ES3055267T3 - A method for laser processing of a metallic material, based on the automatic determination of the material or processing parameters - Google Patents

Abstract

Se describe una máquina para el procesamiento láser de un material metálico y un método relacionado que comprende los pasos de (a) controlar la emisión de al menos un pulso de un haz láser de caracterización sobre una región predeterminada del material en una atmósfera de caracterización para generar un vapor metálico y/o plasma a partir del material, (b) adquirir datos espectrales representativos de un espectro de emisión óptica del vapor metálico o plasma indicativo del material que se está procesando, (c) identificar una de una pluralidad de clases predeterminadas de material o clases predeterminadas de parámetros de procesamiento correspondientes a los datos espectrales adquiridos por medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático configurados en una fase de aprendizaje supervisado a través de un conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento indicativos de clases predeterminadas de material o clases predeterminadas de parámetros de procesamiento de material, y (d) seleccionar parámetros de procesamiento actuales del material dependiendo de la clase de material o clase de parámetros de procesamiento identificados. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Un método para procesamiento láser de un material metálico, basado en la determinación automática del material o de los parámetros de procesamiento

[0003] La presente invención se refiere a procesamiento láser de un material, más específicamente de un material metálico, y en particular mejoras en un método y en una máquina para procesamiento láser de un material, más específicamente para corte, taladrado o soldadura láser de dicho material o la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales a partir de polvos de dicho material.

[0004] Más específicamente, la invención se refiere a un método para procesamiento láser de un material metálico como se especifica en el preámbulo de la reivindicación 1, que se conoce a partir del documento EP3822016. De acuerdo con un aspecto adicional, esta invención se refiere a una máquina para procesamiento láser de un material metálico, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 17.

[0005] En la siguiente descripción y reivindicaciones, el término "material metálico" se usa para identificar cualquier artículo fabricado, tal como una lámina o un perfil alargado que tiene, sin distinción, una sección transversal cerrada, por ejemplo, con una forma hueca circular, rectangular o cuadrada, o una sección transversal abierta, por ejemplo, una sección plana o una sección con forma de L, C, U, H, I, etc.

[0006] En el procesamiento industrial de materiales, y de perfiles y láminas metálicas en particular, el láser se usa como herramienta térmica para una gran variedad de aplicaciones que dependen de los parámetros de interacción del haz láser con el material que se procesa, específicamente de la densidad de energía por volumen de incidencia del haz láser sobre el material y del intervalo de tiempo de interacción.

[0007] Las máquinas de procesamiento láser son bien conocidas y comprenden máquinas de procesamiento industriales con una fuente de láser de CO<2>o de fibra dopada con iterbio, o incluso con una fuente láser de diodo directo, que está adaptada para emitir un haz láser monomodo o multimodo, con un recorrido óptico del haz láser en aire o fibra óptica. Desde la fuente de emisión, el haz láser se conduce a lo largo de un recorrido de transporte óptico del haz hasta un cabezal de procesamiento, que comprende un sistema óptico para enfocar el haz láser a lo largo de un eje de propagación óptico incidente sobre el material.

[0008] Dirigiendo un haz láser con baja densidad de energía (del orden de decenas de W por mm<2>de superficie) durante un tiempo prolongado (del orden de segundos) sobre un material metálico, se lleva a cabo un proceso de endurecimiento, mientras que dirigiendo un haz láser con alta densidad de energía (del orden de decenas de MW por mm<2>de superficie) durante un tiempo del orden de femtosegundos o picosegundos sobre el mismo material metálico, se lleva a cabo un proceso de ablación. En el rango intermedio de aumento de densidad de energía y disminución de tiempo de procesamiento, el control de estos parámetros permite llevar a cabo procesos de soldadura, corte, perforación, grabado y marcado.

[0009] La diferencia entre los diversos tipos de procesamiento que se pueden llevar a cabo en un material es por lo tanto atribuible sustancialmente a la potencia del haz láser usado y al tiempo de interacción entre el haz láser y el material que se está procesando.

[0010] También en la fabricación aditiva, el control de la potencia del haz láser y el tiempo de interacción entre el haz láser y el material es crucial para conseguir los objetivos de procesamiento, garantizando las propiedades deseadas de forma, compacidad y estabilidad de la estructura resultante.

[0011] Por lo tanto está claro que, dentro del marco de un tipo predeterminado de procesamiento, la calidad del procesamiento depende del ajuste de los parámetros de interacción del haz láser con el material que se está procesando, que a su vez dependen del tipo de material que se está procesando y las condiciones (por ejemplo, las condiciones de superficie y ambientales) en las que se está en el momento del procesamiento.

[0012] De hecho, diferentes aleaciones metálicas responden de manera diferente al haz láser de procesamiento, y se encuentran diferencias adicionales en la ejecución del proceso como resultado de las condiciones superficiales del material, tales como su estado de oxidación u otras modificaciones superficiales tales como la presencia de capas metálicas de revestimiento superficial o capas de aceites protectores, y de la atmósfera del proceso. Sin embargo, a menudo no es posible conocer con precisión la composición real de una aleación metálica, ya que puede variar con el tiempo y como resultado de las condiciones de almacenamiento con respecto a las que indica el fabricante. Además, el procesamiento de un material puede usar diferentes tipos de gases auxiliares con parámetros que dependen de manera diferente del estado de dicho material.

[0013] Por lo tanto, se siente el deseo de mejorar la calidad de los procesos industriales de procesamiento láser adaptando los parámetros de mecanizado de la manera más eficiente y rápida posible al material que se está procesando y a las condiciones de procesamiento reales.

[0014] El objeto de la presente invención es proporcionar un método para procesamiento láser de un material metálico que se optimiza para el material y las condiciones de procesamiento.

[0015] Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un método optimizado de procesamiento láser de un material metálico que puede implementarse de manera eficiente y en una línea de producción.

[0016] De acuerdo con la presente invención, estos objetos se consiguen mediante un método de procesamiento láser de un material metálico que tiene los rasgos reivindicados en la reivindicación 1.

[0017] Las realizaciones particulares forman el objeto de las reivindicaciones dependientes, cuyo contenido ha de entenderse como una parte integral de la presente descripción.

[0018] Un objeto adicional de la invención es una máquina para procesamiento láser de un material metálico como se reivindica.

[0019] En resumen, la presente invención se inspira en la consideración de que el tipo de material que se somete a procesamiento, típicamente una aleación metálica, puede deducirse -en términos cualitativos- a partir de fenómenos de emisión óptica de un vapor metálico o un plasma (o combinación de los mismos) emitido desde el material que se va a someter, o que ya se ha sometido, a procesamiento y detectado a través de la adquisición de un espectro de emisión óptica en una región espacial que circunda el material y en proximidad al mismo. El término "material que se va a someter, o que ya se ha sometido, a procesamiento" se refiere al material expuesto al haz láser de procesamiento, y de este modo a una capa superficial del material (de acabado, recubrimiento o debido a oxidación no deseada) o una capa subsuperficial que se expone en el curso del procesamiento. El término "emisión óptica" se refiere a una emisión detectable sobre un amplio espectro electromagnético, que comprende también regiones en el ultravioleta y el infrarrojo, causadas por la ionización del vapor metálico o plasma o (en el caso del infrarrojo) indicativas de emisión térmica. Los espectros recogidos se usan para la identificación del material que se va a procesar, no para la monitorización o mapeo bidimensional o tridimensional del proceso.

[0020] En particular, la invención se inspira en la técnica de caracterización espectroscópica de materiales conocidos como LIBS, espectroscopía de plasma inducido por láser, que permite la identificación de la composición química de una muestra a nivel atómico ya sea de manera cualitativa o cuantitativa (relación relativa de diferentes elementos dentro de la muestra) a través del análisis del espectro óptico obtenido creando un plasma a partir del material usando un láser.

[0021] La operación de la técnica se esquematiza en la figura 1. Un pulso láser corto L se enfoca sobre una muestra (material) M y, mediante la interacción radiación-materia, se forma una pluma de plasma P. Durante la recombinación de iones y electrones, hay una emisión de radiación R, en la banda óptica desde el ultravioleta al infrarrojo cercano: una parte de la misma es una emisión continua, la otra parte es característica de los elementos químicos que constituyen la muestra. La radiación se recoge entonces mediante una línea óptica y se conduce a un espectrómetro S en el que se divide en las diversas longitudes de onda. Esto tiene como resultado un espectro U de emisión característico del material, pero también influenciado por el láser usado y la atmósfera en la que tiene lugar el proceso. Los espectros recogidos se analizan y procesan entonces con algoritmos apropiados que también permiten rastrear cuantitativamente la composición química del material.

[0022] Los láseres usados para caracterizaciones de materiales mediante la técnica LIBS son típicamente láseres pulsados Q-switched (con conmutación Q) de alta irradiancia, 10<10>-10<15>W/cm<2>, con duraciones de pulso del orden de nanosegundos. Aunque láseres con pulsos del orden de femtosegundos se pueden usar en el laboratorio en vacío, los sistemas portátiles más comunes se basan en láseres Nd:YAG con emisión a la longitud de onda de 1064 nm en aire y que solo en algunos casos tienen la capacidad de actuar en una atmósfera inerte (tal como el argón).

[0023] El análisis y procesamiento de los espectros recogidos se hace por comparación con conjuntos de datos preexistentes o muestras estándar para la calibración fina del instrumento, por lo que se puede obtener una evaluación cuantitativa de la composición química del material.

[0024] De manera innovadora, el método de la invención usa la técnica LIBS para controlar el procesamiento láser de un material. Específicamente, el control del procesamiento láser de un material se hace seleccionando los parámetros de procesamiento del material dependiendo de la clase de material o de la clase de parámetros de procesamiento asociados con los datos espectrales característicos de la emisión óptica del vapor metálico o plasma (o una combinación de los mismos) generados por el material, es decir, identificados por reconocimiento automático a partir de tales datos espectrales, en el que el reconocimiento automático se basa en el aprendizaje supervisado de la correspondencia entre un conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento y clases relacionadas de materiales o clases de parámetros de procesamiento.

[0025] El método cubierto por la invención puede ser implementado por un sistema adaptable a una máquina de procesamiento láser, que puede integrarse fácilmente en la misma, incluso compartiendo parte del hardware físico (es decir, la fuente láser y parte del recorrido óptico destinado a realizar el procesamiento) o recursos de procesamiento ya presentes en la máquina y proporcionados para controlar el haz láser y el procesamiento láser en su conjunto. De manera ventajosa, de hecho, el método cubierto por la invención puede implementarse usando el haz láser generado por la fuente láser como herramienta de procesamiento de maneras innovadoras para generar la emisión de vapor metálico o plasma a partir del material, que es necesaria para la caracterización del mismo.

[0026] De manera ventajosa, la calidad de un proceso láser se mejora como resultado de la identificación en línea (es decir, no en vacío, sino posiblemente en una atmósfera protegida) de los parámetros de procesamiento óptimos que se aproximan mejor (o coinciden con) los parámetros de mecanizado adoptados en procesos anteriores aplicados a un material que tiene la misma (o más cercana) firma espectroscópica, es decir, el mismo (o más cercano) tipo de material que se va a procesar. La identificación en línea de los parámetros de procesamiento ya sea directamente o a través de identificación de material, se implementa de manera ventajosa inmediatamente antes del procesamiento, como para posibilitar una calibración automática y más precisa de los parámetros requeridos para procesamiento, remediar cualquier error en la indicación anterior del material y adaptar la calibración al grueso del material o al procesamiento de superficie específico.

[0027] De una manera más ventajosa, la técnica cubierta por la invención hace posible detectar a bordo de una máquina un material metálico que se está procesando durante el procesamiento láser del material y continuamente durante el proceso, sin la necesidad de tiempo de inactividad o una adquisición previa, en particular una adquisición visual por un operario, de los datos del material recibidos del proveedor.

[0028] Finalmente, la invención hace posible mejorar un proceso de procesamiento láser de materiales metálicos como resultado del reconocimiento de material directamente en la máquina, ya que hace posible identificar cualesquiera errores en la indicación anterior del material que se está procesando, evitando residuos de producción, conteniendo los costes de producción y optimizando la calidad esperada del producto acabado. Otras características y ventajas de la invención se presentarán con mayor detalle en la siguiente descripción detallada de una realización de la misma, dada a modo de ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

[0029] la figura 1, descrita anteriormente, muestra el diagrama operativo de la técnica LIBS;

[0030] las figuras 2a-2c muestran esquemáticamente tres configuraciones diferentes de una máquina para procesamiento láser de un material metálico que opera de acuerdo con el método cubierto por la invención, en las que elementos o componentes idénticos o funcionalmente equivalentes se muestran con las mismas referencias;

[0031] la figura 3 es un diagrama de flujo de las operaciones ejecutadas para la preparación de un procesamiento láser de un material metálico, de acuerdo con el método cubierto por la invención;

[0032] las figuras 4a-4e son espectros de emisión óptica de plasma de materiales ejemplares;

[0033] la figura 5 es una representación esquemática del método de clasificación preferido adoptado en el método cubierto por la invención;

[0034] la figura 6 es un trazado de proyección de datos espectrales en un espacio de clasificación bidimensional definido por dos componentes principales, representativos de cuatro clases de materiales;

[0035] la figura 7 muestra una descomposición del espacio de clasificación en la figura 5 que maximiza el margen entre las clases; y

[0036] la figura 8 muestra una nueva clase de datos espectrales dentro de la descomposición de la figura 6 en una condición de anomalía de caracterización.

[0037] La figura 1 se ha descrito anteriormente y sus contenidos están destinados a ser denominados aquí como comunes a la construcción de una máquina de procesamiento controlada para implementar un método de acuerdo con las enseñanzas de la presente invención.

[0038] La figura 2a es una representación esquemática de una máquina para procesamiento láser de un material metálico de acuerdo con la invención, en una primera configuración.

[0039] La máquina de la figura 2a incluye al menos una fuente de emisión de láser 10, adaptada para emitir un haz láser B en un medio de transporte, por ejemplo una fibra óptica 12, adaptado para conducir el haz láser de procesamiento emitido desde la fuente hacia un cabezal de procesamiento 14 ubicado en las proximidades de un material WP. El haz láser de procesamiento B es, por ejemplo, un haz láser emitido continuamente con una potencia de pico de 1 kW o más.

[0041] Una unidad de control de emisión láser 16 dispuesta para controlar los parámetros de duración de emisión y potencia del haz láser B y/o para seleccionar uno entre una pluralidad de haces láser, en el caso de múltiples fuentes, puede acoplarse a la fuente 10. En una realización, la unidad de control 16 está dispuesta de este modo para controlar la emisión de al menos un pulso de un haz láser de caracterización en una región predeterminada del material WP, que está adaptada para generar un vapor metálico y/o plasma, y una emisión óptica y térmica posterior representa la "firma" del material. Como resultado de la potencia y/o duración del pulso del haz láser de caracterización, el material experimenta un proceso de calentamiento progresivo, que tiene como resultado en parte su vaporización y posteriormente la posible excitación e ionización para formar un plasma. En el volumen de espacio que circunda el punto de incidencia del haz láser de caracterización en el material, se forma una atmósfera que puede estar presente en combinación de vapor metálico y plasma (también conocida como "pluma"), o solo uno de los mismos. El haz láser de caracterización puede generarse a partir de una fuente (no mostrada) separada de la fuente 10 y conducirse por separado al cabezal de procesamiento, donde dicho haz láser de caracterización se guía de manera ventajosa a lo largo de un recorrido óptico común al haz láser de procesamiento.

[0043] En una realización actualmente preferida, se usa una única fuente 10, y el haz láser de caracterización se obtiene mediante modulación del haz láser de procesamiento emitido continuamente, tal como emitiendo uno o más pulsos láser durante una duración de entre 10 y 200 microsegundos mediante la modulación del haz láser de procesamiento. De esta manera, se elimina el coste adicional de una segunda fuente en la máquina.

[0045] El cabezal de procesamiento 14 incluye un sistema óptico que comprende típicamente un conjunto de elementos ópticos tales como una lente de colimación 20, un espejo de conformación de haz 22, una lente de enfoque 24 y un elemento óptico protector 26.

[0047] Un dispositivo combinador óptico 28 está asociado con la fuente y está dispuesto para combinar e lanzar una pluralidad de haces láser sobre la fibra de transporte, así como para dirigir una señal óptica (emitida desde el vapor metálico o plasma del material y recogida por el sistema óptico del cabezal de procesamiento) a medios de adquisición de datos espectrales 30 tales como un espectrómetro, adaptado para adquirir datos espectrales representativos de un espectro de emisión óptica del vapor metálico o plasma generado por el haz láser de caracterización. Estos datos espectrales son indicativos del material WP sometido a procesamiento. Aunque no se muestra en la figura, el recorrido para la señal óptica aguas abajo del dispositivo combinador 28 hacia el espectrómetro 30 puede comprender un sistema óptico de colimación y filtrado.

[0049] Asociados con el cabezal de procesamiento 14 existen medios actuadores de sistema óptico identificados en la figura a modo de ejemplo como medios actuadores 32 del movimiento del espejo de conformación de haz 22 y medios actuadores 34 del ajuste de enfoque de haz que actúan sobre la lente de enfoque 24, ambos de los cuales se controlan mediante una unidad de control denotada globalmente por 36, conectada a un bus de campo 38, al que también están conectados medios de procesamiento y control 40, dispuestos para controlar la aplicación del haz láser de procesamiento a lo largo de un recorrido de procesamiento predeterminado. Controlar la aplicación del haz láser de procesamiento a lo largo de la trayectoria de procesamiento predeterminada incluye controlar la entrega de un flujo de gas auxiliar (en aplicaciones de corte) y controlar la irradiación de una distribución de potencia predeterminada del haz láser hacia un área de trabajo predeterminada por referencia a un modelo o programa de trabajo predeterminado, es decir, de acuerdo con la información de trayectoria de trabajo y los parámetros de trabajo adquiridos en forma de instrucciones de movimiento para el cabezal de procesamiento y/o del material que se está procesando, y parámetros de procesamiento físicos indicativos de la distribución de potencia del haz óptico, la intensidad de potencia del haz y los tiempos de activación del haz láser en función de la trayectoria de procesamiento. Los medios de procesamiento 40 pueden estar integrados en una única unidad de procesamiento a bordo de la máquina o implementarse en forma distribuida, por lo que comprenden módulos de procesamiento ubicados en diferentes partes de la máquina, incluyendo, por ejemplo, el cabezal de procesamiento.

[0051] Las principales ventajas de esta configuración son una instalación no intrusiva de medios de adquisición de datos espectrales, no siendo necesaria modificación o diseño dedicado del cabezal de procesamiento para alojar un espectrómetro, y un sistema global más robusto puesto que no hay instrumentación delicada cerca del área de procesamiento. Estas consideraciones hacen que la configuración sea preferible en un contexto industrial. Las emisiones a longitudes de onda más cortas que 400 nm pueden no observarse generalmente en esta configuración porque la fibra óptica 12 como medio de transporte no transmite luz en la región ultravioleta. Además, estarán presentes picos de emisión en la longitud de onda de emisión del haz láser de caracterización y procesamiento.

[0053] En una realización alternativa a la descrita que incluye el dispositivo combinador óptico 28, que se muestra en la figura 2b en la que elementos o componentes idénticos o funcionalmente equivalentes a los ilustrados en la figura 2a se muestran con las mismas referencias, los medios de adquisición de datos espectrales 30 están separados de la fuente láser e integrados en el cabezal de procesamiento 14.

[0055] En esta configuración, la señal óptica emitida desde el vapor metálico o el plasma del material es recogida por el sistema óptico del cabezal de procesamiento, que incluye el elemento óptico protector 26 y la lente de enfoque 24, y es transmitida a través de un espejo dicroico de conformación de haces 22 hacia los medios de adquisición de datos espectrales 30 integrados en el cabezal de procesamiento 14. El recorrido para la señal óptica aguas abajo del espejo dicroico 22 hacia el espectrómetro 30 puede comprender un sistema óptico de colimación y filtrado 30'.

[0057] En cada caso, la línea de recogida, que permite la adquisición de la señal óptica emitida desde el vapor metálico o plasma, incluye un espectrómetro que usa o bien una banda muy ancha (ultravioleta a infrarrojo cercano) o bien solo una parte de la misma. Alternativamente, podrían usarse medios de sensor orientados a determinar la intensidad de la señal solo a longitudes de onda predeterminadas en la banda óptica de infrarrojo cercano a ultravioleta, tales como fotodiodos múltiples.

[0059] De manera ventajosa, en las dos configuraciones descritas, la recogida de la señal óptica para los medios de adquisición de datos espectrales 20 tiene lugar de acuerdo con una configuración coaxial, en la que la señal óptica sigue al menos durante una cierta distancia el mismo recorrido de propagación óptica que el haz láser de caracterización y procesamiento, mediante el cabezal de procesamiento, incluso más ventajosamente hasta el dispositivo combinador óptico 18 asociado con la fuente. El uso del mismo sistema óptico para enfocar el haz láser de caracterización (y procesamiento) y para adquirir la emisión óptica del plasma garantiza que la emisión se recoge de la misma región del material en el que se genera el plasma.

[0061] Alternativamente, como se muestra en la figura 2c en la que elementos o componentes idénticos o funcionalmente equivalentes a los ilustrados en la figura 2a se muestran con las mismas referencias, la recogida de la señal óptica puede tener lugar fuera de eje externamente al cabezal de procesamiento mediante el posicionamiento lateral de los medios de adquisición de datos espectrales 30 a una distancia y un ángulo con respecto a la dirección de propagación definida del haz láser de caracterización y procesamiento, dependiendo del espacio disponible en la máquina. Esta configuración permite la recogida de datos espectrales que no son distorsionados ni filtrados por el sistema de conformación óptica del láser de caracterización y procesamiento por lo que se mantiene la forma natural de las emisiones, así como la posibilidad de adquirir datos espectrales también en la región ultravioleta. En cualquier caso, es preferible colocar un filtro de corte de las longitudes de onda de reflexión del haz láser sobre el material como para no saturar el espectro de emisión. De manera no ventajosa, debido a que la emisión óptica del vapor metálico o plasma a partir el material no se recoge mediante el sistema de enfoque óptico del haz láser de caracterización (y procesamiento), cualquier cambio en la posición del cabezal de procesamiento con respecto al material (por ejemplo, un cambio en la distancia de procesamiento desde el material) requiere un ajuste de la distancia y el ángulo de posicionamiento de los medios de adquisición de los datos espectrales con respecto a la dirección de propagación del haz láser de caracterización y procesamiento.

[0063] En cada una de las configuraciones descritas, medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático 42, acoplados con una memoria de registro de datos DB, dispuestos para procesar señales emitidas desde los medios de adquisición de datos espectrales 30 y para identificar una de una pluralidad de clases predeterminadas de material o clases predeterminadas de parámetros de procesamiento correspondientes a dichos datos espectrales, están conectados al bus de campo 38. Los medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático 42 están configurados en una fase de aprendizaje supervisado usando un conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento indicativas de clases predeterminadas de materiales o clases predeterminadas de parámetros de procesamiento de materiales. El conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento puede obtenerse en base a datos de placa de nombre de materiales que son el sujeto de procesamiento previo y se actualizan periódicamente, o a través de una adquisición preliminar de muestras de datos espectrales, tales como varias decenas de espectros para cada uno de los materiales disponibles. Los medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático 42 están configurados para seleccionar los parámetros de procesamiento correspondientes a la clase de parámetro de procesamiento o clase de material identificada por la memoria de registro de datos DB, que incluye un modelo de referencia indicativo de una relación nominal entre datos espectrales y clases de parámetro de procesamiento o clases de material.

[0065] En general, el término "parámetros de procesamiento" se refiere a parámetros físicos del haz láser de procesamiento y el entorno de procesamiento, por ejemplo, a al menos uno entre la tasa de repetición de los pulsos de haz láser de procesamiento, la duración de los pulsos de haz láser de procesamiento, la potencia de los pulsos de haz láser de procesamiento, la distribución de densidad de potencia del haz láser de procesamiento, la presión de un gas auxiliar o, más generalmente, a estrategias de procesamiento que incluyen uno o más de los parámetros físicos del haz láser de procesamiento y el entorno de procesamiento, así como parámetros de control del movimiento del haz de procesamiento.

[0066] Los medios de procesamiento y control 40 están dispuestos para controlar la aplicación del haz láser de procesamiento a lo largo de la trayectoria de procesamiento predeterminada de acuerdo con los parámetros de procesamiento seleccionados.

[0067] Un diagrama de flujo del método cubierto por la invención se muestra brevemente en la figura 3.

[0068] En el paso 100, la unidad de control 16, activada por los medios de procesamiento y control 40 o por los medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático 42, controla la emisión de al menos un pulso de un haz láser de caracterización en una región predeterminada del material WP en una atmósfera de caracterización, como para generar un vapor metálico y/o plasma a partir del material. En un caso particular, la atmósfera de caracterización es la misma que la atmósfera del proceso de trabajo.

[0069] La unidad de control 16 controla la emisión de al menos un pulso del haz láser de caracterización en una etapa temprana de procesamiento del material, tal como sobre una región del material destinada a someterse a corte o taladrado, o en un paso de calibración anterior al procesamiento del material, sobre un área del material no sometida a procesamiento.

[0070] La unidad de control 16 también puede controlar la emisión de al menos un pulso del haz láser de caracterización durante el procesamiento del material, de manera ventajosa en el caso en el que el haz láser de caracterización se obtiene mediante modulación del haz láser de procesamiento, posiblemente modificando la atmósfera del proceso para proporcionar, temporalmente, una atmósfera de caracterización diferente.

[0071] En el paso 200, los medios de adquisición de datos espectrales 30 adquieren los datos espectrales representativos de un espectro de emisión óptica del vapor metálico o plasma, indicativo del material WP que se está procesando.

[0072] A modo de ejemplo, los espectros de la aleación de aluminio Al 6060 (figura 4a), acero galvanizado (figura 4b) y acero inoxidable AISI 304 (figura 4c) se muestran en las figuras 4a-4c. Se pueden detectar diferentes valores de intensidad de la emisión óptica en función de las condiciones de generación del plasma por el material, tal como debido a la potencia del haz láser de caracterización o a la atmósfera del proceso y más generalmente a la máquina de procesamiento láser usada, como se muestra en la figura 4d, donde espectros de la aleación de aluminio Al 6060 en una atmósfera de oxígeno obtenida a partir de los haces láser de caracterización emitidos desde diferentes máquinas de procesamiento láser con diferentes potencias y diámetros se muestran. También se obtienen diferentes espectros en función de la condición superficial del material, tal como su estado de oxidación o su recubrimiento, como se muestra en la figura 4e donde se muestra una comparación entre los espectros del acero al carbono S235JR en condiciones normales (curva A) y el acero al carbono S235JR oxidado (curva B).

[0073] En el paso 300, los medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático 42, configurados con antelación en un paso de aprendizaje supervisado no mostrada en la figura, identifican una de una pluralidad de clases predeterminadas de material o clases predeterminadas de parámetros de procesamiento correspondientes a los datos espectrales adquiridos.

[0074] Antes de aplicar un algoritmo de reconocimiento automático a los datos espectrales, es útil normalizar dichos datos con el fin de tener datos comparables puesto que incluso en presencia de los mismos parámetros del haz láser de caracterización puede haber algún grado de variabilidad en la intensidad global de las emisiones ópticas del plasma. Debido a la normalización espectral, es posible compensar cualquier fluctuación en las intensidades de los datos espectrales adquiridos.

[0075] Cada espectro incluye una pluralidad de N líneas de emisión l(<i>) (i = 1, ..., N) adquiridas en un rango de longitud de onda predeterminado entre ultravioleta e infrarrojo (por ejemplo, entre 181 nm y 1100 nm con una resolución media de 0,56 nm).

[0076] Se pueden emplear de manera ventajosa dos procedimientos de normalización. El primero es normalizar los espectros dividiendo todas las intensidades de línea de emisión entre la intensidad máxima (en otras palabras, representando el pico máximo con el valor 1 y escalando los otros valores en consecuencia), de acuerdo con la expresión:

[0078]

[0080] El segundo procedimiento es dividir cada intensidad de las líneas de emisión por la suma de todas las intensidades (esencialmente escalando los valores respectivos con relación a la emisión total representada por el área subtendida por la curva espectral), de acuerdo con la expresión:

[0082]

[0084] I<norm>conserva la información sobre la forma del espectro que representa la firma del material y de este modo información útil que posibilita al algoritmo de reconocimiento automático realizar la clasificación.

[0085] En el paso 400, los medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático 42 seleccionan los parámetros de procesamiento actuales del material dependiendo de la clase de material o la clase de parámetro de procesamiento reconocido.

[0086] Finalmente, en el paso 500, los medios de procesamiento y control 40 controlan la irradiación del haz láser de procesamiento en un área predeterminada o a lo largo de una trayectoria de procesamiento predeterminada del material metálico de acuerdo con los parámetros de procesamiento actuales seleccionados en el paso anterior. De manera conveniente, con el fin de poder reconocer un material sobre una gran área superficial, o en un volumen de profundidad, en los que las condiciones del material pueden variar, el paso 100 se repite, en sucesión, o a intervalos de procesamiento predeterminados, por lo que la unidad de control 16 controla la emisión de una pluralidad de pulsos del haz láser de caracterización en una sucesión de regiones predeterminadas de un área de escaneado superficial bidimensional del material, o en una sucesión de regiones predeterminadas de un volumen de escaneado tridimensional del material, como para generar un vapor metálico o plasma respectivo a partir del material presente en tales regiones de escaneado. Por ejemplo, la unidad de control 16 puede controlar la emisión de una pluralidad de pulsos del haz láser de caracterización sobre una sucesión en profundidad de regiones predeterminadas de un volumen de escaneado tridimensional del material, enfocando el haz láser de caracterización sobre diferentes planos del material, como para incluir una capa superficial del material y al menos una capa subsuperficial, expuesta como resultado de la caracterización de la capa superpuesta.

[0087] Más específicamente, los medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático 44 pueden implementarse de manera ventajosa como módulos de reconocimiento y clasificación en base a técnicas de análisis de componentes principales (PCA) para la extracción de características y en sistemas de clasificación de inteligencia artificial, por ejemplo, redes neuronales o máquinas de vectores de soporte (SVM). Los datos espectrales pueden procesarse mediante técnicas estadísticas de diversos tipos, no sólo PCA sino también mediante técnicas de normalización, tales como mediante el uso de datos espectrales adquiridos a lo largo de todo el espectro de detección.

[0088] Una representación esquemática del método de clasificación mencionado anteriormente se muestra en la figura 5.

[0089] En la realización actualmente preferida, la identificación de la clase de material o de la clase de parámetros de procesamiento correspondientes a los datos espectrales adquiridos se hace transformando los datos espectrales adquiridos en un espacio de clasificación definido por variables latentes ortogonales predeterminadas que incluyen un subconjunto de variables latentes significativas predeterminadas indicativas de la varianza de los datos espectrales, y comparando el valor de una n-tupla de dichas variables latentes significativas, computadas a partir de los datos espectrales detectados, con un conjunto de valores de referencia de dicha n-tupla de variables latentes significativas, indicativas de un conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento. Los parámetros correspondientes a los parámetros de procesamiento predeterminados asociados a los valores de referencia de la n-tupla de variables latentes que tienen una relación métrica predeterminada con el valor de la ntupla de variables latentes significativas calculadas a partir de los datos espectrales detectados se seleccionan como los parámetros de procesamiento del material.

[0090] De manera ventajosa, la relación métrica predeterminada es una relación de distancia mínima.

[0091] La figura 6 muestra una proyección de los datos espectrales adquiridos en un espacio de clasificación bidimensional definido por los componentes principales identificados como PC2 y PC3, para un haz láser de caracterización específico y una atmósfera de caracterización específica, donde las muestras de datos espectrales de entrenamiento incluyen cuatro clases, respectivamente los materiales Al6060 (aluminio, magnesio, aleación de la familia del silicio), AISI304 (acero inoxidable), E220 (acero) caracterizado en atmósfera de O<2>y E220 (acero) caracterizado en atmósfera de N<2>. Como puede verse gráficamente, el espacio de los dos componentes principales PC2 y PC3 distingue claramente entre las cuatro clases de muestras de datos espectrales de entrenamiento.

[0092] La figura 7 muestra la partición espacial de los componentes principales PC2 y PC3 resultante de la aplicación del clasificador SVM. Esta partición resulta del uso de un núcleo o kernel lineal y de la función de partición que maximiza el margen entre las clases.

[0094] Como con cualquier tipo de clasificador, cada nueva medida se clasifica en una de las clases conocidas (clases usadas para entrenar el modelo), incluso si es un nuevo material o una nueva condición experimental. Es evidente en la figura 7 que hay regiones muy alejadas de los agrupamientos observados en el entrenamiento dentro de las cuales cualquier nueva observación se clasificaría de manera forzada en una de las clases conocidas, a pesar de la gran discrepancia de los datos de entrenamiento. Por lo tanto, se puede introducir un refinamiento del método extendiendo la clasificación para informar si un resultado de clasificación dado es o no fiable. Esto puede hacerse, por ejemplo, determinando automáticamente si la proyección en el espacio de los componentes principales de la nueva observación se encuentra dentro (o cerca de) del agrupamiento de datos de entrenamiento que pertenecen a la clase de asignación o se desvía de la misma una distancia mayor que un umbral predeterminado, e informando esta condición de anomalía de caracterización a un operario. El ejemplo mostrado en la figura 8 debe considerarse en el que una nueva clase de observaciones N se caracteriza por puntuaciones que se encuentran dentro de la región del espacio en la que el material se clasifica en la familia Al6060, aunque los datos espectrales adquiridos se desvían notablemente del agrupamiento correspondiente. La condición de anomalía de caracterización se verifica si la distancia de cada representación de un dato espectral adquirido, o la distancia del centro de las representaciones de los datos espectrales adquiridos en una pluralidad de observaciones, desde el centro del agrupamiento de datos espectrales de entrenamiento (o agrupamientos de todas las clases de datos espectrales de entrenamiento conocidas) es mayor que un umbral predeterminado. El principio detrás del cálculo de distancia a partir de un agrupamiento de referencia en un espacio multidimensional se basa en el mismo mecanismo subyacente al método SVM, pero en una variante del mismo conocida como SVM de una clase o descripción de datos vectoriales de soporte (SVDD), como se describe por Tax, D. M., Duin, R. P., en "Support vector data description. Machine learning", 54(1), págs. 45-66, 2004, por Ning, X., Tsung, F., "Improved design of kernel distance-based charts using support vector methods", IIE transactions, 45(4), págs.

[0095] 464-476, 2013 y a partir de Grasso M., Colosimo B.M., Semeraro Q., Pacella M., "A Comparison Study of Distribution-Free Multivariate SPC Methods for Multimode Data", Quality & Reliability Engineering International, 31(1), págs.75-96, 2015.

[0097] La condición de anomalía de caracterización puede seguirse investigando con un operario si es un material nuevo o una nueva combinación de material y atmósfera de procesamiento. Si es así, tales datos pueden añadirse al modelo de referencia como nuevas muestras de datos espectrales de entrenamiento, y el clasificador puede volver a entrenarse una vez que esté disponible un número suficiente de observaciones atribuibles a esa clase. Si no, aún podría ser útil incluir la nueva observación en el conjunto de muestras de entrenamiento para ese material para tener en cuenta la variabilidad extra que no se observó en la primera fase de entrenamiento. Esto posibilitaría un rendimiento de clasificación mejorado en el futuro. También en este caso, si el conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento se expande, es necesario reentrenar el algoritmo de clasificación y también redefinir el valor del umbral de distancia que define una condición de notificación de anomalía de caracterización.

[0099] Naturalmente, sin perjuicio del principio de la invención, las realizaciones y los detalles de ejecución pueden variar ampliamente con respecto a lo que se ha descrito e ilustrado meramente a modo de ejemplo no limitante, sin salir por ello del alcance de protección de la invención definida por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (17)

1. REIVINDICACIONES

1. Un método para procesamiento láser de un material metálico, en particular para corte, taladrado o soldadura láser de un volumen de dicho material o la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales a partir de polvos de dicho material, que comprende irradiar un haz láser de procesamiento en un área predeterminada o a lo largo de una trayectoria predeterminada para procesar el material metálico, en una atmósfera de proceso predeterminada y de acuerdo con parámetros de procesamiento actuales seleccionados en base a dicho material, que comprende un paso de:

controlar la emisión de al menos un pulso de un haz láser de caracterización en una región predeterminada del material en dicha atmósfera de proceso predeterminada como para generar un vapor metálico y/o plasma a partir del material;

y caracterizado por los pasos de:

adquirir datos espectrales representativos de un espectro de emisión óptica del vapor metálico o plasma indicativos del material que se está procesando en dicha atmósfera de proceso predeterminada;

identificar una de una pluralidad de clases predeterminadas de material o clases predeterminadas de parámetros de procesamiento correspondientes a dichos datos espectrales por medio de medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático configurados en una fase de aprendizaje supervisada usando un conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento indicativas de clases predeterminadas de material o clases predeterminadas de parámetros de procesamiento de material; y

seleccionar los parámetros de procesamiento actuales del material dependiendo de la clase de material o clase de parámetros de procesamiento identificados.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos parámetros de procesamiento predeterminados comprenden al menos una de frecuencia de repetición de los pulsos del haz láser de procesamiento, duración de los pulsos del haz láser de procesamiento, potencia de los pulsos del haz láser de procesamiento, distribución de la densidad de potencia del haz láser de procesamiento, presión de gas auxiliar.

3. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende controlar la emisión de al menos un pulso del haz láser de caracterización en una etapa temprana del procesamiento del material, sobre una región del material destinada a ser cortada o taladrada.

4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende controlar la emisión de al menos un pulso del haz láser de caracterización en un paso de calibración anterior al procesamiento del material, en un área del material no sometida a procesamiento.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 3 o 4, que comprende controlar la emisión de una pluralidad de pulsos del haz láser de caracterización sobre una sucesión de regiones predeterminadas de un área de escaneado bidimensional del material o en una sucesión de regiones predeterminadas de un volumen de escaneado tridimensional del material de una manera tal como para generar un respectivo vapor metálico o plasma a partir del material presente en dichas regiones de escaneado.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que controlar la emisión de una pluralidad de pulsos del haz láser de caracterización sobre una sucesión de regiones predeterminadas de un volumen de escaneado tridimensional del material comprende enfocar dicho haz láser sobre diferentes planos del material, incluyendo una capa superficial del material y al menos una capa subsuperficial, un primer pulso que genera un vapor metálico o plasma a partir del material de la capa superficial y al menos un segundo pulso que genera un vapor metálico o plasma a partir del material de la capa subsuperficial.

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que datos espectrales representativos del espectro de emisión óptica del vapor metálico o plasma del material se adquieren en una banda óptica entre infrarrojo cercano y ultravioleta.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que datos espectrales representativos del espectro de emisión óptica del vapor metálico o plasma del material se adquieren a longitudes de onda predeterminadas en la banda óptica entre el infrarrojo cercano y el ultravioleta.

9. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho haz láser de caracterización se obtiene mediante modulación del haz láser de procesamiento.

10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho al menos un pulso del haz láser de caracterización se emite durante una duración entre 10 y 200 microsegundos mediante modulación de un haz

láser de procesamiento emitido continuamente con una potencia de pico de 1 kW o más.

11. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicho haz láser de caracterización es guiado a lo largo de un recorrido óptico común al haz láser de procesamiento en un cabezal de procesamiento de una máquina para implementar el proceso de procesamiento láser.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, que comprende detectar el espectro de emisión óptica de vapor metálico o plasma coaxial en la dirección de propagación del haz láser de procesamiento en un cabezal de procesamiento de una máquina para implementar el proceso de procesamiento láser.

13. El método de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, que comprende detectar el espectro de emisión óptica de vapor metálico o plasma en un ángulo predeterminado con la dirección de propagación del haz láser de procesamiento en un cabezal de procesamiento de una máquina para implementar el proceso de procesamiento láser, fuera del cabezal de procesamiento.

14. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende controlar la emisión de al menos un pulso del haz láser de caracterización durante el procesamiento del material.

15. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que identificar una de una pluralidad de clases predeterminadas de material o clases de parámetros de procesamiento correspondientes a dichos datos espectrales por medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático incluye: transformar dichos datos espectrales en un espacio de clasificación definido por variables latentes ortogonales predeterminadas, incluyendo dichas variables latentes un subconjunto de variables latentes significativas predeterminadas indicativas de la varianza de dichos datos espectrales; y

comparar el valor de una n-tupla de dichas variables latentes significativas calculadas a partir de dichos datos espectrales con un conjunto de valores de referencia de dicha n-tupla de variables latentes significativas indicativas de dicho conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento,

por lo que los parámetros de procesamiento de material se seleccionan correspondiendo con los parámetros de procesamiento predeterminados asociados con los valores de referencia de dicha n-tupla de variables latentes que tienen una relación métrica predeterminada con el valor de dicha n-tupla de variables latentes significativas calculadas a partir de los datos espectrales recogidos.

16. El método de acuerdo con la reivindicación 15, en el que dicha relación métrica predeterminada es una relación de distancia mínima.

17. Una máquina para procesamiento láser de un material metálico, en particular para corte, taladrado o soldadura láser de un volumen de dicho material o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales a partir de polvos de dicho material, que comprende:

una fuente (10) para emitir un haz láser de procesamiento (B);

medios para conducir el haz láser de procesamiento (B) emitido desde dicha fuente (10) a lo largo de un recorrido óptico para transportar el haz (B) hasta un cabezal de procesamiento (14) ubicado en las proximidades de dicho material (WP); y

medios de procesamiento y control (40) dispuestos para controlar la aplicación de dicho haz láser de procesamiento (B) a lo largo de una trayectoria de procesamiento predeterminada en el material (WP), en una atmósfera de proceso predeterminada y de acuerdo con parámetros de procesamiento actuales seleccionados en base a dicho material,

caracterizada porque comprende además:

una fuente (10) de emisión de al menos un pulso de un haz láser de caracterización en una región predeterminada del material en dicha atmósfera de proceso predeterminada, como para generar un vapor metálico y/o plasma a partir del material;

medios (30) para adquirir datos espectrales representativos de un espectro de emisión óptica de vapor metálico o plasma indicativo del material que se está procesando en dicha atmósfera de proceso predeterminada; y medios de procesamiento electrónico y reconocimiento automático (42) configurados en una fase de aprendizaje supervisada por un conjunto de muestras de datos espectrales de entrenamiento indicativas de clases predeterminadas de materiales o clases predeterminadas de parámetros de procesamiento de materiales y dispuestos para identificar una de una pluralidad de clases predeterminadas de materiales o clases

predeterminadas de parámetros de procesamiento correspondientes a dichos datos espectrales adquiridos,

por lo que dichos medios de procesamiento y control (40) están dispuestos para controlar la aplicación de dicho haz láser de procesamiento (B) de acuerdo con parámetros de procesamiento actuales seleccionados dependiendo de la clase de material o de la clase de parámetros de procesamiento identificados.