ES3045111T3 - Laser operating machine for additive manufacturing by laser thermal treatment, in particular by fusion, and corresponding method - Google Patents

Abstract

Máquina láser para la fabricación aditiva de objetos, mediante un proceso de tratamiento térmico láser de polvos metálicos, en particular por fusión, que comprende una estructura de movimiento (11) móvil en un espacio de trabajo (100) que comprende una superficie de trabajo (110). Dicha máquina opera según un primer sistema cartesiano de ejes de movimiento (X, Y, Z) y está configurada para soportar un elemento móvil (12) que comprende una o más boquillas (34) para emitir chorros de polvo a tratar térmicamente sobre un sustrato de trabajo (100, 110), y un conjunto óptico láser (20) para transmitir un haz láser (L) y formar un punto láser (S) enfocado sobre dicho sustrato de trabajo (100, 110) para llevar a cabo el tratamiento térmico de dichos polvos. Según la invención, dicho elemento móvil (12) comprende: una parte superior (12a) asociada de forma fija a dicha estructura de movimiento (11), en la que se encuentra dicho conjunto óptico láser (20); y una parte inferior (12b), en la que se encuentra un bastidor portaherramientas (30), sobre el que se disponen una o más boquillas (34) para emitir chorros de polvo, y en que dichas boquillas (34) están dispuestas en dicho bastidor (30) de modo que sus ejes longitudinales (U) forman un ángulo de inclinación (β) con respecto a dicho eje vertical (I) de modo que los chorros (PJ) de dichas boquillas (34) se intersecan en un punto de deposición de polvo (PD), comprendiendo dicha máquina (10) medios de accionamiento para variar dicho ángulo de inclinación (β) de dichos ejes longitudinales (U) de dicha una o más boquillas (34); estando dicho conjunto láser óptico (20) fijado en el elemento móvil (12) de modo que envía el haz láser (L) sobre la superficie de trabajo (110) que pasa dentro del perímetro definido por dicha pluralidad de boquillas (34) que emiten chorros de polvo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Máquina operadora de láser para fabricación aditiva mediante tratamiento térmico con láser, en particular mediante fusión, y método correspondiente

[0005] Campo de la técnica

[0007] La presente descripción se refiere a una máquina operadora de láser para la fabricación aditiva de objetos mediante un proceso de tratamiento térmico con láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, que comprende una estructura de movimiento, que es móvil en un espacio de trabajo que comprende una superficie de trabajo, operando dicha máquina según un primer sistema cartesiano de ejes de movimiento y estando configurada para soportar un elemento móvil que comprende una o más boquillas para emitir chorros de polvo a tratar térmicamente, un sustrato de trabajo, y un conjunto de láser óptico para transportar un haz láser para formar un punto láser enfocado en dicho sustrato de trabajo con el fin de llevar a cabo un tratamiento térmico en dichos polvos.

[0009] Se pueden aplicar diversas realizaciones al control térmico del perfil de fusión en los procesos de fusión y a la orientación de las boquillas para evitar obstáculos y variar los parámetros del punto de deposición del polvo.

[0010] Antecedentes de la técnica

[0012] El proceso de fabricación aditiva mediante fusión láser consiste en la deposición de capas sucesivas de polvos metálicos a tratar térmicamente, mediante fusión o mediante un tratamiento térmico similar a altas temperaturas, como la sinterización, para formar formas geométricas complejas. Diversos sectores manufactureros, como el sector de la automoción y el sector aeroespacial, están teniendo en cuenta estos procesos para la producción de objetos complejos de grandes dimensiones hechos de metal o aleaciones metálicas. Las técnicas de crecimiento utilizadas en la actualidad, en particular las que implican la deposición de polvos metálicos y la posterior fusión por láser, presentan limitaciones en cuanto a las características de los objetos producidos (falta de uniformidad, porosidad, presencia de microfracturas que alteran las características de resistencia, etc.).

[0014] La tecnología de deposición de polvo metálico es una evolución de la tecnología utilizada para el revestimiento metálico. Una boquilla de revestimiento alineada con el haz de una máquina láser suministra el chorro de polvo metálico que se requiere para la fusión.

[0016] En el anterior proceso de fusión de polvos metálicos, gradientes de temperatura incontrolados que se establecen entre la zona en la que ya se ha llevado a cabo la fusión (fase de poscalentamiento), cuya temperatura disminuye con respecto a la temperatura de fusión, la zona en la que se lleva a cabo la fusión (fase de fusión), que está a la temperatura de fusión, y la zona en la que aún no se ha llevado a cabo la fusión (fase de precalentamiento), que vuelve a estar a una temperatura inferior a la temperatura de fusión, pueden provocar una peor calidad de la deposición en términos de uniformidad y porosidad, pero sobre todo formación de microfracturas y grietas causadas por el alivio incontrolado de las tensiones generadas en el proceso. En general, el proceso de fabricación aditiva, al llevar el material del baño de fusión a la fusión, determina un cambio de fase (fusión) en el estado del material. Generalmente, la fase fundida tiene un volumen mayor que la fase sólida, de modo que en la etapa de solidificación hay una contracción del material, lo que determina, entre otras cosas, la aparición de deformaciones y tensiones. Cuando estas tensiones ya no son soportadas por el material, se generan las fracturas y las consiguientes fisuras. Por lo tanto, las consecuencias pueden ser tanto de tipo estético como estructural (mayor fragilidad, desviación de las características establecidas en la etapa de diseño).

[0018] Los tratamientos de precalentamiento y poscalentamiento tienen el propósito de permitir que el material alivie las tensiones para reducir las tensiones internas (y, por lo tanto, las deformaciones), así como para prevenir fracturas. Por consiguiente, un control del perfil energético aplicado a las fases de precalentamiento, fusión y poscalentamiento para minimizar estos gradientes de temperatura mejora la calidad del proceso. Sin embargo, este control, que puede obtenerse mediante perfiles de variación de los parámetros de dirección, enfoque y potencia del haz de fusión láser, es difícil de implementar en las máquinas conocidas. Por la solicitud de patente italiana número 102014902266229 presentada a nombre del presente solicitante se conoce una máquina de fabricación aditiva que utiliza un marco de boquilla, que permite el paso del haz láser por su interior. Por consiguiente, el haz láser se puede desplazar dentro del marco, lo que permite diferentes realizaciones de uso y perfiles energéticos. Sin embargo, la libertad de configurar los perfiles de energía del haz láser con respecto a las zonas de precalentamiento y poscalentamiento está limitada por la presencia del marco y las boquillas, lo que no permite la orientación del haz láser en todas las posiciones. Puede haber interferencias tanto con la boquilla como con el chorro de polvo. Además, este tipo de limitación significa que la posición relativa y la orientación entre la trayectoria de deposición y las boquillas cambian en función de la posición a lo largo de la propia trayectoria, y esto puede afectar a la propia deposición, en términos de cantidad y calidad.

[0019] Por supuesto, los riesgos de interceptación de las boquillas también pueden derivarse de otros tipos de procesos de tratamiento térmico y de control de las trayectorias, además de los tratamientos de precalentamiento y poscalentamiento descritos en el presente documento.

[0020] El documento WO 2015/181772 A1 describe una máquina operadora de láser de la técnica anterior.

[0021] Objeto y compendio

[0022] Las realizaciones descritas en el presente documento tienen el propósito de mejorar los métodos y sistemas según la técnica anterior, tal como se ha descrito anteriormente. La invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.

[0023] Diversas realizaciones logran el objetivo anterior gracias a una máquina operadora de láser para la fabricación aditiva de objetos mediante el tratamiento térmico con láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, teniendo la máquina las características incluidas en las reivindicaciones siguientes.

[0024] Diversas realizaciones también se refieren a un método correspondiente para la fabricación aditiva de objetos mediante el tratamiento térmico con láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión.

[0025] Las reivindicaciones adjuntas forman una parte integral de las enseñanzas técnicas proporcionadas en la presente memoria.

[0026] Breve descripción de los dibujos

[0027] Ahora se describirán realizaciones, meramente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

[0028] - la Figura 1 es una vista esquemática en perspectiva de una máquina operadora de láser;

[0029] - la Figura 2 es una vista en perspectiva del elemento móvil de la Figura 1;

[0030] - la Figura 3 es una vista lateral del elemento móvil de la Figura 2;

[0031] - la Figura 4 es una vista en planta superior del elemento móvil de la Figura 2;

[0032] - la Figura 5 es una vista en perspectiva de un detalle de la porción inferior del elemento móvil de la Figura 2; - la Figura 6 es una vista en planta desde abajo del detalle de la Figura 5;

[0033] - las Figuras 7A y 7B muestran el detalle de la Figura 5 en dos posiciones operativas diferentes;

[0034] - las Figuras 8A y 8B representan un primer tipo de segmento de trabajo realizado por la máquina operadora de la Figura 1;

[0035] - la Figura 9 representa un segundo tipo de segmento de trabajo realizado por la máquina operadora de la Figura 1;

[0036] - la Figura 10 representa las trayectorias de trabajo seguidas por la máquina operadora de la Figura 1; y - la Figura 11 representa una arquitectura de control de la máquina operadora descrita en el presente documento.

[0037] Descripción detallada

[0038] En la descripción que sigue se ilustran numerosos detalles específicos para permitir la máxima comprensión de las realizaciones proporcionadas a modo de ejemplo. las realizaciones pueden implementarse con o sin detalles específicos, o además con otros procesos, componentes, materiales, etc. En otras circunstancias, las estructuras, los materiales o las operaciones que son bien conocidas no se muestran ni describen en detalle, de modo que los diferentes aspectos de las realizaciones no resulten eclipsados. Durante el desarrollo de la presente descripción, la referencia a “una realización” indica que una característica, estructura o rasgo particular descrito en relación con la realización está incluido en al menos una realización. Por lo tanto, frases como “en una realización” que pueden estar presentes en varios puntos de la presente descripción no se refieren necesariamente a una misma realización. Además, las características o estructuras particulares, o rasgos pueden combinarse de una manera conveniente en una o más realizaciones.

[0039] Los términos y referencias se proporcionan en el presente documento meramente por conveniencia del lector y no definen la esfera de protección o el alcance de las realizaciones.

[0041] En resumen, la máquina operadora de láser propuesta comprende una estructura de movimiento, que es móvil en un espacio de trabajo que comprende una superficie de trabajo, en donde la máquina opera según un primer sistema cartesiano de ejes de movimiento y está configurada para soportar un elemento móvil que comprende una o más boquillas para emitir chorros de polvo a tratar térmicamente, en particular mediante fusión, sobre un sustrato de trabajo, y un conjunto de láser óptico para transportar un haz láser para formar un punto láser enfocado en dicho sustrato de trabajo para llevar a cabo un tratamiento térmico de dichos polvos, en particular fusionarlos, en donde el elemento móvil comprende: una porción superior asociada de manera fija a la estructura de movimiento, en donde el conjunto de láser óptico está colocado en la porción superior; y una porción inferior, que puede girar alrededor de un eje paralelo a un eje vertical del primer sistema de ejes cartesianos, en el que se encuentra un marco portaherramientas, en el que se disponen dichas una o más boquillas para emitir chorros de polvo, en donde el conjunto de láser óptico se coloca en el elemento móvil para dirigir el haz láser sobre la superficie de trabajo que pasa dentro de un perímetro definido por la pluralidad de boquillas antes mencionadas para emitir chorros de polvo.

[0043] En consecuencia, la Figura 1 es una vista esquemática en perspectiva de una realización de la máquina operadora de láser, designada en su conjunto con el número de referencia 10, que comprende una estructura 11 de movimiento, diseñada para desplazar un soporte 11d, al que se encuentra asociado de manera fija un elemento 12 móvil, que puede desplazarse a lo largo de una primera pluralidad de ejes, específicamente tres ejes cartesianos X, Y, Z.

[0045] Para este propósito, la estructura 11 de movimiento comprende una estructura 11a de guía, que a su vez comprende una base 11m y, en la parte superior, rieles 11 h, que se extienden a lo largo del eje horizontal X. Sobre los rieles 11 h hay una corredera 11c, que puede deslizarse libremente en la dirección del eje X. Sobre la corredera 11 c hay un extremo 11b de una viga en voladizo que se extiende en dirección horizontal, a lo largo del eje Y, ortogonal con respecto al eje X. El extremo 11b superior de la viga está dispuesto en voladizo y está asociado, de forma deslizable a lo largo del eje Y, a la corredera 11c, sobre la cual descansa. El otro extremo 11b libre de la viga tiene un soporte 11k con una guía vertical 11j, a lo largo del cual se desliza el soporte 11d que soporta el elemento 12 móvil, accionado por un motor 11f, a lo largo del eje Z ortogonal al plano XY y, por lo tanto, vertical.

[0047] El movimiento de la viga 11b con respecto a la corredera 11c y el movimiento de la corredera 11c con respecto a la estructura 11a de guía también se obtienen mediante motores, que, sin embargo, no se muestran en la Figura 1.

[0049] Como se ilustra en la Figura 1, como resultado de la configuración anterior, el desplazamiento del elemento 12 móvil se produce dentro de un espacio 100 de trabajo, básicamente un paralelepípedo, cuyas dimensiones están definidas por el recorrido del elemento 12 móvil a lo largo de los ejes horizontales X e Y, y el eje vertical Z. Además, hay una superficie de trabajo designada con la referencia 110 en la Figura 1 que corresponde básicamente a la cara inferior del espacio 100 de trabajo. Esta superficie 110 de trabajo es la superficie, o sustrato de trabajo, a partir de la cual, como se describe a continuación, se tratan térmicamente las secciones de un objeto a obtener de forma aditiva a altas temperaturas, específicamente, en el ejemplo preferido descrito en el presente documento, mediante fusión. En variantes de realización, el tratamiento térmico puede ser de sinterización. Debe tenerse en cuenta que, en variantes de realización, en la superficie 110 de trabajo, entendida como la superficie plana, por ejemplo de una mesa de trabajo, está presente un sustrato sobre el que se depositan los polvos y se lleva a cabo la fusión, o bien un elemento sobre el que se cultiva una estructura metálica mediante el proceso aditivo descrito en el presente documento. Por lo tanto, en general, por “superficie de trabajo” se entiende la superficie a la altura a la que se lleva a cabo el proceso, es decir, la superficie del sustrato donde se depositan los polvos o del elemento sobre el que se lleva a cabo el crecimiento aditivo.

[0050] Alternativamente, la estructura 11 de movimiento puede, por ejemplo, ser del tipo portal.

[0052] El elemento 12 móvil, como se ilustra mejor a continuación, comprende un conjunto 20 de láser óptico y boquillas 34 para inyectar el polvo que se va a fundir. En consecuencia, la máquina 10 incluye, por ejemplo, una catenaria, no mostrada en la Figura 1, que comprende cables de fibra óptica, que se conectan en particular a un cableado 50 del elemento 12 móvil, para transportar la radiación que se origina en una fuente de radiación láser, que se encuentra alejada del elemento 12 móvil, a los componentes del elemento 12 móvil y dentro de un conjunto 20 de láser óptico, mostrado en la Figura 3, que comprende un dispositivo de colimación adaptativa y un escáner óptico. En diversas realizaciones, el elemento 12 móvil puede incluir la propia fuente láser.

[0053] La catenaria mencionada anteriormente también puede suministrar gas de soporte, tal como argón o nitrógeno, para el proceso de fusión. La catenaria comprende conductos para suministrar los polvos de fusión desde los respectivos dispositivos de suministro situados de forma remota con respecto a la máquina 10. Además, la catenaria comprende cables de control eléctrico y posibles tuberías de suministro de refrigerante.

[0054] El elemento 12 móvil se representa en la Figura 2 en una vista en perspectiva a escala ampliada. El elemento 12 móvil comprende una porción 12a superior, que sustancialmente aloja el conjunto 20 láser óptico. De hecho, conectado a la porción 12a superior está el cableado 50, que comprende en su interior una fibra óptica que transporta un haz láser L emitido por una fuente láser establecida de forma remota y, por lo tanto, no se muestra en la Figura 2.

[0056] El cableado 50 entra en un cuerpo 12c en forma de caja, que está situado en la pared superior de otro cuerpo en forma de caja 12d.

[0058] El cuerpo 12c en forma de caja, como puede verse más claramente en la Figura 3, que muestra el elemento 12 móvil en vista lateral y con algunos componentes ópticos visibles, aloja un dispositivo 22 de colimación adaptativa, que recibe el haz láser L a lo largo de un eje paralelo al eje vertical Z.

[0060] El cuerpo 12d en forma de caja aloja medios 21 de escaneo óptico, que orientan el haz láser L a la salida de la porción 12a superior.

[0062] El elemento 12 móvil comprende entonces una porción 12b inferior, situada por debajo de la porción 12a superior y asociada a la misma, en particular asociada, mediante una pared de techo de la misma, a una pared inferior del cuerpo 12d en forma de caja que aloja los medios 21 de escaneo óptico.

[0064] La porción 12b inferior comprende un conducto 12e que la atraviesa, cuyo eje principal es paralelo al eje vertical Z, pero escalonado en el plano horizontal XY con respecto al eje del dispositivo 22 de colimación adaptativa. El conducto 12e, que está preferiblemente presurizado, tiene una forma tubular y está asociado, en un extremo abierto del mismo, al cuerpo 12b en forma de caja a través de un sistema 12f de accionamiento giratorio, asociado a motores de accionamiento (no mostrados en la Figura), que permite la rotación del conducto 12e alrededor de su propio eje principal.

[0066] El otro extremo del conducto 12e, que está abierto (al menos desde un punto de vista óptico en la medida en que, para mantener la presurización, se puede colocar un elemento de cierre hermético transparente a la longitud de onda de la radiación láser) y se dirige a la zona 100 de trabajo, está conectado de forma fija a una herramienta final representada por una pluralidad de boquillas 34 para emitir polvo a fusionar, que están montadas en un marco 30 portaherramientas. El marco 30 portaherramientas está asociado de manera fija al extremo abierto mencionado del conducto 12e.

[0068] Como puede verse más claramente en la Figura 5, que muestra una vista en perspectiva de la parte terminal del conducto 12e, que hace visibles una vez más los componentes ópticos contenidos en el mismo, y del marco 30 portaherramientas, este último tiene la forma de un anillo circular de modo que define un perímetro que tiene, en consecuencia, la forma de una circunferencia que identifica un área circular de paso en su interior. Las boquillas 34, en el ejemplo descrito en el presente documento, son cuatro, cada una situada en un ángulo de 90° con respecto a las adyacentes a lo largo de la circunferencia del marco 30 portaherramientas. El marco 30 portaherramientas está colocado paralelo a la superficie 110 de trabajo, es decir, su perímetro y su área son paralelos al plano XY.

[0070] Las boquillas 34 están dispuestas preferiblemente, con respecto a un eje vertical paralelo al eje Z que une el anillo del marco 30 con la superficie 110 de trabajo, con sus propios ejes U longitudinales de emisión de la boquilla inclinados hacia un eje de inyección I que pasa por el centro de la circunferencia definida por el marco 30, es decir, formando un ángulo agudo de inclinación p con el eje I, de modo que los ejes U de la boquilla se crucen en un punto de deposición de polvo PD. Según una realización preferida, una o más de las boquillas 34 anteriores es una boquilla para pulverizar gas de soporte. Según otra realización preferida, una o más de las boquillas 34 es una boquilla para pulverizar polvos a fusionar que están rodeados por un gas protector.

[0072] Como se ha mencionado, las Figuras 3 y 4 muestran una vista lateral y una vista en planta superior, respectivamente, del elemento 12 móvil y del conjunto 20 de láser óptico, donde se destacan los componentes ópticos dentro de la porción 12a superior y la porción 12b inferior.

[0074] En la vista lateral de la Figura 3, donde el eje X apunta en una dirección que sale del plano de la Figura, se puede observar cómo el cuerpo 12d en forma de caja comprende en su interior el escáner óptico 21, que transporta y enfoca una radiación láser L para formar un punto láser S en el espacio 100 de trabajo, y la radiación láser L que sale de un elemento 22 de colimación adaptativa que permite la variación del diámetro y del punto de enfoque de dicho punto láser S partiendo de una radiación láser, con características de potencia aptas para la fusión, que es transmitida por una fuente láser remota a través de la fibra óptica 50 del cableado o, alternativamente, a través de una cadena óptica o una fuente de radiación láser ubicada conjuntamente en el elemento 12 móvil. Aguas abajo del colimador adaptativo 22, a lo largo de un eje vertical de propagación de la radiación láser L, un espejo 23 estacionario desvía la radiación láser L perpendicularmente, es decir, en una dirección horizontal. El espejo 23 tiene preferiblemente características de selectividad de frecuencia, es decir, es, por ejemplo, un espejo dicroico, para llevar a cabo la monitorización de la radiación no reflejada, que proviene de la fuente o del área 110 de trabajo. En particular, la radiación reflejada generada por el baño de fusión (designada mediante PM en la Figura 8A) durante el procesamiento sigue la trayectoria óptica hacia atrás. El espejo dicroico selecciona algunas frecuencias, dejándose atravesar por las mismas, y las envía hacia un elemento o sistema de monitorización (no mostrado). El escáner óptico 21 está constituido por dos espejos 24 y 25 de orientación móvil, que se accionan mediante los respectivos actuadores galvanométricos (no mostrados en la Figura) para obtener la rotación de los dos espejos y, por lo tanto, del haz láser L desviado de este modo, a lo largo de dos ejes de rotación mutuamente perpendiculares, es decir, un primer eje de rotación 0 correspondiente a la rotación a lo largo del eje longitudinal del espejo 24, y un segundo eje de rotación w para el espejo 25 perpendicular al espejo 24 y paralelo al eje X, como puede verse en la Figura 4. Al desplazar los espejos 24 y 25 de orientación a lo largo de los ejes anteriores, es posible desplazar el haz, con respecto a un eje normal de incidencia I de la radiación láser L, por ejemplo, hasta las direcciones límite I1, I2 (eje w) mostradas en la Figura 3. Las direcciones límite correspondientes pueden identificarse con el eje 0, de modo que de esta manera el haz láser L se desplaza dentro de un espacio cónico definido por las direcciones límite mencionadas anteriormente, y el punto láser S se desplaza sobre la superficie 110 de trabajo en las direcciones X e Y. Dado que el punto láser S, como resultado de los ejes de rotación 0 y w, se desplazaría con mayor precisión a lo largo de una tapa esférica, mediante la acción de control del elemento 22 de colimación adaptativa es posible compensar por el mismo desplazando el punto de enfoque (desplazamiento lineal a), es decir, el punto láser S, para obtener desplazamientos del mismo sobre una superficie plana. Está claro que el elemento 22 de colimación adaptativa permite además el desplazamiento del punto láser S enfocado a lo largo del eje Z también de una manera independiente del efecto de los ejes de rotación 0 y w.

[0076] Además, en la vista de la Figura 3 se ve el marco 30 que porta las boquillas 34 y el conducto 12e presurizado por el que pasa el haz láser L. El marco 30 mencionado anteriormente, como se ha mencionado, se mueve según una rotación alrededor del eje vertical del marco Z, paralelo al eje Z, y a través del centro de la circunferencia definida por las boquillas 34, mediante un actuador (no mostrado en la figura). En general, el eje del marco Z coincide con el eje normal de incidencia I. En la realización proporcionada a modo de ejemplo, el conducto 12e presurizado está fijo con respecto al marco 30, y el conducto 12e y el marco 30 giran de manera fija con respecto a la porción 12a superior, que, en cambio, está fija con respecto al soporte 11d; es decir, es móvil solo a lo largo de la primera pluralidad de ejes de movimiento X, Y, Z del sistema 11 de movimiento. Esto significa que también el conjunto 20 óptico es móvil solo a lo largo de la primera pluralidad de ejes de movimiento X, Y, Z del sistema 11 de movimiento. En una realización alternativa, el conducto 12e presurizado está fijo con respecto a la porción 12a superior, mientras que el marco 30 está asociado al extremo inferior del conducto 12e de forma giratoria alrededor del eje longitudinal del conducto 12e, que corresponde al eje de inercia principal, vertical, del marco, si se entiende como disco o anillo. Los medios de accionamiento pueden, en este caso, estar dispuestos dentro del conducto 12 para hacer girar el marco 30.

[0078] Según la invención, los ejes U longitudinales de las boquillas 34, que corresponden a la dirección de inyección del polvo, pueden variar su propio ángulo de inclinación p mediante la acción de los respectivos mecanismos cinemáticos y actuadores. La realización mostrada en la Figura 5 prevé que la variación de la inclinación de las boquillas 34 se lleve a cabo mediante un mecanismo cinemático que comprende dos marcos.

[0080] Un primer marco está representado por el marco 30, al que las boquillas 34 están fijadas de forma giratoria a través de unos pasadores 35 de rotación. En particular, los pasadores 35 de rotación están fijos en el marco 30 para poder girar alrededor de un eje sustancialmente tangencial al perímetro del marco 30 para variar solo el ángulo de inclinación p con respecto al eje I. Los pasadores 35 de rotación están fijados a las boquillas 34 en una posición, por ejemplo, a la mitad de su longitud, al marco 30. Las boquillas 34 comprenden además ranuras 37 pasantes de forma oblonga, cuyo eje principal está alineado con el eje U de la boquilla, de tal manera que permite que un pasador 36 que se desliza en una ranura 37 respectiva se desplace a lo largo del eje U de la boquilla 34.

[0082] Un segundo marco 31, una vez más circular y con un diámetro mayor que el del marco 30, se coloca por encima del marco 30 de forma concéntrica. El segundo marco 31 comprende, en su perímetro exterior, unos asientos 38, es decir, unas muescas a lo largo del perímetro, para alojar las boquillas 34. En las muescas 38 están dispuestos los pasadores 36, de tal manera que también pueden girar alrededor de un eje sustancialmente tangencial al perímetro del segundo marco 31. Como los pasadores 36 se acoplan a las ranuras 37 de las boquillas 34 respectivas, moviendo, a lo largo de un eje vertical, el segundo marco 31 con respecto al marco 30, mediante un actuador motorizado respectivo (no visible en las Figuras), se produce el deslizamiento de los pasadores 36 en la ranura 37, con una variación simultánea del ángulo de inclinación p de las boquillas 34, como puede verse en las Figuras 7A y 7B.

[0084] En particular, en la Figura 7A, el segundo marco 31 está en una posición bajada, determinando así un ángulo de inclinación p más amplio, es decir, de 30°. Las partes extremas inferiores de las boquillas 34 están más cerca una de la otra en el plano horizontal XY, dejando un paso de menor área para el haz láser L, y los chorros de polvo PJ se encuentran en un punto de deposición de polvo PD más cercano al marco 30 y de menor tamaño. De hecho, el chorro de polvo PJ no es perfectamente cilíndrico, sino que tiene una forma cónica a la salida de la boquilla 34, de modo que, cuanto más lejos del marco 30 se encuentran los chorros, mayor es el diámetro de la mancha de polvo, correspondiente al punto de deposición de polvo PD, que se forma y define por los chorros. Cabe señalar que en este documento se hace referencia al “punto de deposición de polvo PD”, pero este último tiene un área con un tamaño que, como se acaba de decir, puede variar. Al aumentar tanto la dimensión de la mancha de polvo como la velocidad de flujo del polvo, junto con un aumento del diámetro del haz láser, es posible aumentar la capacidad de deposición en el tiempo, es decir, el rendimiento. En cambio, al reducir las dimensiones del punto de polvo, el punto láser y el caudal del polvo, se mejora la precisión del proceso y la calidad de la superficie del producto, claramente a expensas del rendimiento. Por lo tanto, la solución global permite la flexibilidad y adaptabilidad del proceso según los requisitos del producto final. En la Figura 7B, el segundo marco 31 se ha colocado en una posición más alta, lo que provoca la rotación de las boquillas 34 alrededor de los respectivos pasadores 35 y 36 y determina un ángulo de inclinación p más pequeño, es decir, un ángulo de 20°. Las porciones del extremo inferior de las boquillas 34 están más alejadas una de la otra en el plano horizontal XY, dejando un paso de mayor área para el haz láser L, y los chorros de polvo PJ se encuentran en un punto de deposición de polvo PD más alejado del marco 30.

[0086] Está claro que son posibles varias realizaciones para el mecanismo cinemático que varía el ángulo de inclinación p. En una realización simplificada, por ejemplo, solo está presente el marco 30, lo que provoca la rotación, mediante los actuadores respectivos, de los pasadores 35, dispuestos una vez más según ejes tangenciales al perímetro del marco 30, de modo que las boquillas 34 giran solo alrededor del eje de los pasadores 35.

[0088] La Figura 6 es una vista en planta desde abajo del mecanismo cinemático que comprende los marcos 30 y 31, donde se pueden apreciar mejor las posiciones de los pasadores 35 y 36. Entre las partes extremas inferiores de las boquillas 34, en la prolongación de los respectivos ejes U de la boquilla, se encuentra el lugar o punto de deposición de polvo PD.

[0090] Por lo tanto, el sistema descrito hasta ahora permite realizar movimientos en las boquillas 34, en particular una rotación de las mismas alrededor del eje Z y una variación de su ángulo de inclinación p con respecto al eje normal de incidencia I, lo que permite desplazamientos de las boquillas 34 adicionales a los que impone el sistema 11 de movimiento.

[0092] La posibilidad de inclinar las boquillas 34 y, por lo tanto, los chorros de deposición de polvo PJ se utiliza no solo para evitar la interferencia con el haz láser, sino también para evitar los obstáculos presentes en el espacio de trabajo, tales como herramientas en las que crece la pieza de trabajo o piezas que ya han crecido, para variar la forma del punto de polvo y para variar la altura del lugar de deposición de polvo PD con el fin de realizar correcciones, por ejemplo, según un control de circuito cerrado, con respecto a los comandos impartidos por un denominado programa de pieza, o conjunto de instrucciones, tal como se describe más completamente a continuación.

[0094] La Figura 6 muestra además, con una línea discontinua en la medida en que se encuentra en el plano de la superficie 110 de trabajo, un área 120 de trabajo sustancialmente cuadrada, que está inscrita dentro del marco 30. En ella se definen los segmentos WB de una trayectoria de trabajo, es decir, segmentos seguidos por el punto láser S para llevar a cabo las fases de fusión, precalentamiento y poscalentamiento, tal como se describe más detalladamente a continuación con referencia a la Figura 8.

[0096] Como puede verse, en la Figura 6 se indica con WB un segmento de trabajo, alineado en una dirección de avance D, con respecto al cual la proyección de los ejes U de la boquilla en el plano de la superficie 110 de trabajo se establece a 45°. Cuando las boquillas 34 están dispuestas de esta manera con respecto a los segmentos de trabajo WB, no hay posibilidad de que el punto S encuentre ni los chorros de polvo ni las boquillas 34 que emiten los chorros. También se indica en la figura una segunda dirección de avance D ortogonal a la primera, con la que los ejes U de la boquilla también forman un ángulo de 45°.

[0098] Por lo tanto, la máquina descrita hasta ahora permite mejorar el control de los perfiles energéticos aplicados en las tres fases de precalentamiento, fusión y poscalentamiento.

[0100] En la Figura 8A se ilustra un segmento de trabajo WB, en el que el haz láser L (es decir, su punto S) controlado por el conjunto 20 óptico describe una trayectoria láser interna en zigzag lp. Por “trayectoria láser interna lp” se entiende aquí una trayectoria descrita por el punto láser S dentro del segmento de trabajo WB. El segmento de trabajo WB corresponde entonces a un segmento de una ruta de fusión láser LP, como se describe más detalladamente con referencia a la Figura 10. La trayectoria del láser interno lp puede ser una ruta en zigzag, como en la Figura 8A, o una trayectoria que sigue el segmento de trabajo, como en la Figura 9. En general, la trayectoria láser interna lp, donde por “trayectoria” se entienden las coordenadas cinemáticas que describen el movimiento del punto láser S en el tiempo, para llevar a cabo, además de la fusión, el precalentamiento y el poscalentamiento, se mueve hacia atrás y hacia adelante en el tiempo a lo largo de ruta de la trayectoria.

[0101] En la Figura 8A, el segmento de trabajo WB está asociado a una dirección de avance D del elemento 12 móvil, que se encuentra en el plano de la superficie 110 de trabajo y es la dirección en la que progresa un baño de fusión PM de deposición del material fundido. A lo largo del segmento de trabajo WB anterior se define una posición d a lo largo del segmento de trabajo WB. Como puede verse en la Figura 8A, también se representa un diagrama que representa una energía de trabajo E, es decir, la energía asociada al punto láser S, en función de la posición d. El eje de la posición d está alineado con la dirección de avance D del segmento WB, de modo que es posible indicar en el eje de la posición d las posiciones d1, d2, d3, d4, entre las que se encuentran definidas las fases de precalentamiento FP (intervalo d1-d2), fusión FS (intervalo d2-d3) y poscalentamiento FR (intervalo d3-d4).

[0103] En la Figura 8A se ilustran esquemáticamente los cuatro chorros de polvo PJ, alineados con los ejes U de la boquilla. Como puede verse, los chorros están inclinados 45° con respecto a la dirección de avance D, de modo que el punto láser S, siempre que se mueva dentro del segmento de trabajo WB, no pueda interceptarlos.

[0104] Como se puede observar en la Figura 8A, la energía de trabajo E, es decir, la energía del punto láser L, varía en función de la posición d a lo largo del segmento de trabajo WB. La energía de trabajo E es alta y constante en la fase de fusión FS, mientras que es baja y en aumento en la fase de precalentamiento FP, y baja y en descenso en la fase de poscalentamiento FR. El perfil energético se determina en función de las características del material a fundir y, en cualquier caso, realizando un control del gradiente de temperatura generado según lo que requiere el proceso tecnológico que se va a implementar. La dirección de avance D del proceso de trabajo se representa opuesta a la dirección en la que el punto S sigue la trayectoria interna lp, aunque en general el láser S invierte su movimiento en otros intervalos de tiempo, moviéndose hacia atrás y, por lo tanto, en la dirección de avance D. En variantes de realización, se realizan varias pasadas de ida y vuelta sobre un mismo segmento de precalentamiento, fusión y poscalentamiento.

[0106] En cambio, en la Figura 8B se ilustra el segmento de trabajo WB en dos instantes sucesivos t y t-1, así como los dos baños de fusión PM (t) y PM (t-1) respectivos. Como se puede observar, el segmento de trabajo WB, con las respectivas fases de precalentamiento, fusión y poscalentamiento, avanza en la dirección de avance D.

[0108] En la Figura 9 se representa un segmento de trabajo WB' que usa un punto láser S con una anchura que es la misma que la anchura de los propios segmentos de trabajo WB' y, por consiguiente, coincide con el diámetro del baño de fusión PM. En consecuencia, es necesario conseguir que el diámetro del baño de fusión PM y la dimensión lateral del segmento de trabajo WB, es decir, el segmento de precalentamiento y poscalentamiento, coincidan con el diámetro de enfoque del punto láser S inclinando en consecuencia los ejes U de las boquillas 34 y ajustando los parámetros de colimación del punto láser S, mediante el adaptador 22.

[0110] La Figura 9 muestra, de manera similar a la Figura 8A, también el perfil de la energía de trabajo E en función de la posición d, para el segmento de trabajo WB' que usa un punto láser S con una anchura igual a la del propio segmento de trabajo WB mostrado en la misma figura. En este caso, la trayectoria interna lp permite que el punto láser realice una secuencia dada de desplazamientos a lo largo del eje de la dirección de avance D. En general, se prevé que la trayectoria interna lp pueda consistir en movimientos de ida y vuelta a lo largo del eje de la dirección de avance, incluso varias veces, variando la energía suministrada en cada pasada. Además, el baño de fusión PM puede desplazarse progresivamente a lo largo del segmento de trabajo WB variando la contribución de energía entre las pasadas.

[0112] En las Figuras 8 y 9 se ilustran los segmentos de trabajo WB o WB', dentro de los cuales, en general, el punto de deposición de polvo PD se desplaza linealmente en la dirección de avance D, arrastrado por el sistema 11 de movimiento que acciona el marco 30. La posición en el plano horizontal del punto de deposición de polvo PD no varía con las rotaciones alrededor del eje del marco Z, y por lo tanto, depende solo del movimiento horizontal de la estructura 11 de movimiento. Dentro de los tramos WB o WB', como se ha mencionado, se describen las trayectorias internas lp del punto láser L para realizar las fases de precalentamiento, fusión y poscalentamiento. Esto se aplica en general a los segmentos de trabajo WB, que corresponden a la suma de las tres zonas de precalentamiento, fusión y poscalentamiento, que son cortas y tienen una dirección de avance D. La suma de estos segmentos de trabajo WB, WB<1>, WB<2>, ... que puede tener una dirección de avance D que cambia con el tiempo, determina las rutas de trabajo, que siguen la ruta de deposición del polvo. Como se muestra en la Figura 10, dada una trayectoria de trabajo para obtener una sección determinada de un objeto mediante fusión, se prevé establecer una ruta de emisión de polvo PP y una ruta de fusión LP del punto láser S enfocado en la superficie de trabajo 110. En particular, según lo que se indica en la Figura 10, la ruta de emisión de polvo PP y la ruta de fusión láser LP son, en diversas realizaciones, sustancialmente congruentes desde el punto de vista de las coordenadas espaciales. La ruta de fusión láser LP y la ruta de emisión de polvo PP pueden ser seguidas por el marco 30 y por el escáner 20 óptico simultáneamente; es decir, el punto láser S y el punto de deposición PD están alineados, cruzándose en un punto de trabajo. Sin embargo, para llevar a cabo también el precalentamiento y el poscalentamiento, está previsto que el punto láser S se controle para que siga, según la trayectoria interna lp, con un avance y un retraso determinados que correspondan a las posiciones d representadas en los diagramas de las Figuras 8 y 9, la ruta de fusión láser LP y la ruta de emisión de polvo PP, respectivamente.

[0114] La Figura 11 muestra un diagrama principal de la arquitectura de una unidad 60 de control numérico para gestionar el control de los actuadores, es decir, de los motores de la estructura 11 de movimiento que mueven los ejes X, Y, Z del elemento 12 móvil, de los motores que mueven el sistema 20 óptico, es decir, el actuador galvanométrico para desplazar los ejes de rotación 0 y w y el adaptador 22 que controla el eje de traslación a del punto de enfoque, por consiguiente, de la posición vertical del punto S, así como del motor que impulsa la rotación alrededor del eje de bastidor Z del bastidor 30 y/o los motores que controlan la variación del ángulo de inclinación p. La unidad 60 comprende dos ordenadores personales 61 y 62. El ordenador personal 61 opera como interfaz de usuario para enviar instrucciones y órdenes al segundo ordenador personal 62, que comprende preferentemente un sistema operativo 62a asociado a extensiones 62b en tiempo real para la gestión de la máquina. El sistema operativo puede, por ejemplo, ser del tipo Linux o WinCE, o puede obtenerse mediante soluciones patentadas. Por consiguiente, el ordenador personal 62 suministra las trayectorias a seguir a una placa 63 de servocontrol de tipo PCI DSP para controlar los actuadores.

[0116] En el ordenador personal 62 y en la placa 63 de servocontrol se implementan procedimientos de gestión de los ejes de la máquina 10 láser, en particular para la gestión de los ejes mencionados anteriormente, X, Y, Z, a, 0, w,Z,P, tal como se describirá con mayor detalle a continuación.

[0118] La unidad 60 de control numérico, según los procedimientos en sí mismos conocidos en la técnica, genera un conjunto de instrucciones P, correspondientes a un denominado programa de piezas, para una máquina “virtual” con especificaciones determinadas de aceleración y velocidad. Este conjunto de instrucciones P proviene del ordenador personal 51 y se origina mediante un programa proporcionado para este fin, para establecer las trayectorias y los movimientos de la máquina fuera de línea. A esto último se le aplica una función de interpolación que, sobre la base del conjunto de instrucciones P, genera una trayectoria para la máquina operadora. Esta trayectoria de la máquina operadora corresponde a las coordenadas cinemáticas que describen en el tiempo el movimiento de un punto de la máquina operadora, por ejemplo, una unión o un punto central de la herramienta (TCP). Esta interpolación opera en respuesta a un código preparatorio, o código G, enviado dentro del conjunto de instrucciones P. La operación de interpolación se implementa mediante software dentro del ordenador personal 62.

[0120] Cabe señalar que, además, en la máquina operadora de láser descrita, la unidad 60 está configurada para enviar órdenes adicionales relacionadas, por ejemplo, con el caudal de los chorros de polvo a fusionar, el caudal del gas de soporte, las características de la radiación láser (potencia; modo: continuo, pulsado, etc.; frecuencia y ciclo de trabajo posibles; forma del perfil de radiación: gaussiano, sombrero de copa, etc.) y las características del haz láser (diámetro, enfoque, etc.). Estas órdenes pueden estar asociadas al conjunto de instrucciones P para que se emitan en puntos determinados y en instantes determinados definidos por la trayectoria de la máquina operadora.

[0122] Los comandos relacionados con las características de la radiación láser y las características del haz láser se pueden controlar para regular el perfil térmico, por ejemplo, variando la potencia, y/o el diámetro, y/o el enfoque del punto láser en los segmentos de trabajo WB de la trayectoria.

[0124] Aquí se señala nuevamente que, por trayectoria definida según ejes dados, se entiende, por ejemplo, una función de las variables cinemáticas que corresponden a dichos ejes. Asociadas a los ejes X, Y, Z están las variables cinemáticas lineales correspondientes (desplazamientos, velocidades, aceleraciones), así como al eje de traslación a, que determina el desplazamiento del foco del haz láser L, mientras que asociadas a los ejes de rotación 0, w, Z, P, están las variables cinemáticas angulares correspondientes (ángulos de rotación, velocidades angulares y aceleraciones angulares).

[0126] Las realizaciones descritas de la máquina 10 permiten ventajosamente la explotación de la velocidad y de las propiedades del control focal del conjunto 20 óptico para suministrar energía a la zona en la que ya se ha llevado a cabo el tratamiento térmico con láser, en particular la zona de fusión, y la zona en la que el tratamiento térmico con láser se llevará a cabo.

[0128] La fuente láser, el escáner 21 óptico y el colimador 22 adaptativo controlan la energía aplicada en el segmento de trayectoria para la prefusión, es decir, para la fase de precalentamiento, y para la postfusión, es decir, para la fase de poscalentamiento. Dado que las variaciones de la ruta de fusión pueden llevar a una situación en la que el láser, durante el precalentamiento y el poscalentamiento, intercepte los chorros de polvo antes del punto de deposición del polvo PD o, lo que es peor, intercepte las boquillas 34, con la máquina descrita se prevé hacer girar el marco 30 para seguir la ruta de fusión láser LP, formada por una pluralidad de segmentos de trabajo WBi, para que las porciones que se van a precalentar y poscalentar siempre sean accesibles al apuntamiento del haz láser L y del punto de enfoque S correspondiente, como se muestra en la Figura 6.

[0129] Básicamente, según lo que se ha descrito, se prevé usar la máquina 10 operadora de láser para la fabricación aditiva de objetos mediante fusión láser siguiendo las siguientes etapas:

[0131] establecer una ruta de emisión de polvo PP para emitir, a través de dichas boquillas 34 en dicho marco 30, polvos de un material a fusionar sobre la superficie 110 de trabajo según una ruta de emisión de polvo PP; establecer una ruta de fusión láser LP para enviar, a través de dicho conjunto 20 óptico, un punto enfocado S de un haz láser L según una ruta de fusión láser LP sobre los polvos emitidos según dicha ruta de emisión de polvo PP para realizar su fusión, comprendiendo dicha ruta de fusión láser LP el desplazamiento, según la trayectoria interna lp, de dicho punto S también para anticipar, en una fase de precalentamiento FP, o seguir, en una fase de poscalentamiento FR, el punto de deposición de polvo PD; y

[0133] controlar los actuadores de la máquina operadora de láser que están asociados a unos ejes de la máquina mediante la unidad 60 de control numérico y un módulo 63 de servocontrol, para describir unas trayectorias a través de los ejes respectivos con el fin de seguir dicha ruta de fusión láser LP y dicha ruta de emisión de polvo PP, en donde:

[0135] dicha operación de controlar los actuadores comprende una modalidad operativa en la que se controlan dichos actuadores de dicho elemento 12 móvil para desplazar dicho marco portaherramientas de forma móvil con respecto a dicho conjunto 20 óptico, girándolo al menos alrededor del eje Z del marco vertical para evitar que la posición de las boquillas 34 intercepte el punto láser S controlado según la ruta de fusión láser LP y la trayectoria interna lp.

[0137] En particular, la operación de controlar los actuadores permite girar dicho marco 30 de tal manera que todos los ejes U de las boquillas 34, o su proyección sobre la superficie 110 de trabajo, no intercepten en todo momento la dirección de avance D del segmento de trabajo y, por lo tanto, los ejes U mencionados anteriormente o su proyección forman un ángulo mayor que cero con respecto a la dirección de avance D. El ángulo mínimo de los ejes U o su proyección depende del tamaño de las boquillas 34 y los chorros de polvo PJ y debe ser tal que el haz láser no interfiera con ellos. La condición óptima que determina el ángulo entre las boquillas 34 y la dirección D a utilizar es que la bisectriz del ángulo formado por las propias boquillas debe ser tangencial a la ruta de fusión láser LP y, por lo tanto, a la dirección D.

[0139] En particular, en el caso del marco 30 con cuatro boquillas 34, en cada momento los ejes U de la boquilla forman un ángulo de 45° con respecto a la dirección de avance D. En el caso de dos boquillas 34, los ejes pueden mantenerse a 90°, mientras que, en el caso de ocho boquillas, pueden mantenerse a 22,5°; es decir, en general, los ejes de las boquillas se mantienen en un ángulo igual al ángulo plano dividido por el número de boquillas 34. Por otro lado, estos son casos óptimos, con el objetivo de maximizar la distancia entre los ejes U de la boquilla y la dirección de avance, mientras que está claro que, en general, el ángulo puede incluso tener valores más bajos siempre que el eje de la boquilla que cae fuera del punto de deposición de polvo PD no intercepte la dirección de avance D. Sin embargo, en general, podría ser necesaria una desviación del ángulo “óptimo”, en el ejemplo, un ángulo de 45°para anticipar un cambio de dirección de la fusión o evitar los obstáculos presentes en el espacio de trabajo (por ejemplo, herramientas en las que la pieza de trabajo está creciendo o hay piezas ya fusionadas).

[0141] Además, en variantes de realización de la solución descrita en el presente documento, la máquina operadora de láser puede comprender un marco portaherramientas, en el que se encuentran dispuestas una o más boquillas para emitir chorros de polvo, donde las boquillas están dispuestas en dicho marco de tal manera que sus ejes longitudinales forman un ángulo de inclinación con respecto a dicho eje vertical de manera que los chorros de dichas boquillas se cruzan en un punto de deposición de polvo, y la máquina operadora comprende medios de accionamiento para variar el ángulo de inclinación p de los ejes longitudinales de la una o más boquillas, pero el marco es sometido a movimiento según ejes diferentes de la rotación alrededor de un eje vertical descrito o, de lo contrario, no se acciona.

[0143] Por lo tanto, de lo que se ha descrito, se desprende claramente la solución presentada y las ventajas correspondientes.

[0145] La máquina operadora de láser según la invención puede operar de manera flexible gracias al hecho de que las boquillas de emisión de polvo son móviles con respecto al conjunto de láser óptico según un eje vertical. Esto es ventajoso, en particular cuando las boquillas están muy inclinadas debido a la presencia de obstáculos que deben evitarse y, por consiguiente, el riesgo de interceptación es alto; como resultado, la posibilidad de inclinar las boquillas evita cualquier intercepción durante las etapas del proceso.

[0147] Por supuesto, sin perjuicio del principio de la invención, los detalles y las realizaciones pueden variar, incluso de manera considerable, con respecto a lo que se ha descrito en la presente memoria meramente a modo de ejemplo, sin alejarse del ámbito de protección. Este ámbito de protección se define en las reivindicaciones adjuntas.

[0148] En diversas realizaciones, se pueden implementar diferentes estrategias de uso del sistema descrito en relación con el perfil de control de energía que se va a aplicar y con los tiempos de aplicación, que están ambos relacionados con el tipo de polvos, materiales y formas a tratar térmicamente, es decir, a fundir. En particular, como se muestra también en la Figura 8, la solución descrita permite la aplicación del perfil energético en varias pasadas o mediante movimientos lineales, en zigzag o de oscilación con un haz enfocado que tiene un diámetro menor que el tamaño del punto de deposición de polvo PD o del baño de fusión PM. Esto es posible regulando el tamaño y la forma del punto de polvo utilizando el sistema de inclinación de las boquillas y ajustando el flujo de deposición correspondiente y el diámetro de enfoque del punto láser S.

[0150] Alternativamente, como se muestra en las Figuras 8 y 9, será posible hacer que el diámetro del baño de fusión y la dimensión lateral del segmento de precalentamiento y poscalentamiento coincidan con el diámetro de enfoque del punto láser S, mediante las inclinaciones apropiadas de las boquillas y el ajuste de los parámetros de colimación del punto láser S.

[0152] La configuración del conjunto 20 láser permite además la variación, durante el procesamiento, de las características de enfoque de una zona a otra y, en consecuencia, es posible llevar a cabo la fusión con un punto láser enfocado S con el mismo diámetro que el de la acumulación de soldadura y utilizar, en su lugar, para aplicar energía en los segmentos de precalentamiento y poscalentamiento, un haz láser desenfocado que interceptará el segmento de trabajo WB de interés con un diámetro apropiado. La configuración del conjunto láser permite además la aplicación de energía de forma controlada utilizando diferentes velocidades de paso en los segmentos de fusión, precalentamiento y poscalentamiento.

[0154] Como se ha descrito anteriormente, el tratamiento térmico con láser lleva a cabo preferiblemente una fusión por láser de los polvos, pero la máquina y el método descritos en el presente documento también se aplican a la sinterización por láser y a otros procesos de tratamiento térmico con láser compatibles con las características del método y la máquina, tal como se describe y reivindica.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

1. Una máquina (10) operadora de láser para la fabricación aditiva de objetos mediante un proceso de tratamiento térmico con láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, que comprende una estructura (11) de movimiento, que es móvil en un espacio (100) de trabajo que comprende una superficie (110) de trabajo, operando dicha máquina (10) según un primer sistema cartesiano de ejes de movimiento (X, Y, Z) y estando configurada para soportar un elemento (12) móvil que comprende una pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo a tratar térmicamente, un sustrato (100, 110) de trabajo, y un conjunto (20) de láser óptico para transportar un haz láser (L) para formar un punto láser (S) enfocado en dicho sustrato (100, 110) de trabajo con el fin de llevar a cabo un tratamiento térmico en dichos polvos,

en donde dicho elemento (12) móvil comprende:

una porción (12a) superior asociada de manera fija a dicha estructura (11) de movimiento, estando dicho conjunto (20) de láser óptico colocado en dicha porción (12a) superior;

una porción (12b) inferior, que comprende un conducto en uno de cuyos extremos, que da a la superficie (110) de trabajo, está dispuesto un marco (30) portaherramientas, en el que se dispone dicha pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo, y por que dichas boquillas (34) están dispuestas en dicho marco (30) de modo que los ejes longitudinales (U) del mismo forman un ángulo de inclinación (p) con respecto al eje vertical (I) de manera que los chorros (PJ) de dichas boquillas (34) se cruzan en un punto de deposición de polvo (PD),

estando situado dicho conjunto (20) de láser óptico en el elemento (12) móvil para enviar el haz láser (L) a la superficie (110) de trabajo pasando dentro de un perímetro definido por dicha pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo,

estando configurado dicho conjunto (20) óptico para enviar el haz láser (L) a través de dicho conducto (12e) y, posteriormente, dentro del perímetro de las boquillas (34), sobre dicho marco (30) portaherramientas, que en particular tiene una forma circular,

comprendiendo dicho conjunto (20) de láser óptico medios (21) de escaneo óptico para posicionar dicho punto láser (S) en el espacio (100) de trabajo, que operan según un conjunto respectivo de ejes de movimiento (a, 0, w),

caracterizada por que

dicha máquina (10) comprende medios de accionamiento para variar dicho ángulo de inclinación (p) de dichos ejes (U) longitudinales de dichas una o más boquillas (34),

las boquillas (34) están fijadas de forma giratoria, mediante pasadores (35) de rotación fijados en el marco (30), para poder girar alrededor de un eje sustancialmente tangencial al perímetro del marco (30) de tal manera que solo se varíe el ángulo de inclinación (p) con respecto al eje vertical (I),

comprendiendo dichos medios de accionamiento actuadores rotativos para hacer girar las boquillas (34) alrededor de un eje tangencial al marco (30) portaherramientas,

las boquillas (34) están dispuestas en dicho marco de modo que dicha rotación alrededor de un eje tangencial al marco (30) portaherramientas incluye al menos una posición en la que las boquillas (34) interceptan el haz láser posicionado por dichos medios (21) de escaneo óptico.

2. La máquina según la reivindicación 1, caracterizada por que dichos medios de accionamiento comprenden un primer anillo (30), representado por el marco (30), sobre el que se articula cada boquilla (34), y un segundo anillo (31), representado por un segundo marco (31) móvil en una dirección vertical (Z), que comprende un pasador (36) de rotación respectivo enganchado en una ranura (37) hecha en la boquilla (34).

3. La máquina según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que dicho marco (30) portaherramientas y dicha disposición de una pluralidad de boquillas (34) identifican un perímetro circular.

4. La máquina según la reivindicación 2, caracterizada por que dicho marco (30) portaherramientas y dicho segundo marco (31) son circulares y concéntricos y dicho segundo marco (31) tiene un diámetro mayor que dicho marco (30) portaherramientas.

5. La máquina según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que dicha porción inferior está configurada para girar dicho marco (30) alrededor de un eje del marco (Z) paralelo a un eje vertical (Z) de dicho primer sistema cartesiano de ejes (X, Y, Z).

6. La máquina según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que dichas boquillas (34, 34a) comprenden medios de precalentamiento y/o medios para inyectar un gas de proceso de soporte y protección.

7. La máquina según la reivindicación 1, caracterizada por que dicho conjunto respectivo de ejes de movimiento (a, 0, w) comprende dos ejes de rotación (0, w) de un eje (I) del haz láser (L) que incide sobre la superficie (110) de trabajo, que son perpendiculares entre sí, y un eje de traslación (a) del punto láser (S) a lo largo de dicho eje (I).

8. La máquina según la reivindicación 7, caracterizada por que dichos medios (21) de escaneo óptico comprenden dos espejos (243, 25) de orientación para orientar el haz láser (L) en un espacio cónico definido por dichos dos ejes de rotación (0, w), y un elemento (22) de colimación adaptativa para variar el diámetro y un punto de enfoque del punto láser (S) a lo largo de dicho eje de traslación (a) y el diámetro de enfoque de dicho punto láser (S) dentro de dicho espacio cónico, y un espejo (23) estacionario que dirige, en particular horizontalmente, hacia los espejos de orientación, el haz láser vertical que proviene del elemento de colimación adaptativa.

9. La máquina según la reivindicación 8, caracterizada por que una fuente láser para el proceso de tratamiento térmico está ubicada junto con el sistema de colimación y escaneo.

10. Un método para la fabricación aditiva de objetos, mediante un proceso de tratamiento térmico con láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, utilizando una máquina operadora de láser según las reivindicaciones 1 a 9, comprendiendo dicho método:

establecer una ruta de emisión de polvo (PP) para emitir, a través de dichas boquillas (34) en dicho marco (30), polvos de un material a ser térmicamente procesado sobre la superficie (110) de trabajo según la ruta de emisión de polvo (PP);

establecer una ruta de tratamiento térmico con láser (LP) para enviar, a través de dicho conjunto (20) óptico, un punto enfocado (S) de un haz láser (L) según una ruta de tratamiento térmico con láser (LP) sobre los polvos emitidos según dicha ruta de emisión de polvo (PP) para realizar su tratamiento térmico, comprendiendo dicha ruta de tratamiento térmico con láser (LP) el desplazamiento, según una trayectoria interna (lp), de dicho punto (S) también para anticipar, en una fase de precalentamiento (FP), o seguir, en una fase de poscalentamiento (FR), el punto de deposición (PD) de dichos polvos en que se lleva a cabo una etapa de tratamiento térmico (FS);

disponer dichas boquillas (34) en dicho marco (30) de modo que sus ejes (U) longitudinales formen un ángulo de inclinación (p) con respecto a dicho eje vertical (I) de manera que los chorros (PJ) de dichas boquillas (34) se crucen en un punto de deposición de polvo (PD); y

controlar los actuadores de la máquina (10) operadora de láser que están asociados a unos ejes de la máquina mediante la unidad (60) de control numérico y un módulo (63) de servocontrol, para describir unas trayectorias a través de los ejes respectivos con el fin de seguir dicha trayectoria de tratamiento térmico por láser (LP) y dicha trayectoria de emisión de polvo (PP), en donde dicha operación de control de los actuadores comprende un modo de funcionamiento en el que dichos actuadores de dicho elemento móvil (12) se controlan para variar el ángulo de inclinación (p) de dichas boquillas (34).

11. El método según la reivindicación 10, caracterizado por variar dicho ángulo de inclinación (p) de dichos ejes (U) longitudinales de dichas una o más boquillas (34) para evitar que la posición de las boquillas (34) intercepte el punto láser (S) controlado según la ruta de tratamiento térmico con láser (LP) y la trayectoria interna (lp).

12. El método según la reivindicación 11, caracterizado por variar dicho ángulo de inclinación (p) de dichos ejes (U) longitudinales de dichas una o más boquillas (34) para satisfacer una o más de las siguientes condiciones: evitar los obstáculos presentes en el espacio de trabajo (100);

variar la forma del punto de deposición de polvo (PD); y

variar la altura del punto de deposición de polvo (PD).

13. El método según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, caracterizado por que dicha operación de controlar los actuadores comprende una modalidad operativa en la que se controlan dichos actuadores de dicho elemento (12) móvil para desplazar dicho marco (30) portaherramientas de forma móvil con respecto a dicho conjunto (20) óptico, girándolo al menos alrededor del eje (Z) del marco vertical, para evitar que la posición de las boquillas (34) intercepte el punto láser (S) controlado según la ruta de tratamiento térmico con láser (LP) y la trayectoria interna (lp).