procesadores puede calcular y ajustar el flujo volumétrico real del gas que se va a ionizar. El grupo 300 de procesadores puede incluir un procesador 320 de cálculo para calcular el flujo volumétrico real, y un controlador 380 de flujo másico que puede accionar la válvula 130 de control basándose en los datos recibidos del controlador 340 maestro de proceso. Por ejemplo, el controlador 340 maestro de proceso puede recibir el flujo volumétrico calculado del procesador 320 de cálculo y el flujo másico de gas medido del kit 200 sensorial. El grupo 300 de procesadores puede ser un conjunto de procesadores que realizan diferentes tareas en paralelo, o un procesador que realiza un conjunto de tareas en paralelo, para dar soporte a diversas funciones. El grupo 300 de procesadores representa los cálculos paralelos de un proceso lógico que puede estar incrustado en diferentes procesadores físicos (FIG.

3A), o pueden integrarse en un controlador maestro de procesos en forma de funciones lógicas (FIG. 3B), en función de la capacidad de cálculo del procesador. En particular, los procesos 320, 360 y 380 pueden implementarse en forma de diferentes funciones en un procesador físico que puede ser 340, como se muestra en la FIG. 3B, o de forma similar se puede hacer en diferentes procesadores en paralelo, como se muestra en la FIG. 3A.

Un programa 400 de parte, que incluye los datos necesarios para que el sistema de fabricación aditiva prepare una preforma dada, incluyendo las trayectorias de la antorcha de plasma para formar capa sobre capa de metal fundido para formar la preforma, así como los flujos de gas y las señales de valor establecido de gas, puede estar en comunicación con el controlador maestro del proceso. El controlador maestro del proceso puede entonces proporcionar los valores establecidos de flujo másico obtenidos del programa 400 de parte y los valores reales de flujo másico obtenidos del kit 200 sensorial al controlador 380 de flujo másico. El controlador 380 de flujo másico puede comparar el valor establecido de flujo másico con el valor real de flujo másico y enviar una señal a la válvula 130 de control para abrir incrementalmente la válvula 130 de control para aumentar el flujo másico de gas a la antorcha de plasma. El controlador 380 de flujo másico puede enviar una señal a la válvula 130 de control para cerrar incrementalmente la válvula 130 de control para disminuir el flujo másico de gas a la antorcha de plasma. Las acciones tomadas por el controlador 340 maestro de proceso para regular el flujo másico del gas desde el colector 120 de suministro de gas a la antorcha 600 de plasma con base en los datos recibidos desde el kit 200 sensorial a través del conector 195 sensorial permite que un flujo másico controlado de gas sea entregado a la antorcha de plasma. Esto puede permitir controlar el número de moléculas de gas suministradas a la antorcha de plasma por unidad de tiempo (es decir, controlar el flujo de masa). El sistema también puede controlar el flujo volumétrico del gas inerte. Los datos de flujo volumétrico calculado recibidos por el controlador 340 maestro de proceso desde el procesador 320 de cálculo pueden enviarse al sistema 500 de monitorización de datos para su revisión por parte de un operador. Mediante la monitorización de los datos de flujo volumétrico real, un operador o el sistema pueden determinar la presión del arco de plasma y realizar los ajustes necesarios en el flujo másico de gas inerte para ajustar la presión del arco de plasma. En esta configuración, los datos de flujo volumétrico pueden utilizarse para el análisis del proceso de posición, el análisis del estado de la máquina y la detección y eliminación (o compensación) de fugas.

Los datos generados por uno cualquiera o una combinación del kit sensorial, el procesador de cálculo, el controlador de flujo másico, y el controlador de flujo volumétrico, la válvula de control y el elemento de control de densidad pueden ser registrados en un servidor de datos u otra forma de sistema de monitorización de datos, y/o pueden ser presentados a un usuario en tiempo real o como un archivo de datos. Esto puede permitir al sistema o a un usuario evaluar los datos para las operaciones del sistema, el control de calidad, el diagnóstico o la detección y/o corrección de problemas. En algunos casos, los datos registrados anteriormente pueden utilizarse para actualizar un programa de parte con el fin de ajustar un valor establecido de caudal. En algunos casos, los datos en tiempo real pueden ser monitorizados durante la fabricación para permitir el ajuste del flujo para proporcionar parámetros de flujo controlados en línea con los valores de flujo establecidos para la producción de una pieza de trabajo.

En algunos casos, los datos de operación diarios pueden ser comparados para determinar los requerimientos de gas inerte para las necesidades de fabricación de una pieza de trabajo dada para permitir la asignación de recursos. En algunos casos, los datos pueden compararse con la información del análisis de control de calidad de la pieza de trabajo terminada para determinar si los parámetros de flujo requieren ajuste, o para restablecer los valores establecidos de flujo para lograr resultados de control de calidad similares en piezas de trabajo posteriores. Los datos recogidos, tales como la combinación del control de flujo másico y el control de flujo volumétrico, pueden utilizarse para crear un valor establecido de flujo que consiga las propiedades deseadas en la pieza de trabajo final mediante el control de la presión del arco de plasma en el baño de fusión durante la fabricación de la pieza de trabajo. Los datos recopilados también pueden compararse con datos archivados para minimizar las diferencias en la producción de un día para otro o en diferentes máquinas o sistemas de fabricación. Cualquiera o una combinación del controlador maestro del proceso, el procesador de cálculo, el procesador de control volumétrico y el procesador de control de flujo másico pueden estar en comunicación con un servidor de datos, y los datos de flujo másico y flujo volumétrico pueden enviarse al servidor de datos.

La válvula 130 de control puede ser operada por un controlador en respuesta a una señal de punto de consigna, que puede ser generada por el controlador 340 maestro de proceso. Un punto de consigna puede corresponder a un caudal másico de gas inerte deseado. El controlador 340 maestro de proceso puede recibir un valor establecido de flujo másico del programa 400 de parte y el controlador 340 maestro de proceso puede estar conectado a un controlador conectado a la válvula 130 de control, directamente o a través del controlador 380 de flujo másico. El controlador 340 maestro de proceso puede comparar el valor de flujo másico real con un valor establecido de flujo másico para generar una señal de ajuste que puede transmitirse al controlador de la válvula 130 de control para ajustar el grado de apertura de la válvula 130 de control para provocar un cambio en la tasa de flujo de gas inerte a través de la misma, reduciendo así cualquier diferencia entre el valor de flujo másico establecido y el valor de flujo másico real medido.

El controlador 380 de flujo másico puede incluir un sensor acoplado a la válvula 130 de control que puede detectar la posición de la apertura de la válvula, y el sensor puede comunicar la posición de la válvula al controlador 380 de flujo másico, que está en comunicación con el controlador 340 maestro de proceso, para ajustar la posición de la válvula basándose en la retroalimentación de posición de la válvula recibida del sensor.

Las señales comunicadas al controlador 340 maestro de proceso desde el controlador 380 de flujo másico o la válvula 130 de control pueden ser una señal digital, tal como un voltaje alto, un voltaje bajo o un voltaje cero, indicando que el valor que se está midiendo está por encima, por debajo o en el nivel preferido. Del mismo modo, cualquier salida comunicada a la válvula 130 de control por el controlador 340 maestro de proceso directamente o a través del controlador 380 de flujo másico puede ser una señal abierta, cerrada o neutra. Alternativamente, las señales pueden comunicar un valor analógico.

El controlador 340 maestro de proceso puede configurarse para ser capaz de emitir una señal de control de válvula a la válvula 130 de control o al controlador 380 de flujo másico como un voltaje alto, bajo o cero, y también puede incluir una opción para emitir una señal de error. Si la señal de control de la válvula es una señal alta o una señal baja, entonces la válvula 130 de control puede cerrarse o abrirse incrementalmente, respectivamente, hasta que se alcance una señal cero. Si la señal de control de la válvula es cero, la válvula no cambiará de posición. Si la señal de control de la válvula es de error, la válvula puede cerrarse completamente o interpretar la salida de error como una salida cero, dependiendo del tipo de error. Por ejemplo, si el caudal es demasiado bajo para soportar el caudal deseado, la válvula 130 de control puede abrirse completamente para maximizar el flujo. Alternativamente, si el sensor detecta un flujo de gas inerte insuficiente o nulo, la señal de error puede interpretarse para cerrar la válvula y enviar una señal de alerta al sistema 500 de monitorización de datos.

Debido a las variaciones en las longitudes y/o diámetros de las tuberías, o a las variaciones en el consumo de gas inerte y las demandas sobre el colector 120 de suministro de gas por parte de diferentes componentes de las máquinas de fabricación aditiva o sistemas relacionados, además del impacto de factores ambientales tales como las temperaturas del entorno de producción (temperatura de la cámara de deposición o temperatura de la sala de producción), la densidad del gas suministrado desde el colector 120 de suministro de gas está sujeta a grandes variaciones (en términos de temperatura y presión). La realización de los sistemas proporcionados en el presente documento configurado como se muestra como sistema 1000 en la FIG. 2 permite el suministro de un flujo másico controlado de gas inerte a la antorcha de plasma a pesar de las diversas demandas en el colector 120 de suministro de gas.

Los sistemas de medición y control del flujo de gas en los sistemas convencionales de fabricación aditiva se encuentran normalmente en un armario de control que puede estar situado lejos de la antorcha debido a las restricciones de espacio en la cámara de producción de las máquinas de fabricación aditiva. Esto implica que el flujo regulado en el armario eléctrico está sujeto a perturbaciones que se suman en la distancia entre el armario eléctrico y la antorcha. Sin embargo, situando las mangueras de muestreo de flujo del kit sensorial en la entrada del antorcha o en sus proximidades, se pueden detectar todas las perturbaciones del flujo másico(porejemplo, debidas a fugas en las tuberías o en los conectores o mangueras) y del flujo volumétrico (por ejemplo, debidas a las tolerancias mecánicas de los diámetros de las tuberías y mangueras y a las variaciones de temperatura debidas a la absorción del calor irradiado desde el arco y la pieza de trabajo por las mangueras de gas o a las variaciones de temperatura en la célula de producción). La colocación del conector 195 sensorial adyacente o en las proximidades de la entrada de gas de la antorcha 600 de plasma puede permitir la detección de cualquier reducción del flujo másico del gas suministrado a la antorcha de plasma, como la reducción del flujo de plasma debido a una fuga, y por lo tanto el kit 200 sensorial puede servir como un segundo sensor de opinión para el flujo másico del plasma desde el colector de gas 120 a la antorcha 600 de plasma.

La unidad 220 de medición de temperatura del kit 200 sensorial puede incluir un sensor de temperatura para medir la temperatura del gas inerte. El sensor de temperatura de la unidad 220 de medición de temperatura no está limitado. Los sensores de temperatura ejemplares incluyen un termopar, un termistor, un dispositivo de temperatura resistivo, un detector infrarrojo, un dispositivo bimetálico, un dispositivo de expansión de líquido y cualquier combinación de los mismos.

La unidad 240 de medición de presión del kit 200 sensorial puede incluir un sensor de presión para medir la presión del gas inerte. El sensor de presión de la unidad 240 de medición de presión no está limitado. Los sensores de presión ejemplares incluyen un extensómetro piezoeléctrico, un sensor capacitivo, un extensómetro, un sensor de presión resistivo, un extensómetro piezoresistivo, un sensor metálico de película fina, un elemento sensor de aleación de titanio, un sensor cerámico de película gruesa, un sensor óptico, un acelerómetro, un sensor de sistema microelectromecánico y combinaciones de los mismos.

La unidad 260 de medición de flujo másico del kit 200 sensorial puede incluir un medidor de flujo para medir el flujo másico. El caudalímetro másico puede tener cualquier configuración. Por ejemplo, el caudalímetro másico puede medir la cantidad de masa de una sustancia que pasa a través del caudalímetro másico durante un tiempo determinado, independientemente del espacio ocupado por las moléculas de la sustancia. A partir de esa información, se puede calcular el flujo másico. Algunos ejemplos de caudalímetros másicos son los caudalímetros másicos térmicos y los caudalímetros másicos Coriolis. Tales medidores son conocidos en la técnica(por ejemplo,véase Pat. de EE.UU. Nos. 4,542,650 (Renken et al., 1985); 4,934,196 (Romano, 1990); 5,497,665 (Cage et al., 1996); 7,032,462 (Barger et al., 2006); 7,181,982 (Christian et al., 2007); 7,905,139 (Lull, 2011); 8,356,623 (Isobe et al., 2013); y 8,504,318 (Mendelson et al., 2013)).

Sistema de regulación del flujo volumétrico y monitorización del flujo másico

En los sistemas proporcionados en el presente documento, el flujo de gas a la antorcha de plasma puede ser corregido y controlado eligiendo entre un control de caudal másico, como se discutió anteriormente, y un control de caudal volumétrico basado en los requerimientos y pros y contras para el proceso. En una realización ejemplar, los datos generados por el kit sensorial del sistema proporcionado en el presente documento pueden utilizarse para ajustar el flujo de gas a la antorcha de plasma mediante el control del flujo volumétrico del gas comparando los valores establecidos y los valores reales del flujo volumétrico para regular el volumen de gas por unidad de tiempo (es decir, para compensar las variaciones de densidad). El flujo másico de la columna de plasma puede ajustarse para lograr el flujo volumétrico real a un nivel objetivo a través de variaciones de la densidad del gas con el fin de lograr la velocidad de descarga de plasma objetivo en la antorcha de plasma.

Se ilustran configuraciones ejemplares como sistema 2000 en las FIGS. 4A y 4B. La realización mostrada en la FIG. 4A incluye un grupo de procesadores, que incluye un procesador de cálculo independiente, un controlador maestro de proceso y un controlador de flujo volumétrico, donde el controlador de flujo volumétrico está en comunicación con la válvula de control y un elemento de control de densidad. En la realización mostrada en la FIG. 4B, un único controlador maestro de proceso controla las tareas del procesador de cálculo y del controlador de flujo volumétrico, que son códigos de software o funciones que se ejecutan de forma integrada en el controlador maestro de proceso. El controlador maestro del proceso está en comunicación con un elemento de control de densidad y una válvula de control, y comunica comandos de control de flujo volumétrico a la válvula de control y/o al elemento de control de densidad. En los sistemas de las FIGS. 4A y 4B, la vía de flujo de gas inerte desde el suministro 100 de gas a la antorcha 600 de plasma en el sistema 2000 es similar a la vía del flujo de fluido del sistema 1000 ilustrado en la FIG. 3A. Una diferencia es la presencia de un elemento 140 de control de densidad entre la válvula 130 de control y el conector 195 sensorial. El elemento 140 de control de densidad puede modificar o controlar la temperatura y/o la presión del gas inerte. El elemento 140 de control de densidad puede incluir un regulador 150 de temperatura (no mostrado) o un regulador 160 de presión (no mostrado) o ambos, un regulador 150 de temperatura y un regulador 160 de presión. El elemento 140 de control de densidad puede utilizarse de forma controlada para cambiar o modificar la temperatura o la presión, o bien la temperatura y la presión del gas, con el fin de controlar el flujo volumétrico de gas/velocidad del gas hacia la antorcha de plasma para alcanzar y mantener un nivel de descarga de plasma objetivo de la antorcha de plasma. En la configuración ilustrada en la FIG. 4A, el elemento 140 de control de densidad está en comunicación con un controlador 360 de flujo volumétrico del grupo 300 de procesadores. El controlador 360 de flujo volumétrico también está en comunicación con la válvula 130 de control. En la configuración ilustrada en la FIG. 4B, el elemento 140 de control de densidad está en comunicación con el controlador 340 maestro de procesador, que también está en comunicación con la válvula 130 de control.

Regulando la temperatura y/o la presión se puede controlar la densidad del gas inerte para mantener una distancia media constante entre las moléculas de gas inerte debido a las perturbaciones ambientales y mecánicas que pueden afectar a esta distancia, consiguiendo así un flujo volumétrico objetivo del plasma. El modificador de la densidad del gas puede ayudar a regular todos los parámetros que pueden definir el flujo volumétrico, lo que puede resultar en una aplicación consistente del arco de plasma en el baño de fusión, incluso si cambian las condiciones externas o las perturbaciones. El elemento de control de densidad puede incluir un regulador de temperatura o un regulador de presión o ambos, un regulador de temperatura y un regulador de presión.

El elemento 140 de control de densidad puede incluir un regulador de temperatura. No existe ninguna limitación en cuanto al tipo de regulador de temperatura que puede incluirse en el elemento de control de densidad. El regulador de control de temperatura puede incluir un elemento que puede aumentar la temperatura de un gas que pasa a través del elemento de control de densidad. El regulador de control de temperatura puede incluir un elemento que puede disminuir una temperatura de un gas que pasa a través del elemento de control de densidad. El regulador de control de temperatura puede incluir un primer elemento que puede aumentar la temperatura de un gas que pasa a través del elemento de control de densidad y un segundo elemento que puede aumentar la temperatura de un gas que pasa a través del elemento de control de densidad.

El regulador de temperatura puede incluir un calentador. El calentador puede aumentar la temperatura del gas inerte dentro del elemento 140 de control de densidad, lo que puede aumentar el volumen ocupado por el mismo número de moléculas de gas. El calentador puede incluir un calentador de inducción, un calentador de resistencia, un elemento de calentamiento cerámico piezoeléctrico, o una combinación de los mismos.

El regulador de temperatura puede incluir un aparato de enfriamiento. El aparato de enfriamiento puede reducir la temperatura del gas inerte dentro del elemento 140 de control de densidad, lo que puede reducir el volumen ocupado por el mismo número de moléculas de gas. El aparato de enfriamiento puede incluir una tubería conectada a un depósito de fluido refrigerado y una bomba para formar una vía de enfriamiento de bucle cerrado para suministrar un fluido de enfriamiento al regulador de temperatura dentro del elemento 140 de control de densidad. El aparato de enfriamiento puede incluir un conducto cerrado que pase a través del regulador de temperatura y un ventilador conectado al conducto cerrado para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura dentro del elemento 140 de control de densidad. Se puede utilizar una combinación de una vía de enfriamiento refrigerada de bucle cerrado y un conducto para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura. El elemento 140 de control de densidad puede incluir una vía de enfriamiento de bucle cerrado para suministrar un fluido de enfriamiento al regulador de temperatura dentro del elemento 140 de control de densidad, así como un calentador para aumentar la temperatura del gas que fluye a través del elemento de control de densidad para permitir el ajuste independiente de la temperatura utilizando cualquiera de los dispositivos individualmente.

Un elemento 140 de control de densidad ejemplar para controlar la presión del gas inerte a la entrada de la antorcha de plasma y por lo tanto la distancia promedio entre las moléculas de gas se ilustra en la FIG. 5. En la realización ejemplar mostrada en la FIG. 5, el elemento 140 de control de densidad modula la presión del gas inerte modificando la temperatura del gas. Para un volumen determinado de gas, aumentando la temperatura puede aumentar la presión y, a la inversa, disminuyendo la temperatura puede disminuir la presión. En la realización ejemplar mostrada en la FIG. 5, el elemento 140 de control de densidad incluye un regulador 150 de temperatura que incluye un regulador 151 de temperatura de líquido. El regulador 151 de temperatura de líquido puede aumentar o disminuir la temperatura de un fluido. El regulador 151 de temperatura de líquido en comunicación fluida con un intercambiador 154 de calor dentro del elemento 140 de control de densidad a través de un conducto 153 que está conectado a la salida 152 del regulador 151 de temperatura de líquido. El intercambiador 154 de calor está posicionado para estar en comunicación térmica con el gas inerte que fluye a través del elemento 140 de control de densidad. Cuando el líquido del regulador 151 de temperatura de líquido que fluye a través del intercambiador 154 de calor está a una temperatura inferior a la temperatura del gas inerte que fluye a través del elemento 140 de control de densidad, el líquido puede absorber energía térmica del gas inerte, lo que resulta en una reducción de la temperatura del gas inerte a medida que pasa por el intercambiador 154 de calor hacia la entrada de la antorcha de plasma. Cuando el líquido del regulador 151 de temperatura de líquido que fluye a través del intercambiador 154 de calor está a una temperatura superior a la temperatura del gas inerte que fluye a través del elemento 140 de control de densidad, el líquido puede donar energía térmica al gas inerte, lo que resulta en un aumento de la temperatura del gas inerte a medida que pasa por el intercambiador 154 de calor hacia la entrada de la antorcha de plasma.

En la realización ilustrada en la FIG. 5, el regulador 151 de temperatura de líquido incluye una salida 152 conectada a un conducto 153 que está conectado al intercambiador 154 de calor para permitir que el fluido fluya desde el, el regulador 151 de temperatura de líquido hasta el intercambiador 154 de calor. En la realización ilustrada, el regulador 150 de temperatura incluye una bomba 170 que puede bombear un líquido desde el intercambiador 154 de calor a través de un conducto 155, que está conectado a una entrada 176 de la bomba 170, y a través de la salida 174 de la bomba 170 a través del conducto 156 de vuelta a la entrada 158 del regulador 151 de temperatura de líquido para completar el circuito de flujo de fluido. Los conductos 153, 155 y 156 pueden ser una manguera o una tubería. La bomba 170 se muestra conectada entre el intercambiador 154 de calor y el regulador 151 de temperatura de líquido después del intercambiador 154 de calor. La bomba 170 también puede conectarse entre el regulador 151 de temperatura de líquido y el intercambiador 154 de calor antes del intercambiador 154 de calor. La bomba 170 puede permitir la circulación del líquido del regulador 151 de temperatura de líquido a través del circuito de flujo de fluido y de vuelta al regulador 151 de temperatura de líquido.

Para permitir un cambio de temperatura más rápido, la bomba puede configurarse para incluir una descarga 178 que permita descargar el líquido recibido del intercambiador 154 de calor del circuito de flujo de fluido en lugar de reciclarlo de vuelta al regulador 151 de temperatura de líquido. La bomba 170 también puede incluir una entrada 172 para permitir que el fluido de reemplazo de una fuente 175 de líquido externa se introduzca en el circuito de flujo de fluido para ser dirigido al regulador 151 de temperatura de líquido para el ajuste de temperatura del líquido.

El elemento 140 de control de densidad puede incluir un regulador de presión. El regulador de presión puede incluir cualquier regulador de presión mecánico. Por ejemplo, el regulador de presión puede incluir una cámara plenum móvil que puede aumentar el volumen del regulador de presión y así disminuir la presión de la columna de plasma que sale del regulador de presión, o disminuir el volumen del regulador de presión y así aumentar la presión de la columna de plasma que sale del regulador de presión.

Una realización ejemplar de un elemento 140 de control de densidad que incluye un regulador de presión se ilustra en la FIG. 6. En la realización ilustrada, el regulador 160 de presión incluye una cámara 162 plenum, cuyo volumen puede ajustarse modulando la ubicación de un elemento 164 de sellado mediante un modulador 166 de posición que puede elevar al menos una parte del elemento 164 de sellado, aumentando así el volumen de la cámara 162 plenum, o que puede bajar al menos una parte del elemento 164 de sellado, disminuyendo así el volumen de la cámara 162 plenum. Al aumentar el volumen de la cámara 162 plenum, aumenta el volumen efectivo dentro del regulador 160 de presión y, por tanto, disminuye la distancia entre moléculas de gas inerte. Al disminuir el volumen de la cámara 162 plenum, disminuye el volumen efectivo dentro del regulador 160 de presión y, por tanto, aumenta la distancia entre moléculas de gas inerte. El elemento 164 de sellado puede ser un disco sólido que puede elevarse o bajarse para aumentar o disminuir el volumen de la cámara 162 plenum. El elemento 164 de sellado puede ser un diafragma flexible o elástico fijado a las paredes de la cámara 162 plenum, y el modificador 166 de posición puede empujar el centro del elemento 164 de sellado hacia la tubería de flujo de gas para disminuir el volumen de la cámara 162 plenum, o el modificador 166 de posición puede tirar del centro del elemento 164 de sellado alejándolo de la tubería de flujo de gas para aumentar el volumen de la cámara 162 plenum. Aunque la realización ilustrada muestra una sola cámara plenum, el regulador 160 de presión puede incluir dos o más cámaras plenum.

En la realización ejemplar del sistema ilustrado en la FIG. 4, se incluye un controlador 380 de flujo volumétrico en comunicación con la válvula 130 de control y el elemento 140 de control de densidad. En el sistema 2000, un suministro 100 de gas está conectado a un colector 120 de suministro de gas a través de la manguera 110. El gas inerte del suministro 100 de gas puede ser un gas noble. En algunas realizaciones, el suministro 100 de gas proporciona un gas seleccionado entre helio, neón, argón, criptón, xenón y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el suministro 100 de gas proporciona argón al sistema. El colector de suministro de gas puede proporcionar gas a varios componentes diferentes de una máquina de fabricación aditiva, o a diferentes máquinas de fabricación aditiva, así como, o además de, proporcionar gas para mantener un entorno deseado en las proximidades del arco de plasma o de la pieza de trabajo. Las FIGS. 4A y 4B ilustran solamente la línea 125 de gas que conecta el colector 120 de suministro de gas a la válvula 130 de control. La válvula 130 de control puede ser operada para aumentar o disminuir la abertura en la válvula para aumentar o disminuir la cantidad de gas que fluye a través de la válvula 130 de control. El gas puede fluir desde la válvula 130 de control a través de la manguera 135 hasta el elemento 140 de control de densidad, y luego a través de la manguera 190 hasta la antorcha 600 de plasma, que ioniza el gas para formar el arco 625 de plasma, que puede utilizarse para fundir una fuente de alambre metálico para depositar metal fundido desde la fuente de alambre metálico fundido sobre la pieza 650 de trabajo.

El kit 200 sensorial incluye un conector 195 sensorial a la línea 190 de gas para permitir la medición de la temperatura, presión y flujo del gas a la antorcha de plasma. El kit sensorial puede incluir una unidad 220 de medición de temperatura, una unidad 240 de medición de presión y una unidad 260 de medición de flujo másico. La unidad 220 de medición de temperatura puede incluir un sensor de temperatura. La unidad 240 de medición de presión puede incluir un sensor de presión. La unidad 260 de medición de flujo másico puede incluir un caudalímetro para medir el flujo másico en condiciones estándar. En el kit 200 sensorial pueden incluirse otros dispositivos de medición ambiental.

El conector 195 sensorial del kit 200 sensorial puede estar situado dentro de la cámara de producción justo en la entrada de gas del antorcha de plasma, o en las proximidades de la entrada de gas del antorcha de plasma. Este posicionamiento puede permitir que el kit 200 sensorial sea capaz de medir y controlar las variaciones de densidad del gas debidas a cualquier perturbación de la radiación del arco, tales como cambios de temperatura debidos directamente a la acción de la columna de plasma, o contribuciones térmicas de la pieza de trabajo, tal como el calor irradiado del baño de fusión, o combinaciones de las mismas. Este posicionamiento también puede permitir que el medidor de flujo másico detecte variaciones en el flujo que podrían atribuirse a una fuga en las líneas de gas entre el suministro de gas y la antorcha de plasma. En algunas realizaciones, el conector 195 sensorial puede estar situado desde 10 mm hasta 15 cm de la entrada de gas del antorcha de plasma.

Utilizando la información generada por los elementos del kit 200 sensorial(por ejemplo,temperatura, presión y flujo másico en las realizaciones ilustradas en la FIGS. 4A y 4B), el grupo 300 de procesadores (FIG. 4A) o el controlador 340 maestro de proceso (FIG. 4B) puede calcular el flujo volumétrico real del gas que se va a ionizar. El grupo 300 de procesadores de la FIG. 4A puede incluir un procesador 320 de cálculo para calcular el flujo volumétrico real, y un controlador 360 de flujo volumétrico que puede accionar la válvula 130 de control basándose en los datos recibidos del controlador 340 maestro de proceso. Por ejemplo, el controlador 340 maestro de proceso puede recibir el flujo volumétrico calculado del procesador 320 de cálculo y el flujo másico de gas medido del kit 200 sensorial. El controlador 340 maestro de proceso de la FIG. 4B puede incluir una función de software que realice las tareas de un procesador de cálculo para el cálculo del flujo volumétrico real, y una función de software que realice la funcionalidad de un controlador 340 de flujo volumétrico. El controlador 340 maestro de proceso puede accionar la válvula 130 de control basándose en los datos generados por las funciones de software que calculan el flujo volumétrico real y la funcionalidad del controlador de flujo volumétrico.

Un programa 400 de parte, que incluye los datos necesarios para que el sistema de fabricación aditiva prepare una preforma dada, incluyendo las trayectorias de la antorcha de plasma para formar capa sobre capa de metal fundido para formar la preforma, así como los flujos de gas y las señales de valor establecido de gas, puede estar en comunicación con el controlador maestro del proceso. El controlador maestro del proceso puede entonces proporcionar los valores de consigna de flujo volumétrico obtenidos del programa 400 de parte y los valores reales de flujo volumétrico calculados y obtenidos del procesador 320 de cálculo al controlador 360 de flujo volumétrico (FIG. 4A) o a la función de software que realiza la funcionalidad de un controlador 340 de flujo volumétrico (FIG. 4B). El controlador 360 de flujo volumétrico, ya sea configurado como un procesador separado o como una función de software, puede comparar el valor establecido de flujo volumétrico con el valor calculado de flujo volumétrico. En la configuración mostrada en la FIG. 4A, el procesador que contiene el controlador 360 de flujo volumétrico envía una señal a la válvula 130 de control para abrir incrementalmente la válvula 130 de control para aumentar el flujo másico de gas a la antorcha de plasma cuando el valor de flujo volumétrico calculado está por debajo del valor establecido de flujo volumétrico. En la configuración mostrada en la FIG. 4B, el controlador maestro de proceso recibe los datos de la función de software del controlador 360 de flujo volumétrico, y el controlador 340 maestro de proceso puede enviar una señal a la válvula 130 de control para cerrar incrementalmente la válvula 130 de control para disminuir el flujo másico de gas a la antorcha de plasma cuando el valor de flujo volumétrico calculado está por encima del valor establecido de flujo volumétrico.

Las acciones tomadas por el controlador 340 maestro de proceso para regular el flujo volumétrico del gas desde el colector 120 de suministro de gas a la antorcha 600 de plasma basándose en los datos recibidos desde el kit 200 sensorial a través del conector 195 sensorial, ya sea directamente o a través de un controlador de flujo volumétrico separado, permite suministrar un flujo volumétrico controlado de gas a la antorcha de plasma. Esto puede permitir un volumen controlado de las moléculas de gas suministradas a la antorcha de plasma por unidad de tiempo (es decir, flujo volumétrico controlado). El sistema también puede monitorizar el flujo másico del gas inerte. Los datos de flujo másico recibidos por el controlador 340 maestro de proceso desde la unidad 260 de medición de flujo másico del kit 200 sensorial pueden enviarse al sistema 500 de monitorización de datos para su revisión por parte de un operador o del sistema. En esta configuración, los datos de flujo másico pueden utilizarse para el análisis del proceso de deposición, la calibración del sistema de control y la detección y eliminación (o compensación) de fugas.

La válvula 130 de control puede ser operada por un controlador en respuesta a una señal de punto de consigna, que puede ser generada por el controlador 360 de flujo volumétrico (configuración mostrada en la FIG. 4A) o el controlador 340 maestro de proceso (configuración mostrada en FIG. 4B). Un punto de consigna puede corresponder a un flujo volumétrico de gas inerte deseado. El controlador 340 maestro de proceso puede recibir un valor establecido de flujo volumétrico del programa 400 de parte y el controlador 340 maestro de proceso puede estar conectado a un controlador conectado a la válvula 130 de control, directamente o a través del controlador 360 de flujo volumétrico. El controlador 340 maestro de proceso puede comparar el valor de flujo volumétrico real calculado con un valor establecido de flujo volumétrico para generar una señal de ajuste que puede transmitirse al controlador de la válvula 130 de control para ajustar el grado de apertura de la válvula 130 de control para provocar un cambio en la tasa de flujo de gas inerte a través de la misma, reduciendo así cualquier diferencia entre el valor de flujo volumétrico establecido y el valor de flujo volumétrico real calculado.

El controlador 360 de flujo volumétrico, ya sea configurado como un procesador separado o como una función de software que se ejecuta en el controlador maestro de proceso, puede incluir un sensor conectado a la válvula 130 de control que puede detectar la posición de la apertura de la válvula, y el sensor puede comunicar la posición de la válvula al controlador 360 de flujo volumétrico, que está en comunicación con el controlador 340 maestro de proceso, con el fin de ajustar la posición de la válvula basándose en la retroalimentación de la posición de la válvula recibida del sensor.

Las señales comunicadas al controlador 340 maestro de proceso desde el controlador 360 de flujo volumétrico o la válvula 130 de control pueden ser una señal digital, tal como un alto voltaje, un bajo voltaje o un voltaje cero, indicando que el valor que se está midiendo está por encima, por debajo o en el nivel preferido. Del mismo modo, cualquier salida comunicada a la válvula 130 de control por el controlador 340 maestro de proceso directamente o a través del controlador 360 de flujo volumétrico puede ser una señal abierta, cerrada o neutra. Alternativamente, las señales pueden comunicar un valor analógico.

El controlador 340 maestro de proceso puede configurarse para ser capaz de emitir una señal de control de válvula a la válvula 130 de control o al controlador 360 de flujo volumétrico como un voltaje alto, bajo o cero, y también puede incluir una opción para emitir una señal de error. Si la señal de control de la válvula es una señal alta o una señal baja, entonces la válvula 130 de control puede cerrarse o abrirse incrementalmente, respectivamente, hasta que se alcance una señal cero. Si la señal de control de la válvula es cero, la válvula no cambiará de posición. Si la señal de control de la válvula es de error, la válvula puede cerrarse completamente o interpretar la salida de error como una salida cero, dependiendo del tipo de error. Por ejemplo, si la presión es demasiado baja para soportar el caudal deseado, la válvula 130 de control puede abrirse completamente para maximizar el flujo. Alternativamente, si el sensor detecta un flujo de gas inerte insuficiente o nulo, la señal de error puede interpretarse para cerrar la válvula y enviar una señal de alerta al sistema 500 de monitorización de datos.

Debido a variaciones en la longitud de las tuberías, o variaciones en el consumo de gas inerte y demandas sobre el colector 120 de suministro de gas por diferentes componentes de máquinas de fabricación aditiva o sistemas relacionados, y perturbaciones de temperatura debidas al calor irradiado del arco, variaciones de la cámara de producción y perturbaciones de temperatura ambiental, la densidad del gas suministrado desde el colector 120 de suministro de gas está sujeta a grandes variaciones (en términos de temperatura y presión). Las realizaciones de los sistemas provistos en el presente documento configurados como se muestra como sistema 2000 en las FIGS. 4A y 4B permiten el suministro de un flujo volumétrico de gas inerte controlado a la antorcha de plasma a pesar de las diversas demandas en el colector 120 de suministro de gas.

Sistema de regulación del flujo volumétrico y del flujo másico

En otra realización de los sistemas proporcionados en el presente documento, el flujo de gas inerte suministrado a la antorcha de plasma puede controlarse en términos tanto del número de moléculas de gas en el tiempo, como del volumen de gas en el tiempo. En las FIGS. se muestran ejemplos de configuraciones del sistema 3000 que regulan tanto el flujo másico como el volumétrico. 7A, 7B y 7C. El sistema 3000 puede mantener el flujo volumétrico/velocidad del gas a un nivel deseado y relativamente constante independientemente de cualquier variación de la densidad del gas inerte. La realización mostrada en la FIG. 7A incluye un grupo de procesadores, que incluye un procesador de cálculo independiente, un controlador maestro de proceso, un controlador de flujo volumétrico y un controlador de flujo másico, donde el controlador de flujo volumétrico está en comunicación con el elemento de control de densidad y el controlador de flujo másico está en comunicación con la válvula de control.

En lugar de utilizar procesadores separados, los sistemas proporcionados en el presente documento pueden incluir un único controlador maestro de proceso en donde las tareas de control del procesador de cálculo, el controlador de flujo másico y el controlador de flujo volumétrico son códigos de software o funciones que se ejecutan de forma integrada en el controlador maestro de proceso. Por ejemplo, la función de control de masa y la función de control de flujo volumétrico pueden ser dos controladores de entrada única y salida única (SISO) trabajando en paralelo. Una configuración ejemplar se ilustra en la FIG. 8A. En esta configuración, el error de flujo másico de las unidades del kit sensorial se dirige a una función de controlador de flujo másico SISO, que en respuesta envía una posición de válvula ordenada a la válvula de control. El error de flujo volumétrico de las unidades del kit sensorial se dirige a una función de controlador de flujo volumétrico SISO, que en respuesta envía un comando de control de densidad al elemento de control de densidad. El uso de controladores SISO paralelos puede permitir simplificar el diseño del control. Dos controladores SISO paralelos ignoran cualquier acoplamiento entre el error de flujo másico y el error de flujo volumétrico.

La realización ejemplar mostrada en la FIG. 7B ilustra un controlador maestro de proceso único en donde las tareas de control del procesador de cálculo, el controlador de flujo másico y el controlador de flujo volumétrico son códigos de software o funciones que se ejecutan por separado de forma integrada en el controlador maestro de proceso, donde el controlador maestro de proceso está en comunicación con un elemento de control de densidad y una válvula de control, y comunica comandos de control de flujo volumétrico al elemento de control de densidad, y comunica comandos de control de flujo másico a la válvula de control. En esta configuración, se pueden utilizar controladores SISO que trabajen en paralelo.

Alternativamente, se puede utilizar una función de control volumétrico y de masa utilizando un controlador multivariable (entrada múltiple, salida múltiple, MIMO). El controlador multivariable puede tener dos entradas (error de flujo másico y error de flujo volumétrico), y puede tener dos salidas (posición comandada de la válvula y acción comandada al elemento de control de densidad). Los controladores MIMO pueden considerar cualquier dinámica de acoplamiento entre variables. Esta consideración entre múltiples variables puede incluirse en los algoritmos de control. Por ejemplo, se puede regular una variable X a un punto de consigna y una variable Y a otro punto de consigna, y comprobar que cada una de las variables X e Y se estabilizan cuando trabajan por separado. Cuando el acoplamiento entre la variable X y la variable Y de un sistema dinámico es razonablemente débil, es posible que los impactos de la variable X sobre la variable Y no perturben el sistema en su conjunto. Sin embargo, cuando el acoplamiento entre la variable X y la variable Y de un sistema dinámico es fuerte, los impactos de la variable X sobre la variable Y entre sí pueden perturbar el sistema en su conjunto, y en situaciones de acoplamiento muy fuerte, los impactos de la variable X sobre la variable Y pueden provocar la desestabilización del sistema (es decir, la variable X y la variable Y se "perturban" mutuamente). En estas condiciones, los controladores MIMO pueden ser superiores a los controladores SISO individuales que trabajan en paralelo, ya que los controladores MIMO pueden considerar la "dinámica de acoplamiento" de diferentes variables. El uso de controladores MIMO puede maximizar la estabilidad de un sistema interconectado en donde exista acoplamiento de variables. Un controlador MIMO unificado puede tener en cuenta los términos de acoplamiento entre las variables y ajustar el sistema en consecuencia.

Una configuración ejemplar de un controlador MIMO de los sistemas proporcionados en el presente documento se ilustra en la FIG. 8B. Como se muestra en la FIG. 8B, un controlador multivariable MIMO tiene dos entradas (error de flujo másico y error de flujo volumétrico recibidos de las unidades del kit sensorial, algoritmos de control que pueden considerar cualquier dinámica de acoplamiento de las dos variables, y tiene dos salidas (posición comandada de la válvula y acción comandada al elemento de control de densidad) que se dirigen a la válvula de control y al elemento de control de densidad, respectivamente. Esta configuración puede permitir al sistema estabilizar los valores individuales, así como abordar o compensar cualquier perturbación que una variable tenga sobre la otra, y así puede estabilizar todo el sistema.

La realización ejemplar mostrada en la FIG. 7C muestra un controlador maestro de proceso único que utiliza un controlador MIMO, mostrado como un controlador combinado de flujo másico y flujo volumétrico. Las tareas de control del procesador de cálculo, y del controlador combinado de flujo másico y volumétrico, son códigos o funciones de software que se ejecutan de manera integrada en el controlador maestro de proceso, donde el controlador maestro de proceso está en comunicación con un elemento de control de densidad y una válvula de control, y comunica comandos de control de flujo másico y volumétrico al elemento de control de densidad y a la válvula de control. En las configuraciones mostradas en las FIGS. 7B y 7C, se suministra un flujo másico controlado de gas inerte desde la válvula 130 de control al elemento 140 de control de densidad, y el elemento de control de densidad suministra un flujo másico y volumétrico controlado del gas inerte a la antorcha de plasma.

En las realizaciones ilustradas como sistema 3000 en las FIGS. 7A, 7B y 7C, se puede medir y regular el flujo másico y el flujo volumétrico del gas inerte hacia la antorcha de plasma. Por ejemplo, los datos de flujo másico pueden convertirse en flujo volumétrico asumiendo condiciones estándar (por ejemplo, 0°C de temperatura y 1 atm de presión), que pueden ser diferentes del flujo volumétrico real del gas inerte debido a las variaciones de densidad. En una realización ejemplar, los datos generados por el kit 200 sensorial del sistema 3000 pueden utilizarse para ajustar el flujo de gas a la antorcha de plasma midiendo el flujo másico y calculando el flujo volumétrico del gas, y comparando los valores establecidos y los valores reales del flujo másico y el flujo volumétrico, el flujo volumétrico final del gas inerte puede regularse para compensar cualquier variación de densidad. El flujo másico del gas inerte, así como la temperatura y/o la presión del gas inerte, pueden ajustarse para lograr el flujo volumétrico real a un nivel objetivo a través de variaciones de la densidad del gas con el fin de lograr la velocidad de descarga de la columna de plasma objetivo en la antorcha de plasma.

La vía de flujo de fluido del gas desde el suministro 100 de gas a la antorcha 600 de plasma en el sistema 3000 es similar a la vía de flujo de fluido del sistema 2000 ilustrado en la FIG. 4A y 4B. Una diferencia es la presencia de un controlador 380 de flujo másico, que en la FIG. 7A se muestra en comunicación con el controlador 340 maestro de proceso y la válvula 130 de control. El elemento 140 de control de densidad puede modificar o controlar la temperatura y/o la presión del gas inerte. El elemento 140 de control de densidad puede incluir un regulador de temperatura o un regulador de presión o ambos, un regulador de temperatura y un regulador de presión. El elemento 140 de control de densidad puede utilizarse de forma controlada para modificar la temperatura o la presión, o bien la temperatura y la presión del gas, con el fin de controlar el flujo volumétrico de gas/la velocidad del gas a la antorcha de plasma para alcanzar y mantener un nivel de descarga de plasma objetivo de la antorcha de plasma. En la realización ilustrada en la FIG. 7A, el elemento 140 de control de densidad está en comunicación con un controlador 360 de flujo volumétrico del grupo 300 de procesadores y la válvula 130 de control está en comunicación con el controlador 380 de flujo másico. En las realizaciones ilustradas en las FIGS. 7B y 7C, el elemento 140 de control de densidad y la válvula 130 de control están en comunicación con el controlador 340 maestro de proceso.

Regulando la temperatura y/o la presión se puede controlar la densidad del gas inerte para mantener una distancia media constante entre las moléculas de gas inerte debido a las perturbaciones ambientales y mecánicas que pueden afectar a esta distancia, consiguiendo así un flujo volumétrico objetivo del gas inerte hacia la antorcha de plasma. El modificador de la densidad del gas puede ayudar a regular todos los parámetros que pueden definir el flujo volumétrico, lo que puede resultar en una aplicación consistente del arco de plasma en el baño de fusión, incluso si cambian las condiciones externas o las perturbaciones.

El elemento 140 de control de densidad puede incluir un regulador de temperatura. El regulador de temperatura puede incluir un calentador. El calentador puede aumentar la temperatura del gas inerte dentro del elemento 140 de control de densidad, lo que puede aumentar el volumen ocupado por el mismo número de moléculas de gas. El calentador puede incluir un calentador de inducción, un calentador de resistencia, un elemento de calentamiento cerámico piezoeléctrico, o una combinación de los mismos.

El regulador de temperatura puede incluir un aparato de enfriamiento. El aparato de enfriamiento puede reducir la temperatura del gas inerte dentro del elemento 140 de control de densidad, lo que puede reducir el volumen ocupado por el mismo número de moléculas de gas. El aparato de enfriamiento puede incluir una tubería conectada a un depósito de fluido refrigerado y una bomba para formar una vía de enfriamiento de bucle cerrado para suministrar un fluido de enfriamiento al regulador de temperatura dentro del elemento 140 de control de densidad. El aparato de enfriamiento puede incluir un conducto cerrado que pase a través del regulador de temperatura y un ventilador conectado al conducto cerrado para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura dentro del elemento 140 de control de densidad. Se puede utilizar una combinación de una vía de enfriamiento refrigerada de bucle cerrado y un conducto para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura.

El elemento 140 de control de densidad puede incluir un regulador de presión. El regulador de presión puede incluir una cámara plenum móvil que puede aumentar el volumen del regulador de presión y por lo tanto disminuir la presión del gas inerte que sale del regulador de presión, o disminuir el volumen del regulador de presión y por lo tanto aumentar la presión del gas inerte que sale del regulador de presión.

En las realizaciones ejemplares ilustradas en las FIGS. 7A, 7B, y7C, un suministro 100 de gas está conectado a un colector 120 de suministro de gas a través de la manguera 110. El gas inerte del suministro 100 de gas puede ser un gas noble. En algunas realizaciones, el suministro 100 de gas proporciona un gas seleccionado entre helio, neón, argón, criptón, xenón y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el suministro 100 de gas proporciona argón al sistema. El colector de suministro de gas puede proporcionar gas a varios componentes diferentes de una máquina de fabricación aditiva, o a diferentes máquinas de fabricación aditiva, así como, o además de, proporcionar gas para mantener un entorno deseado en las proximidades del arco de plasma o de la pieza de trabajo. Las FIGS. 7A - 7C ilustran solamente la línea 125 de gas que conecta el colector 120 de suministro de gas a la válvula 130 de control. La válvula 130 de control se muestra conectada al elemento 140 de control de densidad a través de la manguera 135. La válvula 130 de control puede ser operada para aumentar o disminuir la abertura en la válvula para aumentar o disminuir la cantidad de gas que fluye a través de la válvula 130 de control al elemento 140 de control de densidad. El gas puede fluir desde la válvula 130 de control a través de la manguera 135 hasta el elemento 140 de control de densidad, y luego a través de la manguera 190 hasta la antorcha 600 de plasma, que ioniza el gas para formar el arco 625 de plasma, que puede utilizarse para fundir una fuente de alambre metálico para depositar metal fundido desde la fuente de alambre metálico fundido sobre la pieza 650 de trabajo.

El kit 200 sensorial incluye un conector 195 sensorial a la línea 190 de gas para permitir la medición de la temperatura, presión y flujo del gas a la antorcha de plasma. El kit sensorial puede incluir una unidad 220 de medición de temperatura, una unidad 240 de medición de presión y una unidad 260 de medición de flujo másico. La unidad 220 de medición de temperatura puede incluir un sensor de temperatura. La unidad 240 de medición de presión puede incluir un sensor de presión. La unidad 260 de medición de flujo másico puede incluir un caudalímetro para la medición del flujo másico o volumétrico en condiciones estándar. En el kit 200 sensorial pueden incluirse otros dispositivos de medición ambiental.

El conector 195 sensorial del kit 200 sensorial puede estar situado dentro de la cámara de producción justo en la entrada de gas de la antorcha de plasma, o en las proximidades de la entrada de gas de la antorcha de plasma. Este posicionamiento puede permitir que el kit 200 sensorial sea capaz de medir y controlar las variaciones de densidad del gas debidas a cualquier perturbación de la radiación del arco, tales como cambios de temperatura debidos directamente a la acción de la columna de plasma, o contribuciones térmicas de la pieza de trabajo, tal como el calor irradiado del baño de fusión, o combinaciones de las mismas. Este posicionamiento también puede permitir que el medidor de flujo másico detecte variaciones en el flujo que podrían atribuirse a una fuga en las líneas de gas entre el suministro de gas y la antorcha de plasma. En algunas realizaciones, el conector 195 sensorial puede estar situado de 10 mm a 15 cm, o de 2 cm a 2 m, de la entrada de gas de la antorcha de plasma.

Usando la información generada por los elementos del kit 200 sensorial (por ejemplo, temperatura, presión y flujo másico en las realizaciones ilustradas en las FIGS. 7A - 7C), el procesador 320 de cálculo del grupo 300 de procesadores (FIG. 7A) o una función de software que realice la función del procesador 320 de cálculo que se ejecuta en el procesador del controlador maestro de procesos (FIGS. 7B y 7C) puede calcular el flujo volumétrico real del gas que se va a ionizar. En la configuración ejemplar mostrada en la FIG. 7A, el grupo 300 de procesadores puede incluir el procesador 320 de cálculo para el cálculo del flujo volumétrico real, un controlador 360 de flujo volumétrico que está en comunicación con y puede operar el elemento 140 de control de densidad, y un controlador 380 de flujo másico, que está en comunicación con y puede operar la válvula 130 de control basándose en los datos recibidos del controlador 340 maestro de proceso. Por ejemplo, el controlador 340 maestro de proceso puede recibir los datos de flujo másico de gas medido del kit 200 sensorial y el flujo volumétrico calculado del procesador 320 de cálculo, así como los valores establecidos de flujo del programa 400 de parte.

En la configuración ejemplar mostrada en la FIG. 7B, el procesador 320 de cálculo para el cálculo del flujo volumétrico real, el controlador 360 de flujo volumétrico y el controlador 380 de flujo másico son, cada uno de ellos, una función de software que se ejecuta en el controlador 340 maestro de proceso. El controlador 340 maestro de proceso está en comunicación con y puede operar la válvula 130 de control y el elemento 140 de control de densidad. El controlador 340 maestro de proceso puede recibir los datos de flujo másico de gas medido del kit 200 sensorial y utilizar el flujo volumétrico calculado de la función de software del procesador 320 de cálculo, así como los valores de flujo establecidos del programa 400 de parte para determinar un diferencial entre el valor de flujo volumétrico establecido y el valor de flujo real calculado, así como el valor de flujo másico establecido y el valor de flujo másico real de la medición 260 de flujo másico del kit 200 sensorial. Basado en el valor diferencial de flujo másico, el controlador 340 maestro de proceso se comunica con la válvula 130 de control para aumentar o disminuir el flujo másico de gas inerte de manera que el valor diferencial de flujo másico se aproxime o se convierta en cero, produciendo un flujo másico controlado desde la válvula 130 de control hacia el elemento 140 de control de densidad. Basándose en el valor del flujo volumétrico diferencial, el controlador 340 maestro de proceso se comunica con el elemento 140 de control de densidad para aumentar o disminuir la temperatura y/o la presión del gas inerte de modo que el valor del flujo volumétrico diferencial se aproxime o se haga cero, produciendo un flujo volumétrico controlado y un flujo másico controlado desde el elemento 140 de control de densidad a la antorcha 600 de plasma.

La configuración ejemplar mostrada en la FIG. 7C difiere de la configuración mostrada en FIG. 7C en que el controlador 340 maestro de proceso incluye una función 385 de software que se ejecuta en el controlador 340 maestro de proceso, donde la función 385 de software realiza las funciones del controlador de flujo másico y del controlador de flujo volumétrico del controlador 340 maestro de proceso de la FIG. 7B. El controlador 385 de flujo másico y volumétrico de la configuración mostrada en la FIG. 7c utiliza el flujo volumétrico real calculado a partir de la función de software que realiza las funciones del procesador 320 de cálculo para determinar un diferencial entre el valor establecido de flujo volumétrico del programa 400 de parte y el valor calculado del flujo volumétrico, y este diferencial se comunica al controlador 340 maestro de proceso. El controlador maestro del proceso también compara el valor de flujo másico establecido del programa 400 de parte y el valor de flujo másico real de la medición 260 de flujo másico del kit 200 sensorial, para determinar un diferencial entre el valor establecido de flujo másico y el valor de flujo másico real. Basado en el valor diferencial de flujo másico, el controlador 340 maestro de proceso se comunica con la válvula 130 de control para aumentar o disminuir el flujo másico de gas inerte de manera que el valor diferencial de flujo másico se aproxime o se convierta en cero, produciendo un flujo másico controlado desde la válvula 130 de control hacia el elemento 140 de control de densidad. Basándose en el valor del flujo volumétrico diferencial, el controlador 340 maestro de proceso se comunica con el elemento 140 de control de densidad para aumentar o disminuir la temperatura y/o la presión del gas inerte de modo que el valor del flujo volumétrico diferencial se aproxime o se haga cero, produciendo un flujo volumétrico controlado y un flujo másico controlado desde el elemento 140 de control de densidad a la antorcha 600 de plasma.

El programa 400 de parte, que incluye los datos necesarios para que el sistema de fabricación aditiva prepare una preforma dada, incluyendo las trayectorias de la antorcha de plasma para formar capa sobre capa de metal fundido para formar la preforma, así como los flujos de gas y las señales de valor establecido de gas, puede estar en comunicación con el controlador maestro del proceso. El controlador 340 maestro de proceso puede proporcionar los valores establecidos de flujo másico y los valores de flujo másico de gas medidos reales al controlador 380 de flujo másico. El controlador 340 maestro de proceso puede proporcionar los valores establecidos de flujo volumétrico obtenidos del programa 400 de parte, y los valores reales de flujo volumétrico calculados y obtenidos del procesador 320 de cálculo al controlador 360 de flujo volumétrico.

El controlador de flujo másico, sin pérdida de generalidad, puede ser tanto un procesador separado, por ejemplo, un controlador, o puede ser una función de software que se ejecuta en el procesador del controlador maestro del proceso. El controlador 380 de flujo másico puede comparar el valor establecido de flujo másico de gas con el valor de flujo másico real y enviar una señal a la válvula 130 de control para abrir incrementalmente la válvula 130 de control para aumentar el flujo másico de gas al elemento 140 de control de densidad cuando el valor de flujo másico medido está por debajo del valor establecido de flujo másico. El controlador 380 de flujo másico puede enviar una señal a la válvula 130 de control para cerrar incrementalmente la válvula 130 de control para disminuir el flujo másico de gas al elemento 140 de control de densidad cuando el valor de flujo másico medido está por encima del valor establecido de flujo másico.

El controlador 360 de flujo volumétrico puede comparar el valor establecido de flujo volumétrico con el valor calculado de flujo volumétrico y enviar una señal al elemento 140 de control de densidad para aumentar incrementalmente la temperatura para aumentar el volumen del gas, o disminuir la presión para aumentar el volumen cuando el valor de flujo volumétrico calculado está por debajo del valor establecido de flujo volumétrico. El controlador 360 de flujo volumétrico puede enviar una señal a la válvula 130 de control para disminuir incrementalmente la temperatura para disminuir el volumen del gas o aumentar la presión para disminuir el volumen del gas cuando el valor de flujo volumétrico calculado está por encima del valor establecido de flujo volumétrico. Las acciones tomadas por el controlador 340 maestro de proceso para regular el flujo volumétrico del gas desde el colector 120 de suministro de gas a través del elemento 140 de control de densidad hasta la antorcha 600 de plasma, basándose en los datos recibidos del kit 200 sensorial a través del conector 195 sensorial, permite suministrar un flujo volumétrico controlado y un flujo másico regulado de gas inerte a la antorcha 600 de plasma. Esto permite controlar tanto el volumen como el número de moléculas de gas suministradas a la antorcha de plasma. El sistema también puede monitorizar el flujo másico del gas inerte. Los datos de flujo másico y los datos de flujo volumétrico recibidos por el controlador 340 maestro de proceso pueden enviarse al sistema 500 de monitorización de datos para su revisión por parte de un operador o del sistema. Los datos de flujo másico y flujo volumétrico real pueden utilizarse,por ejemplo,para el análisis y desarrollo del proceso de deposición, la detección y eliminación (o compensación) de fugas y la calibración del sistema de control de gas.

La válvula 130 de control puede ser operada por un controlador en respuesta a una señal de punto de consigna de masa, que puede ser generada por el controlador 340 maestro de proceso y enviada al controlador 380 de flujo másico. El controlador 340 maestro de proceso puede recibir un valor establecido de flujo másico del programa 400 de parte y el controlador 380 de flujo másico puede estar conectado a un controlador conectado a la válvula 130 de control. El controlador 340 maestro de proceso puede comparar el valor de flujo volumétrico calculado real con un valor establecido de flujo volumétrico para generar una señal de ajuste que puede transmitirse al controlador 380 de flujo másico para que se transmita al controlador de la válvula 130 de control para ajustar el grado de apertura de la válvula 130 de control para provocar un cambio en la tasa de flujo de gas inerte a través de la misma, reduciendo así cualquier diferencia entre el valor de flujo másico establecido y el valor de flujo másico real medido. A continuación, el gas ajustado al flujo másico puede enviarse a través de la manguera 135 al elemento 140 de control de densidad.

El controlador 340 maestro de proceso también puede recibir un valor establecido de flujo volumétrico del programa 400 de parte y el controlador 340 maestro de proceso puede estar conectado al elemento 140 de control de densidad, directamente o a través del controlador 360 de flujo volumétrico. El controlador de flujo volumétrico, sin pérdida de generalidad, puede ser tanto un procesador separado,por ejemplo,un controlador, o puede ser una función de software que se ejecuta en el procesador del controlador maestro del proceso. El controlador 340 maestro de proceso puede comparar el valor de flujo volumétrico real calculado con un valor de flujo volumétrico establecido para generar una señal de ajuste que puede transmitirse al elemento 140 de control de densidad para ajustar el volumen del gas modificando la temperatura y/o la presión para provocar un cambio en el flujo volumétrico de gas inerte a través del mismo, reduciendo así cualquier diferencia entre el valor de flujo volumétrico establecido y el valor de flujo volumétrico real calculado.

Las señales comunicadas al controlador 340 maestro de proceso desde el controlador 380 de flujo másico o un sensor de la válvula 130 de control pueden ser una señal digital, tal como un voltaje alto, un voltaje bajo o un voltaje cero, indicando que el valor que se está midiendo está por encima, por debajo o en el nivel preferido. Del mismo modo, cualquier salida comunicada a la válvula 130 de control por el controlador 340 maestro de proceso directamente o a través del controlador 380 de flujo másico puede ser una señal abierta, cerrada o neutra. Alternativamente, las señales pueden comunicar un valor analógico.

El controlador 340 maestro de proceso puede configurarse para ser capaz de emitir una señal de control de válvula a la válvula 130 de control o al controlador 380 de flujo másico como un voltaje alto, bajo o cero, y también puede incluir una opción para emitir una señal de error. Si la señal de control de la válvula es una señal alta o una señal baja, entonces la válvula 130 de control puede cerrarse o abrirse incrementalmente, respectivamente, hasta que se alcance una señal cero. Si la señal de control de la válvula es cero, la válvula no cambiará de posición. Si la señal de control de la válvula es de error, la válvula puede cerrarse completamente o interpretar la salida de error como una salida cero, dependiendo del tipo de error. Por ejemplo, si la presión es demasiado baja para soportar el caudal deseado, la válvula 130 de control puede abrirse completamente para maximizar el flujo. Alternativamente, si el sensor detecta un flujo de gas inerte insuficiente o nulo, la señal de error puede interpretarse para cerrar la válvula y enviar una señal de alerta al sistema 500 de monitorización de datos.

Debido a variaciones en las longitudes y/o diámetros de las tuberías, y/o tolerancias mecánicas en los diámetros de las tuberías y mangueras y conectores, y/o variaciones en el consumo de gas inerte y demandas en el colector 120 de suministro de gas por diferentes componentes de las máquinas de fabricación aditiva o sistemas relacionados, y variaciones de la temperatura del gas debido a tolerancias en el controlador de temperatura y presión del gas del colector, las perturbaciones térmicas, tal como la absorción de calor radiado por las mangueras de gas del arco y la pieza de trabajo, y las perturbaciones de la temperatura ambiental, tal como la variación de la temperatura de la sala de producción y la cámara de producción, la densidad del gas suministrado desde el colector 120 de suministro de gas está sujeta a grandes variaciones (en términos de temperatura y presión). Las realizaciones de los sistemas provistos en el presente documento configurados como se muestra como sistema 3000 en las FIGS. 7A, 7B y 7C permiten el suministro de un flujo másico y volumétrico controlado de gas inerte a la antorcha de plasma a pesar de las diversas demandas del colector 120 de suministro de gas, o de las fugas de gas en el sistema entre el suministro 100 de gas y la antorcha 600 de plasma, o de las variaciones de temperatura del gas debidas a la radiación del arco de plasma y de la pieza de trabajo.

Cualquier sistema de fabricación aditiva basado en alambre puede ser modificado para su uso con cualquiera de los sistemas de control de flujo de gas inerte proporcionados en el presente documento.

C. Métodos de control de flujo

También se proporcionan métodos para el control del flujo de un gas inerte a una antorcha de plasma para ser ionizado en un plasma para producir una pieza de trabajo a través de un proceso de fabricación aditiva. Los métodos proporcionados en el presente documento pueden suministrar un flujo másico de gas inerte objetivo, o flujo volumétrico, o flujo másico y flujo volumétrico, a una antorcha de plasma. Los métodos pueden incluir la integración de uno de los sistemas proporcionados en el presente documento en un sistema de fabricación de DED y el uso del sistema para regular y controlar el flujo de gas inerte a la antorcha de plasma. La presión del arco de plasma en el baño de fusión puede ser uno de los factores más críticos que definen la dinámica del baño de fusión y, por tanto, la forma geométrica y las propiedades mecánicas de los cordones, que pueden caracterizar la consistencia y la calidad del proceso de fabricación aditiva. Los métodos proporcionados en el presente documento pueden crear una presión de arco de plasma consistente en el baño de fusión (es decir, la fuerza de arco por unidad de área del baño de fusión), manteniendo la velocidad de descarga de gas de la antorcha de plasma en un nivel deseado, a través de diversos niveles de densidad del gas inerte suministrado a las antorchas de plasma. Los métodos proporcionados en el presente documento pueden calcular el flujo volumétrico real, que tiene un efecto crucial en las fuerzas motrices del baño de fusión, es decir, la dinámica del baño de fusión. Debido a que los métodos pueden proporcionar un flujo volumétrico constante de gas inerte a la antorcha de plasma, se puede lograr un proceso de deposición mucho mejor y más robusto a través de diferentes variaciones ambientales y mecánicas que pueden afectar a la densidad del gas.

Debido a que los métodos proporcionados en el presente documento pueden controlar el flujo volumétrico real del gas inerte a la antorcha de plasma, los procesos de deposición son más consistentes porque las variaciones de la densidad del gas, por ejemplo, debido a perturbaciones ambientales, no afectarán el comportamiento dinámico del baño de fusión. Cuando el proceso de deposición se realiza en diferentes máquinas, las variaciones ambientales y las variaciones mecánicas de máquina a máquina debidas a las tolerancias de las piezas mecánicas no afectarán al comportamiento dinámico del baño de fusión, lo que también dará lugar a una formación de preformas más consistente en diferentes máquinas. Un conector sensorial, que puede ser una manguera/tubo de muestreo de gas, puede conectarse a la línea de flujo de gas inerte en cualquier punto entre el colector de gas y el campo electromagnético del ionizador de gas. En algunas realizaciones, el conector sensorial puede fijarse directamente a la entrada de la antorcha o en sus proximidades. En algunas realizaciones, los sensores de temperatura y presión del conector sensorial pueden incorporarse dentro de la antorcha. En algunas realizaciones, los elementos de control del flujo volumétrico real pueden estar situados dentro de la cámara de producción justo en la entrada del gas inerte a la antorcha de plasma para poder medir y controlar las variaciones de densidad del gas debidas a la perturbación de la radiación del arco o a la perturbación de la radiación térmica debida a la pieza de trabajo.

Los métodos pueden incluir la adición de un elemento de medición del flujo másico en la entrada del gas inerte a la antorcha de plasma, que puede permitir la detección de cualquier reducción del flujo másico, tal como la debida a fugas, y puede utilizarse como un sensor de segunda opinión para el flujo másico del gas inerte. Los métodos pueden incluir el uso de una antorcha que incluye un sensor de temperatura y/o un sensor de presión dentro de la antorcha de plasma para medir la temperatura y/o la presión del gas inerte.

El método proporcionado en el presente documento puede permitir alcanzar un flujo volumétrico real a través de variaciones de la densidad del gas con el fin de alcanzar una velocidad de descarga de gas en la antorcha de plasma a un valor objetivo. Los métodos y sistemas proporcionados en el presente documento también pueden permitir que el flujo de gas inerte suministrado a la antorcha de plasma tanto en términos del número de moléculas de gas en el tiempo, así como el volumen de gas en el tiempo. El control del volumen del gas inerte puede lograrse variando la temperatura y/o la presión del gas inerte, lo que puede controlar la densidad del gas para mantener una distancia media constante entre las moléculas de gas debido a las perturbaciones ambientales y mecánicas que pueden afectar a la distancia entre las moléculas de gas.

Los métodos pueden incluir comunicar un flujo másico de gas inerte objetivo, o flujo volumétrico, o flujo másico y flujo volumétrico, a un controlador maestro del proceso; medir un flujo másico del gas inerte; determinar un flujo volumétrico calculado basado en el flujo másico del gas inerte; comparar el flujo volumétrico calculado con el flujo volumétrico objetivo; calcular una diferencia entre el flujo volumétrico calculado y el flujo volumétrico objetivo; y ajustar el flujo de gas inerte a la antorcha de plasma a) ajustando una válvula de control de flujo másico para aumentar o disminuir el flujo másico del gas inerte a la antorcha de plasma, o b) ajustando la densidad del gas inerte regulando la temperatura y/o la presión del gas inerte suministrado a la antorcha de plasma.

Los métodos también pueden incluir el posicionamiento de un modificador de densidad de gas en la línea de flujo de gas inerte de un sistema de fabricación aditiva, y la medición y regulación de una variación de densidad de gas en el gas inerte debido a una perturbación de radiación de la antorcha de plasma, o la pieza de trabajo de conformado, o una combinación de los mismos. El modificador de la densidad del gas puede colocarse dentro de la cámara de producción. El modificador de la densidad del gas puede colocarse fuera de la cámara de producción. El modificador de la densidad del gas puede estar en comunicación con un kit sensorial en comunicación con una posición en o en las proximidades de la entrada de gas de la antorcha de plasma, o dentro de la antorcha de plasma, o conectado en cualquier lugar entre el colector de gas y el campo electromagnético del ionizador de gas. El kit sensorial puede estar en comunicación con una pluralidad de caudalímetros, sensores de temperatura, sensores de presión, o cualquier combinación de los mismos. El kit sensorial puede detectar perturbaciones externas que afecten al flujo de gas inerte hacia la antorcha de plasma. La regulación de la densidad del gas puede incluir el aumento o la disminución de la temperatura del gas. La regulación de la densidad del gas puede incluir el aumento o la disminución de la presión del gas. La regulación de la densidad del gas puede incluir la modificación de la temperatura y la presión del gas.

En métodos en los que el flujo de gas inerte que se va a ionizar en una antorcha de plasma es modulado por una válvula de control, el método puede incluir el ajuste de la válvula de control generando una señal de ajuste basada en el valor diferencial que representa una diferencia entre los valores establecido y real; y enviando la señal de ajuste a un controlador acoplado a la válvula de control de flujo, el excitador aumentando o disminuyendo una apertura de la válvula de control basada en la señal de ajuste. En algunos métodos, el gas inerte puede dirigirse a un modificador de la densidad del gas que puede ajustar la densidad del gas inerte. El ajuste de la densidad del gas inerte puede incluir a) la medición de la temperatura del gas inerte y el aumento o disminución de la temperatura del gas inerte en respuesta al valor diferencial; o b) la medición de la presión del gas inerte y el aumento o disminución de la presión del gas inerte en respuesta al valor diferencial; o c) tanto a) como b). Aumentar la temperatura del gas inerte puede incluir dirigir el gas inerte a un regulador de temperatura que incluye un calentador, y activar el calentador. Disminuir la temperatura del gas inerte puede incluir dirigir el gas inerte a un regulador de temperatura que incluye un aparato de enfriamiento, y activar el aparato de enfriamiento. Aumentar o disminuir la presión del gas inerte suministrado a la antorcha de plasma puede incluir dirigir el gas inerte a un regulador de presión.

Un método ejemplar para suministrar un flujo volumétrico objetivo y un flujo másico objetivo de un gas inerte para ser ionizado en plasma a una antorcha de plasma incluye suministrar un gas inerte desde un colector de suministro de gas a una entrada de la antorcha de plasma a través de una válvula de control unida a un colector de suministro de gas inerte a través de una línea de gas inerte; a) medir una temperatura, un flujo másico y una presión del gas inerte entre el colector de suministro de gas inerte y un campo electromagnético ionizador de gas de la antorcha de plasma; o b) medir una temperatura, un flujo másico y una presión del gas inerte en la entrada de gas de la antorcha de plasma o en sus proximidades; o c) medir una temperatura y una presión del gas inerte dentro de la antorcha de plasma y de un flujo másico en la entrada de gas de la antorcha de plasma o en sus proximidades; o d) cualquier combinación de a), b) y c); calcular un flujo volumétrico real del gas inerte hacia la antorcha de plasma: i) en la entrada de la antorcha de plasma o en sus proximidades; o ii) dentro de la antorcha de plasma; o iii) en una posición de la línea de suministro de gas inerte entre el colector de gas y la entrada de gas de la antorcha de plasma; comparar el flujo volumétrico real con un flujo volumétrico objetivo para generar un valor diferencial de flujo volumétrico; comparar el flujo másico real con un flujo másico objetivo para generar un valor diferencial de flujo másico; basándose en el valor diferencial de flujo másico y el valor diferencial de flujo volumétrico a) ajustar la válvula de control para aumentar o disminuir el flujo másico del gas inerte a través de la válvula de control hacia la entrada de gas de la antorcha de plasma; o b) ajustar la densidad del gas inerte aumentando o disminuyendo la presión y/o la temperatura del gas inerte para generar un flujo volumétrico de gas inerte modificado, y dirigir el gas inerte modificado hacia la entrada de la antorcha de plasma; o c) ajustar la válvula de control y la densidad del gas inerte aumentando o disminuyendo la presión y/o la temperatura del gas inerte para controlar el flujo másico y el flujo volumétrico del gas inerte al campo electromagnético ionizante de la antorcha de plasma.

En los métodos, el ajuste de la válvula de control puede incluir la generación de una señal de ajuste basada en el valor diferencial de flujo másico y/o el valor diferencial de flujo volumétrico, y el envío de la señal de ajuste a un controlador acoplado a la válvula de control, el controlador aumentando o disminuyendo una apertura de la válvula de control basada en la señal de ajuste. En los métodos, el ajuste de la densidad del gas inerte puede incluir a) medir la temperatura del gas inerte y aumentar o disminuir la temperatura del gas inerte en respuesta al valor diferencial de flujo volumétrico; o b) medir la presión del gas inerte y aumentar o disminuir la presión del gas inerte en respuesta al valor diferencial de flujo volumétrico; o c) ambos a) y b).

Aumentar la temperatura del gas inerte comprende dirigir el gas inerte a un regulador de temperatura que comprende un calentador y activar el calentador. Se puede utilizar cualquier calentador siempre que sea capaz de elevar la temperatura del gas inerte. Los calentadores ejemplares incluyen un calentador de inducción, un calentador de resistencia, un elemento de calentamiento cerámico piezoeléctrico, y cualquier combinación de los mismos.

Disminuir la temperatura del gas inerte puede incluir dirigir el gas inerte a un regulador de temperatura que incluye un aparato de enfriamiento y activar el aparato de enfriamiento. Se puede utilizar cualquier aparato de enfriamiento siempre que pueda reducir la temperatura del gas inerte. Un aparato de enfriamiento puede incluir un sistema de enfriamiento o un intercambiador de calor que puede reducir la temperatura del gas inerte. El aparato de enfriamiento puede incluir un fluido refrigerado que puede eliminar la energía térmica del gas inerte. En algunos métodos, el aparato de enfriamiento puede incluir a) una tubería conectada a un depósito de fluido refrigerado y una bomba para formar una vía de enfriamiento de bucle cerrado para suministrar un fluido de enfriamiento al regulador de temperatura; o b) un conducto que pasa a través del regulador de temperatura y un ventilador conectado al conducto para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura; o c) una combinación de a) y b).

En los métodos proporcionados en el presente documento, aumentar o disminuir la presión del gas inerte comprende dirigir el gas inerte a un regulador de presión. Se puede utilizar cualquier regulador de presión siempre que sea capaz de aumentar o disminuir la presión del gas inerte. Por ejemplo, el regulador de presión puede incluir una cámara plenum móvil que puede aumentar el volumen del regulador de presión y así disminuir la presión del gas inerte que sale del regulador de presión, o disminuir el volumen del regulador de presión y así aumentar la presión del gas inerte que sale del regulador de presión. En los métodos proporcionados en el presen documento, el gas inerte puede ser argón.

Será evidente para los expertos en la técnica que pueden realizarse diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por lo tanto, se pretende que la presente invención cubra las modificaciones y variaciones de esta invención siempre que entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Lista de signos de referencia

A continuación se enumeran los números de referencia utilizados en la descripción y en los Dibujos adjuntos.

100 Suministro de gas

110 Manguera o tubería entre el suministro de gas y el colector de suministro de gas

120 Colector de suministro de gas

125 Manguera o tubería entre el colector de suministro de gas y la válvula de control

130 Válvula de control

135 Manguera o tubería entre la válvula de control y el elemento de control de densidad

140 Elemento de control de la densidad

150 Regulador de temperatura

151 Regulador de temperatura del líquido

152 Salida

153 Conducto

154 Intercambiador de calor

155 Conducto

156 Conducto

158 Entrada

160 Regulador de presión

162 Cámara plenum

164 Elemento de sellado

166 Modificador de posición

170 Bomba

172 Entrada

174 Salida

175 Fuente de líquido externa

176 Entrada

178 Descarga

Manguera o tubería entre el colector de suministro de gas y el sistema de control de flujo volumétrico/masa de gas

185 Manguera o tubería entre la válvula de control y la antorcha de plasma

190 Manguera o tubería entre el elemento de control de densidad y la antorcha de plasma 195 Conector sensorial entre la línea de suministro de gas y el kit sensorial

Manguera o tubería entre

Kit sensorial

Unidad de medida de la temperatura

Sensor de temperatura

Unidad de medida de la presión

Sensor de presión

Medición del flujo másico

Caudalímetro másico

Grupo de procesadores (controladores)

Procesador de cálculo para calcular el flujo volumétrico real Controlador maestro del proceso

Controlador de flujo volumétrico

Controlador de flujo másico y volumétrico

Programa parcial

Sistema de monitorización de datos

Antorcha de plasma

Entrada de gas inerte de la antorcha de plasma

Electrodo de tungsteno

Región del campo electromagnético ionizante

Arco de plasma (gas ionizado)

Pieza de trabajo

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (1000, 2000, 3000) para controlar el flujo de un gas a una antorcha (600) de plasma de un dispositivo de fabricación aditiva, que comprende:

una fuente de gas inerte;

un colector (120) de suministro en comunicación fluida con la fuente del gas inerte;

una antorcha (600) de plasma que comprende una entrada (605) de gas para recibir el gas inerte de una línea de gas inerte conectada al colector de suministro, y un campo electromagnético ionizador de gas para ionizar el gas inerte en plasma;

kit (200) sensorial que comprende una unidad (220) de medición de temperatura, una unidad (240) de medición de presión y una unidad (260) de medición de flujo másico, en donde cada unidad está en comunicación con uno o más conectores sensoriales conectados a una posición de la línea de gas inerte entre el colector de suministro y el campo electromagnético del ionizador de gas;

una válvula de control que está en comunicación fluida con el colector de suministro de gas y regula el flujo del gas inerte desde el colector de suministro de gas a la antorcha de plasma;

un controlador (340) maestro de proceso en comunicación con el kit sensorial;

un programa (400) de parte que proporciona un valor establecido de flujo másico o un valor establecido de flujo volumétrico o ambos, un valor establecido de flujo másico y un valor establecido de flujo volumétrico, al controlador maestro del proceso;

una función de cálculo que se ejecuta en el controlador maestro de proceso que calcula el flujo volumétrico real; y

a) una función de control del flujo másico que se ejecuta en el controlador maestro del proceso; o

b) una función de control de flujo volumétrico que se ejecuta en el controlador maestro del proceso; y en donde

el sistema comprende además un elemento (140) de control de densidad que controla la temperatura y/o la presión del gas inerte suministrado a la entrada de la antorcha de plasma.

2. El sistema de la reivindicación 1, en donde la función de control de flujo másico compara el valor establecido de flujo másico en el programa de parte con el valor de flujo másico real de la unidad de medición de flujo másico del kit sensorial, y modula la válvula de control o el elemento de control de densidad, o ambos, la válvula de control y el elemento de control de densidad, para aumentar o disminuir el flujo másico de gas inerte con el fin de reducir la diferencia entre el valor establecido de flujo másico y el valor de flujo másico real.

3. El sistema de la reivindicación 1, en donde la función de control del flujo volumétrico compara el valor establecido de flujo volumétrico del programa de parte con el valor de flujo volumétrico calculado a partir de la función de cálculo, y modula la válvula de control o el elemento de control de densidad o ambos, la válvula de control y el elemento de control de densidad, para aumentar o disminuir el flujo volumétrico de gas inerte con el fin de reducir la diferencia entre el valor establecido de flujo volumétrico y el valor de flujo volumétrico calculado.

4. El sistema de la reivindicación 1, en donde la función de control de flujo másico y una función de control de flujo volumétrico que se ejecutan en el controlador maestro de proceso, en donde:

la función de control del flujo másico está adaptada para comparar el valor establecido del flujo másico del programa de parte con el valor del flujo másico real de la unidad de medición del flujo másico del kit sensorial, y la función de control del flujo volumétrico está adaptada para comparar el valor establecido del flujo volumétrico del programa de parte con el valor del flujo volumétrico calculado de la función de cálculo, y modular la válvula de control y el elemento de control de densidad para ajustar tanto el flujo másico como el flujo volumétrico del gas inerte suministrado al campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma.

5. El sistema de la reivindicación 1, en donde la función combinada de control de flujo másico y flujo volumétrico está adaptada para comparar el valor establecido de flujo másico del programa de parte con el valor de flujo másico real de la unidad de medición de flujo másico del kit sensorial, y el valor establecido de flujo volumétrico del programa de parte con el valor de flujo volumétrico calculado de la función de cálculo, y modular la válvula de control y el elemento de control de densidad para ajustar tanto el flujo másico como el flujo volumétrico del gas inerte suministrado al campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma.

6. El sistema de la reivindicación 1, en donde:

la función de control de flujo másico está adaptada para comparar el valor establecido de flujo másico en el programa de parte con el valor de flujo másico real de la unidad de medición de flujo másico del kit sensorial, y modular la válvula de control para aumentar o reducir el flujo másico de gas inerte para reducir la diferencia entre el valor establecido de flujo másico y el valor de flujo másico real, donde el flujo másico del gas inerte es suministrado al campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma; y

la función de control del flujo volumétrico está adaptada para comparar el valor establecido del flujo volumétrico del programa de parte con el valor de flujo volumétrico calculado de la función de cálculo y ajustar el elemento de control de densidad para controlar el flujo volumétrico del gas inerte suministrado al campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma.

7. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el conector sensorial de cada una de la unidad de medición de la temperatura, la unidad de medición de la presión y la unidad de medición del flujo másico del kit sensorial está conectado en las proximidades de la entrada de gas de la antorcha de plasma, y en donde el conector sensorial de cada una de la unidad de medición de la temperatura y la unidad de medición de la presión del kit sensorial está situado dentro de la antorcha de plasma.

8. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el modificador de la densidad del gas comprende:

a) un regulador de temperatura y un sensor de temperatura; o

b) un regulador de presión y un sensor de presión; o

c) un regulador de temperatura, un sensor de temperatura, un regulador de presión y un sensor de presión; o d) cualquier combinación de a), b) y c).

9. El sistema de la reivindicación 8, en donde:

el modificador de la densidad del gas comprende el regulador de temperatura , y el regulador de temperatura comprende un calentador,

el calentador comprende un calentador de inducción, un calentador de resistencia, un elemento de calentamiento cerámico piezoeléctrico o una combinación de los mismos, y

el regulador de temperatura comprende además un aparato de enfriamiento.

10. El sistema de la reivindicación 9, en donde el aparato de enfriamiento comprende:

a) una tubería conectada a un depósito de fluido refrigerado y una bomba para formar una vía de enfriamiento de bucle cerrado para suministrar un fluido de enfriamiento al regulador de temperatura; o

b) un conducto que pasa a través del regulador de temperatura y un ventilador conectado al conducto para hacer pasar un gas de enfriamiento a través del regulador de temperatura; o

c) una combinación de a) y b).

11. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10 que comprende el regulador de presión, en donde el regulador de presión comprende una cámara plenum móvil que puede:

aumentar el volumen del regulador de presión y disminuir así la presión del gas inerte que sale del regulador de presión; o

disminuir el volumen del regulador de presión y aumentar así la presión del gas inerte que sale del regulador de presión.

12. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en donde el elemento de control de densidad está configurado para controlar una velocidad del gas inerte a la antorcha de plasma.

13. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde el conector sensorial se coloca dentro de una cámara de producción de un sistema de fabricación aditiva y en la entrada de gas de la antorcha de plasma para medir una perturbación de radiación de la antorcha de plasma y/o la pieza de trabajo.

14. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende además un caudalímetro másico situado aguas arriba de la válvula de control y en comunicación con el controlador maestro del proceso que puede detectar una reducción del flujo másico del gas inerte procedente del colector, y el control maestro del proceso envía una señal a un sistema de monitorización de datos para indicar una fuga.

15. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en donde el conector sensorial está conectado a, o conectado en las proximidades de, la entrada de gas;

y en donde el sistema comprende además un grupo procesador conectado al kit sensorial y en comunicación con la válvula de control, en donde el grupo procesador comprende:

el controlador maestro del proceso en comunicación con el kit sensorial; un procesador de cálculo en comunicación con el kit sensorial y el controlador maestro del proceso, calculando el procesador de cálculo el flujo volumétrico real; y

el controlador de flujo másico y un controlador de flujo volumétrico en comunicación con el controlador maestro del proceso; y

el programa de parte que proporciona un valor establecido de flujo másico o un valor establecido de flujo volumétrico o ambos, un valor establecido de flujo másico y un valor establecido de flujo volumétrico al controlador maestro del proceso.

16. Un método para suministrar un flujo volumétrico objetivo y un flujo másico objetivo de un gas inerte para ser ionizado en plasma a una antorcha de plasma, que comprende:

proporcionar un gas inerte desde un colector de suministro de gas a una entrada de la antorcha de plasma a través de una válvula de control unida a un colector de suministro de gas inerte a través de una línea de gas inerte;

a) medir una temperatura, un flujo másico y una presión del gas inerte entre el colector de suministro de gas inerte y un campo electromagnético del ionizador de gas de la antorcha de plasma; o

b) medir una temperatura, un flujo másico y una presión del gas inerte a o en la cercanía de la entrada de gas de la antorcha de plasma; o

c) medir una temperatura y una presión del gas inerte dentro de la antorcha de plasma y un flujo másico a en o la cercanía de la entrada de gas de la antorcha de plasma; o

d) cualquier combinación de a), b) y c);

calcular un caudal volumétrico real del gas inerte hacia la antorcha de plasma:

i) a o en la cercanía de entrada de la antorcha de plasma; o

ii) en el interior de la antorcha de plasma; o

iii) en una posición de la línea de suministro de gas inerte entre el colector de gas y la entrada de gas de la antorcha de plasma;

comparar el caudal volumétrico real con un caudal volumétrico objetivo para generar un valor diferencial de flujo volumétrico;

comparar el caudal másico real con un caudal másico objetivo para generar un valor diferencial de flujo másico; con base en el valor diferencial de flujo másico y del valor diferencial de flujo volumétrico:

x) ajustar la válvula de control para aumentar o disminuir el flujo másico del gas inerte a través de la válvula de control hacia la entrada de gas de la antorcha de plasma; o

y) ajustar la densidad del gas inerte aumentando o disminuyendo la presión y/o la temperatura del gas inerte para obtener un flujo volumétrico de gas inerte modificado, y dirigir el gas inerte modificado a la entrada de la antorcha de plasma; o

z) ajustar la válvula de control y la densidad del gas inerte aumentando o disminuyendo la presión y/o la temperatura del gas inerte para controlar el flujo másico y el flujo volumétrico del gas inerte al campo electromagnético ionizante de la antorcha de plasma.

17. El método de la reivindicación 16, en donde el ajuste de la válvula de control comprende:

generar una señal de ajuste basada en el valor diferencial de flujo másico y/o el valor diferencial de flujo volumétrico; y

enviar la señal de ajuste a un controlador conectado a la válvula de control, el controlador aumenta o disminuye la apertura de la válvula de control basándose en la señal de ajuste.

18. El método de la reivindicación 16 o 17, en donde el ajuste de la densidad del gas inerte comprende: a) medir la temperatura del gas inerte y aumentar o disminuir la temperatura del gas inerte en respuesta al valor diferencial de flujo volumétrico; o

b) medir la presión del gas inerte y aumentar o disminuir la presión del gas inerte en respuesta al valor diferencial de flujo volumétrico; o

c) tanto a) como b).

19. El método de la reivindicación 18, en donde el aumento de la temperatura del gas inerte comprende dirigir el gas inerte a un regulador de temperatura que comprende un calentador y activar el calentador.

20. El método de la reivindicación 19, en donde el calentador comprende un calentador de inducción, un calentador de resistencia, un elemento de calentamiento cerámico piezoeléctrico, o una combinación de los mismos.

21. El método de la reivindicación 18, en donde la disminución de la temperatura del gas inerte comprende dirigir el gas inerte a un regulador de temperatura que comprende un aparato de enfriamiento y activar el aparato de enfriamiento.

22. El método de la reivindicación 21, en donde el aparato de enfriamiento comprende:

c) una combinación de a) y b).

23. El método de la reivindicación 20, en donde aumentar o disminuir la presión del gas inerte comprende dirigir el gas inerte a un regulador de presión.

24. El método de la reivindicación 23, en donde el regulador de presión comprende una cámara plenum móvil que puede aumentar el volumen del regulador de presión y por lo tanto disminuir la presión del gas inerte que sale del regulador de presión, o disminuir el volumen del regulador de presión y por lo tanto aumentar la presión del gas inerte que sale del regulador de presión.

25. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 24, en donde el gas inerte es argón.

26. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 25, donde el caudal volumétrico objetivo y el caudal másico objetivo son proporcionados por un programa de parte.