BR112021012547A2

BR112021012547A2 - Método e sistema para aquecer usando um feixe de energia

Info

Publication number: BR112021012547A2
Application number: BR112021012547-7A
Authority: BR
Inventors: Jose Juan Gabilondo
Original assignee: Etxe-Tar, S.A.
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-09-14
Also published as: CN113423847B; EP3902932A1; CA3124602A1; ES2962733T3; EP4234149A3; MX2021007729A; CN118048511A; US20220088706A1; WO2020136110A1; EP3902932B1; CN113423847A; EP4234149A2; EP3674427A1

Abstract

método e sistema para aquecer usando um feixe de energia. trata-se de um método para tratamento térmico de um objeto de chapa de metal, que compreende a etapa de aquecer pelo menos uma porção selecionada do objeto (100) usando um feixe de energia (2). o feixe (2) é projetado sobre uma superfície do objeto (100) a fim de produzir um ponto primário (2a) no objeto, sendo o feixe repetitivamente escaneado em duas dimensões de acordo com um padrão de escaneamento a fim de estabelecer um ponto efetivo (21) no objeto, sendo que o ponto efetivo tem uma distribuição de energia bidimensional. o ponto efetivo (21) é deslocado em relação à superfície do objeto (100) para aquecer progressivamente a dita pelo menos uma porção selecionada do objeto. o padrão de escaneamento compreende uma pluralidade de segmentos curvos interconectados.

Description

“MÉTODO E SISTEMA PARA AQUECER USANDO UM FEIXE DE ENERGIA” CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção se refere ao aquecimento de um objeto usando um feixe de energia, como um feixe de luz.

ESTADO DA TÉCNICA

[0002] É conhecido na técnica o aquecimento de objetos através do direcionamento de um feixe de energia, como um feixe de luz, por exemplo, um feixe de laser, sobre o objeto. Por exemplo, é bem conhecido na técnica o endurecimento de materiais ferrosos, como aço (por exemplo, aço com médio teor de carbono), através do aquecimento do material até uma alta temperatura, abaixo de sua temperatura de fusão, e subsequentemente extinguindo-o, ou seja, resfriando-o de modo suficientemente rápido para formar martensita dura. O aquecimento pode acontecer em fornos ou através de aquecimento por indução, e o resfriamento pode acontecer através da aplicação de um fluido de resfriamento, como água ou água misturada com outros componentes. Também é conhecido o uso de um feixe de energia como um feixe de luz para realizar determinados processos de endurecimento, por exemplo, em relação a produtos complexos como virabrequins. Os virabrequins têm superfícies complexas e requisitos muito elevados de resistência ao desgaste durante o uso. Por exemplo, o documento WO-2014/037281-A2 explica como um feixe de laser pode ser usado, por exemplo, para o endurecimento das superfícies de munhões de um virabrequim, sem produzir superaquecimento das áreas adjacentes aos orifícios de lubrificação de óleo. Além disso, outros objetos podem ser tratados por calor através de métodos e sistemas de acordo com aqueles ensinados no documento WO-2014/037281-A2, cujo conteúdo está incorporado no presente documento a título de referência. O documento WO-2014/037281-A1 discute, entre outros, como uma peça de trabalho pode ser seletivamente aquecida projetando-se um feixe sobre uma superfície da peça de trabalho a fim de produzir um ponto primário na superfície, sendo o feixe repetitivamente escaneado em duas dimensões de acordo com um padrão de escaneamento a fim de estabelecer um ponto efetivo na superfície da peça de trabalho, sendo que esse ponto efetivo tem uma distribuição de energia bidimensional. Esse ponto efetivo é deslocado em relação à superfície da peça de trabalho para progressivamente aquecer uma porção selecionada da peça de trabalho. Em algumas modalidades, a distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo é dinamicamente adaptada durante o deslocamento do ponto efetivo em relação à superfície da peça de trabalho.

[0003] O documento WO-2015/135715-A1, cujo conteúdo está incorporado no presente documento a título de referência, discute, entre outros, como, no contexto desse tipo de técnica para endurecimento a laser, diferentes padrões de escaneamento podem ser usados. As modalidades ilustradas incluem padrões de escaneamento com segmentos que são perpendiculares entre si. Uma modalidade ilustrada apresenta um padrão de escaneamento substancialmente conformado como um “8 digital”.

[0004] Verificou-se que a técnica para aquecer usando um feixe de energia como sugerido nos documentos WO- 2014/037281-A1 e WO-2015/135715-A1 pode ser usada para outras aplicações além do endurecimento de peças de trabalho. Por exemplo, o documento WO-2016/026706-A1, cujo conteúdo está incorporado no presente documento a título de referência, ensina como a técnica pode ser usada para fabricação aditiva. O documento WO-2016/146646-A1, cujo conteúdo está incorporado a título de referência, ensina como a técnica pode ser usada para tratamento térmico de chapas de metal. Outras aplicações incluem a fundição de objetos, por exemplo, para unir dois ou mais componentes de um objeto, como descrito no documento WO-2018/054850-A1, cujo conteúdo está incorporado no presente documento a título de referência.

[0005] Constatou-se que as técnicas descritas nos pedidos de patente supracitados envolvem vantagens substanciais em termos de flexibilidade, adaptabilidade, qualidade do produto e produtividade.

[0006] O documento WO-2013/167240-A1 revela um método e dispositivo para fundição a laser envolvendo um movimento de escaneamento bidimensional de um feixe de laser sobreposto a um movimento básico do feixe ao longo do trajeto onde a costura de solda deve ser estabelecida.

[0007] O documento WO-2016/180736-A1 revela exemplos de tratamentos térmicos a laser envolvendo o uso de um ponto efetivo criado através do escaneamento de um feixe de laser.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0008] Os pedidos de patente supracitados revelam uma variedade de padrões de escaneamento, por exemplo, padrões de escaneamento que compreendem uma pluralidade de linhas paralelas, e padrões de escaneamento nos quais o ponto efetivo segue uma trajetória envolvendo mudanças repentinas da direção, que correspondem a cantos agudos no padrão, por exemplo, mudanças na direção em 90 graus como mostrado em algumas das modalidades descritas e ilustradas no documento WO-2015/135715-A1.

[0009] Em muitas implementações práticas, o padrão de escaneamento é repetido com uma alta frequência, como com uma frequência de mais de 10 Hz, por exemplo, mais de 25 Hz, mais de 100 Hz etc. O escaneamento pode ser realizado com o uso de escâneres que operam através do deslocamento de membros mecânicos, como espelhos ou elementos semelhantes, que servem para refletir o feixe. Por exemplo, feixes de laser podem ser escaneados com o uso de espelhos ou membros semelhantes que são seletivamente deslocados de acordo um ou mais eixos geométricos por acionamentos eletricamente controlados. Tipicamente, os chamados escâneres galvanométricos podem ser usados. Agora, embora os escâneres tenham sido substancialmente aprimorados durante as últimas décadas, altas velocidades de escaneamento ainda envolvem dificuldades. As altas taxas de repetição de padrões de escaneamento envolvendo mudanças repentinas na velocidade e/ou direção podem se tornar impossíveis ou requerer equipamento muito dispendioso. Isso pode acontecer ainda mais em aplicações industriais com o uso de feixes de alta potência, como feixes de luz que apresentam níveis de potência de vários kW, requerendo o uso de espelhos relativamente pesados.

[0010] Além disso, mesmo que um escâner teoricamente seja capaz de realizar um dado padrão de escaneamento em uma dada frequência, as acelerações e desacelerações podem envolver tensões e torques que podem acabar danificando o escâner, especialmente se o escaneamento for realizado por uma quantidade substancial de tempo, que é frequentemente o caso em aplicações industriais. Além disso, erros de processo como desvios do padrão a ser seguido pelo feixe são mais prováveis de ocorrer se o escâner for acionado próximo aos seus limites dinâmicos teóricos. Esses tipos de erros de processo podem ter consequências sérias na qualidade e produtividade. Assim, a fim de possibilitar o uso de um dado processo industrialmente, a ocorrência de erros sérios de processo deve ser minimizada.

[0011] Um primeiro aspecto da invenção se refere a um método para aquecer pelo menos uma porção selecionada de um objeto, que compreende as etapas de projetar um feixe de energia sobre uma superfície do objeto a fim de produzir um ponto primário na superfície, e escanear repetitivamente o feixe em duas dimensões de acordo com um padrão de escaneamento a fim de estabelecer um ponto efetivo na superfície, sendo que o ponto efetivo tem uma distribuição de energia bidimensional, deslocar o ponto efetivo em relação à superfície do objeto para aquecer progressivamente a pelo menos uma porção selecionada do objeto; em que o padrão de escaneamento compreende uma pluralidade de segmentos curvos interconectados.

[0012] Assim, contrariamente a padrões de escaneamento como o padrão de “8 digital” conhecido a partir do documento WO-2015/135715-A1, ou o padrão com oito segmentos retos formando um circuito fechado, cada segmento que forma um canto agudo com os dois segmentos adjacentes, como conhecido a partir da figura 9 do documento WO-2014/037281- A2, o método da invenção usa um padrão de escaneamento que compreende uma pluralidade de porções ou segmentos curvos. Os segmentos curvos podem ser interconectados por outros segmentos curvos e/ou por segmentos retos.

[0013] No presente contexto, referências ao padrão de escaneamento e seu formato se referem ao padrão de escaneamento bidimensional seguido pelo ponto primário quando projetado sobre uma superfície plana (por exemplo, no plano x/y) substancialmente perpendicular ao feixe de luz, em vez do padrão realmente seguido pelo ponto primário na superfície do objeto; por exemplo, a superfície pode incluir dobras ou curvaturas agudas que obviamente afetarão o trajeto realmente seguido pelo ponto primário em três dimensões. Ou seja, o “padrão de escaneamento” se refere ao padrão seguido pelo feixe em vez do padrão realmente seguido pelo ponto primário na superfície física do objeto sobre o qual o feixe é projetado. Essa distinção é importante, pois o que é principalmente relevante no que se refere aos limites dinâmicos do escâner é o escaneamento do feixe que é realizado pelo escâner.

[0014] A expressão “segmento curvo” se refere a um segmento onde há uma mudança contínua na tangente para o padrão de escaneamento ao longo do padrão de escaneamento, mas sem quaisquer “cantos agudos” onde a tangente é indefinida.

[0015] O deslocamento do ponto efetivo em relação à superfície do objeto pode ser realizado de acordo com um trajeto adequado. Ou seja, o ponto real/primário, ou seja, o ponto que é produzido pelo feixe em qualquer momento dado, é escaneado de acordo com o padrão de escaneamento para criar o ponto efetivo, e esse ponto efetivo é deslocado de acordo com o trajeto. Assim, dois tipos de movimento são combinados ou sobrepostos: o movimento do ponto primário de acordo com o padrão de escaneamento, e o movimento do ponto efetivo de acordo com o trajeto, que em algumas modalidades da invenção pode ser uma simples linha reta e que em outras modalidades pode apresentar um formato mais ou menos complexo, incluindo uma ou mais curvas, por exemplo.

[0016] O termo “distribuição de energia bidimensional” se refere à maneira que a energia aplicada pelo feixe de energia é distribuída pelo ponto efetivo, por exemplo, durante uma varredura do feixe ao longo do padrão de escaneamento. Quando o ponto efetivo é projetado sobre uma área ou porção não plana, como uma área ou porção curva como uma área ou porção ou que apresenta dobras, o termo “distribuição de energia bidimensional” se refere a como a energia é distribuída ao longo e através da superfície do objeto, ou seja, à distribuição de energia ao longo e através do ponto efetivo como projetado sobre a superfície do objeto.

[0017] O método permite um aquecimento relativamente rápido de uma área substancial da superfície do objeto, devido ao fato de que o ponto efetivo pode ter um tamanho substancial, como, por exemplo, mais de 4, 10, 15, 20 ou 25 vezes o tamanho (área) do ponto primário. Assim, o aquecimento de uma determinada região ou área do objeto até um ponto desejado em termos de temperatura e duração pode ser alcançado mais rapidamente do que se o aquecimento for realizado simplesmente deslocando-se o ponto primário por toda a área, por exemplo, seguindo um padrão senoidal ou sinuoso, ou uma linha reta. O uso de um ponto efetivo que tem uma área relativamente grande permite alta produtividade enquanto ainda permite que a porção ou porções relevantes da superfície sejam aquecidas por uma quantidade relativamente substancial de tempo, permitindo, desse modo, por exemplo, um aquecimento menos agressivo sem comprometer a produtividade.

[0018] O ponto primário pode ter uma área substancialmente menor do que aquela do ponto efetivo. Por exemplo, em algumas modalidades da invenção, o ponto primário tem um tamanho de menos de 4 mm2, como menos de 3 mm2, pelo menos durante parte do processo. O tamanho do ponto primário pode ser modificado durante o processo, a fim de otimizar o modo como cada porção específica do objeto está sendo tratada por calor, em termos de qualidade e produtividade.

[0019] Por outro lado, o uso de um ponto efetivo criado através do escaneamento do ponto primário repetitivamente em duas dimensões de acordo com um padrão de escaneamento, possibilita o estabelecimento de um ponto efetivo que tem uma distribuição de energia bidimensional selecionada, que é substancialmente independente da óptica específica (lentes, espelhos etc.) que está sendo usada, e que pode ser ajustada e adaptada para proporcionar um aquecimento intensificado ou otimizado, de diferentes pontos de vista, incluindo a velocidade com que o tratamento térmico é concluído (por exemplo, em termos de cm2 por minuto ou em termos de unidades terminadas por hora) e qualidade. Por exemplo, o calor pode ser distribuído de modo que uma porção dianteira do ponto efetivo tenha uma densidade de energia mais elevada do que uma porção traseira, reduzindo, assim, o tempo necessário para alcançar uma temperatura desejada da superfície, ao passo que a porção traseira pode servir para manter o aquecimento por uma quantidade de tempo suficiente para alcançar uma profundidade e/ou qualidade desejadas, otimizando, assim, a velocidade com que o ponto efetivo pode ser deslocado em relação à superfície do objeto, sem renunciar à qualidade do tratamento térmico.

Além disso, a distribuição de energia bidimensional pode ser adaptada em relação aos lados do ponto efetivo, dependendo das características do objeto, por exemplo, a fim de aplicar menos calor em áreas adjacentes a um canto do objeto ou uma abertura no objeto, onde o resfriamento devido à transferência de calor é mais lento, ou a fim de aplicar menos calor em áreas que já apresentam uma temperatura relativamente alta, por exemplo, devido ao aquecimento que aconteceu recentemente.

Além disso, o ponto efetivo pode ser adaptado de acordo com o formato tridimensional do objeto, por exemplo, para adaptar o aquecimento à curvatura, largura etc., do objeto na área que está sendo aquecida, e à configuração da porção do objeto que deve ser aquecida.

O formato do ponto efetivo e/ou a distribuição de energia bidimensional pode ser adaptada sempre que for necessário, adaptando, assim, o processo à parte específica do objeto que deve ser aquecida em qualquer momento dado.

Em algumas modalidades da invenção, a distribuição de energia bidimensional pode ser variada como uma função do respectivo local de irradiação no objeto, considerando, por exemplo, a capacidade de remoção de calor de uma região circundante. Em algumas modalidades da invenção, a distribuição de energia bidimensional pode ser variada considerando as características desejadas do objeto em diferentes regiões do produto, como diferentes requisitos na dureza, rigidez, maciez, ductilidade etc.

[0020] Adicionalmente, o uso do ponto efetivo, criado pelo escaneamento do ponto primário em duas dimensões, aumenta a flexibilidade em termos, por exemplo, da adaptação de um sistema a diferentes objetos a serem produzidos. Por exemplo, a necessidade de substituir ou adaptar a óptica envolvida pode ser reduzida ou eliminada. A adaptação pode mais frequentemente ser realizada, pelo menos em parte, através de mera adaptação do software que controla o escaneamento do ponto primário e, assim, a distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo.

[0021] Em muitos sistemas da técnica anterior para aquecer um objeto usando um feixe de energia, a área que está sendo aquecida a cada momento substancialmente correspondia ao ponto primário projetado pelo feixe sobre a superfície. Ou seja, em muitas disposições da técnica anterior, a área que está sendo aquecida a cada momento tem um tamanho que substancialmente corresponde àquele do ponto primário, e a largura do trajeto que está sendo aquecido substancialmente corresponde à largura do ponto primário na direção perpendicular à direção em que o ponto primário está sendo deslocado, que por sua vez é determinada pela fonte do feixe e os meios para conformá-lo, por exemplo, no caso de um laser, pela fonte de laser e a óptica usada. Às vezes, o trajeto é ampliado oscilando-se adicionalmente o feixe, por exemplo, perpendicularmente ao trajeto.

[0022] Naturalmente, a presente invenção não exclui a possibilidade de realizar parte da operação de aquecimento com o ponto primário de um modo convencional. Por exemplo, o ponto primário pode ser deslocado para realizar o aquecimento em correspondência com o perfil ou contorno de uma região a ser aquecida, ou para realizar o aquecimento de determinados detalhes do objeto que está sendo aquecido, ao passo que o ponto efetivo descrito acima pode ser usado para realizar o aquecimento de outras partes ou regiões do objeto, como a porção principal ou interior de uma região a ser aquecida. O versado escolherá em que medida o ponto efetivo, em vez do ponto primário, será usado para realizar o aquecimento, dependendo de questões como a produtividade e a necessidade de ajustar com cuidado o perfil de uma região a ser aquecida ou uma determinada porção de um objeto que está sendo submetida ao aquecimento. Por exemplo, é possível usar o ponto primário para delinear uma região a ser aquecida, enquanto o ponto efetivo é usado para aquecer a superfície dentro da região delineada. Em algumas modalidades da invenção, durante o processo, o padrão de escaneamento pode ser modificado para reduzir o tamanho do ponto efetivo até que acabe correspondendo ao ponto primário e vice-versa.

[0023] Ou seja, não é necessário usar o ponto efetivo para realizar todo o aquecimento que precisa acontecer durante o processo. No entanto, pelo menos parte do processo é realizada com o uso do ponto efetivo descrito acima. Por exemplo, pode ser preferencial que durante pelo menos 50 %, 70 %, 80 % ou 90 % do tempo durante o qual o feixe é aplicado ao objeto, ele seja aplicado a fim de estabelecer o ponto efetivo como explicado acima, ou seja, escaneando-se repetitivamente o ponto primário de acordo com o padrão de escaneamento, sendo esse escaneamento sobreposto ao movimento do ponto efetivo em relação ao objeto, ou seja, ao longo do trajeto.

[0024] O aquecimento pode ser para o propósito de qualquer tipo de tratamento térmico, como endurecimento de superfície, soldagem, solidificação etc. O objeto pode ser qualquer tipo adequado de objeto em qualquer forma adequada, incluindo forma de pó ou semelhante, que pode frequentemente ser o caso no contexto de fabricação aditiva. Por exemplo, o objeto pode ser um objeto de chapa de metal, ou qualquer outro tipo de objeto. O objeto pode ser de metal ou de qualquer outro material. O objeto não precisa ser uma única peça de trabalho, mas pode compreender várias partes, por exemplo, duas ou mais partes a serem fundidas uma à outra através do aquecimento realizado de modo total ou parcial pelo feixe. Assim, o termo “objeto” não deve ser interpretado em um sentido estreito. A superfície do objeto pode incluir aberturas ou vãos. Isso pode, por exemplo, ocorrer quando a superfície compreende porções relacionadas a diferentes objetos, em que um espaço pode existir entre os objetos. Esse é, por exemplo, frequentemente o caso quando duas partes devem ser fundidas uma à outra, em que uma das partes pode ser distanciada da outra parte em correspondência com pelo menos parte da interface onde uma costura de solda deve ser estabelecida. Em algumas modalidades, a superfície é plana,

ao passo que em outras modalidades ela apresenta um formato tridimensional.

[0025] Por exemplo, um ou mais layouts de padrão de escaneamento básicos podem ser usados como um ponto de partida. Tais layouts podem ser usados para definir um ou mais padrões de escaneamento através da reconformação e redimensionamento do layout básico de acordo com o que é desejado para um dado processo. A conformação e o dimensionamento podem, por exemplo, ser realizados fixando- se as posições de pontos de controle do layout selecionado em relação a um sistema de coordenadas. A distribuição de energia bidimensional é determinada ainda por parâmetros adicionais como velocidade de escaneamento e/ou potência de feixe, que em algumas modalidades da invenção pode ser definida de modo diferente em relação a diferentes segmentos do padrão de escaneamento, por exemplo, segmentos determinados pelos pontos de controle. Diferentes padrões de escaneamento e/ou diferentes parâmetros como potência de feixe e velocidade de escaneamento podem ser atribuídos a diferentes porções do trajeto (a serem) seguidas pelo ponto efetivo.

[0026] Em algumas modalidades da invenção, a tangente para o padrão de escaneamento é definida em correspondência com todos os pontos do padrão de escaneamento. Ou seja, o padrão de escaneamento não apresenta nenhum “canto agudo” ou “dobra aguda”, como nos padrões de escaneamento da técnica anterior, em que um segmento reto segue outro segmento reto, como discutido acima. Assim, de acordo com essas modalidades da invenção, não há “dobras agudas”, e isso pode ajudar a reduzir substancialmente os estresses sofridos pelos componentes mecânicos do escâner durante a operação em alta velocidade.

[0027] Em algumas modalidades da invenção, o padrão de escaneamento não compreende nenhum segmento reto. Por exemplo, a curva pode ser uma curva spline, por exemplo, definida por um conjunto de pontos de controle. Por exemplo, a curva pode ser uma curva de interpolação ou uma curva de aproximação definida por esses pontos de controle. O uso de pontos de controle para definir a curva pode ser prático para permitir que um operador defina uma distribuição de energia desejada para o ponto efetivo, levando características do objeto em consideração. Como explicado acima, um layout de padrão básico pode ser reconformado e redimensionado com o uso desse tipo de pontos de controle.

[0028] Em algumas modalidades da invenção, o padrão de escaneamento compreende segmentos curvos e retos, e o comprimento total de todos os segmentos curvos é maior do que o comprimento total de todos os segmentos retos. Ou seja, a soma do comprimento de todos os segmentos curvos é maior do que a soma do comprimento de todos os segmentos retos, havendo pelo menos um segmento curvo e um reto. Verificou-se que uma quantidade substancial de segmentos curvos pode ser útil para estabelecer um padrão que proporciona cobertura de superfície adequada enquanto minimiza as mudanças abruptas no movimento dos componentes do escâner. Agora, às vezes, os segmentos retos podem ser úteis para interconectar os segmentos curvos.

[0029] Em algumas modalidades da invenção, o padrão de escaneamento compreende pelo menos um ponto onde um segmento do padrão de escaneamento cruza outro segmento do padrão de escaneamento. Verificou-se que esse tipo de padrões de escaneamento envolvidos, com um ou mais segmentos cruzando um ou mais outros segmentos, pode ser útil para alcançar uma distribuição de energia bidimensional desejada e complexa, sem qualquer necessidade de mudanças repentinas e abruptas de direção do feixe movimento durante o escaneamento.

[0030] Em algumas modalidades da invenção, em correspondência com pelo menos um primeiro segmento que cruza outro segmento, a velocidade de movimento do feixe ao longo do primeiro segmento é mais elevada em um primeiro ponto, onde o primeiro segmento cruza o outro segmento, do que em um segundo ponto distante do primeiro ponto. Se a velocidade do movimento do feixe é constante através de todo o padrão de escaneamento, mais calor pode ser aplicado onde os feixes se cruzam ou passam próximo um do outro. Se isso não for desejado, a velocidade do movimento do feixe ao longo do padrão de escaneamento pode ser modulada, a fim de ajustar a distribuição de energia bidimensional e evitar uma aplicação excessiva de energia em determinadas posições onde os segmentos do padrão de escaneamento se cruzam ou passam próximo um do outro.

[0031] Em algumas modalidades da invenção, o padrão de escaneamento compreende uma pluralidade de lóbulos, como dois, três, quatro ou mais lóbulos. Verificou-se que o uso de um padrão de escaneamento com um número de lóbulos que apresentam um formato curvo pode ser útil para alcançar uma distribuição de energia determinável de modo flexível sem quaisquer mudanças bruscas na trajetória do feixe ao longo do padrão de escaneamento. Em algumas modalidades um ou mais dos lóbulos, como todos os lóbulos, são fechados no sentido de que o respectivo lóbulo é definido por uma porção do padrão de escaneamento que circunda completamente uma área. Constatou-se que o uso de lóbulos curvos é adequado para fornecer um ponto efetivo que aquece de modo eficaz uma área relativamente grande enquanto requer um comprimento geral relativamente pequeno do padrão de escaneamento, ou seja, do trajeto seguido pelo ponto primário durante uma varredura ao longo do padrão de escaneamento. O perfil de cada lóbulo preferencialmente circunda pelo menos um ponto dentro do lóbulo em mais de 180°, mais preferencialmente em mais de 270°, como em mais de 300°, por exemplo, em mais de 330°.

[0032] Isso não significa que o padrão de escaneamento precisa apresentar lóbulos durante todo o processo de tratamento térmico: no entanto, nessas modalidades, os lóbulos referenciados acima precisam estar presentes durante pelo menos parte do processo, como durante 10 %, 50 %, 90 % ou mais da duração do processo.

[0033] Em algumas modalidades da invenção, o padrão de escaneamento compreende pelo menos três lóbulos, como pelo menos quatro, cinco ou seis lóbulos.

[0034] Em algumas modalidades da invenção, o número de lóbulos e/ou o formato dos lóbulos é variado enquanto o ponto efetivo é deslocado em relação à superfície do objeto. A modificação do número de lóbulos e/ou o formato dos lóbulos pode servir para adaptar a distribuição de energia bidimensional a variações no objeto ao longo do trajeto seguido pelo ponto efetivo, por exemplo, para acomodar aberturas, vãos, mais subporções sensíveis ao calor, porções que requerem uma maior entrada de energia etc.

[0035] Em algumas modalidades da invenção, o padrão de escaneamento compreende ou consiste em uma curva spline. Uma curva spline é uma representação matemática que permite que um usuário projete e controle o formato das curvas, incluindo curvas relativamente complexas, por meio de uma interface. Um usuário pode, por exemplo, definir uma série de pontos por meio de uma interface, e um dispositivo de computador pode então construir uma curva que segue a série de pontos, frequentemente chamados de pontos de controle. Às vezes, uma curva que passa através dos pontos de controle é chamada de “curva de interpolação”, ao passo que uma curva que passa próximo aos pontos de controle, mas não necessariamente através deles é chamada de “curva de aproximação”. Verificou-se que essa abordagem permite que os usuários projetem padrões de escaneamento apropriados através da seleção de pontos em um plano bidimensional.

[0036] Uma curva suave sem quaisquer cantos agudos pode então ser estabelecida com o uso de software de computador adequado, por exemplo.

[0037] Assim, o uso de curvas spline pode facilitar a criação de padrões de escaneamento favoráveis ao escâner adequados, incluindo padrões de escaneamento assimétricos.

[0038] Em algumas modalidades da invenção, a distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo é dinamicamente adaptada durante o deslocamento do ponto efetivo em relação à superfície do objeto. Desse modo, a adaptação do ponto efetivo à área ou região do objeto que está atualmente sendo aquecida pode ser alcançada. A expressão “adaptação dinâmica” se destina a denotar o fato de que a adaptação pode acontecer dinamicamente durante o deslocamento do ponto efetivo. Diferentes meios podem ser usados para alcançar esse tipo de adaptação dinâmica, alguns dos quais são mencionados abaixo. Por exemplo, em algumas modalidades da invenção, o sistema de escaneamento pode ser operado para alcançar a adaptação dinâmica (por exemplo, através da adaptação da operação de espelhos galvânicos ou outros meios de escaneamento, a fim de modificar o padrão de escaneamento e/ou a velocidade do ponto primário ao longo do padrão de escaneamento ou ao longo de um ou mais segmentos ou porções dos mesmos), e/ou a potência de feixe e/ou o tamanho do ponto primário pode ser adaptado. O controle de circuito aberto ou circuito fechado pode ser usado para controlar a adaptação dinâmica. A adaptação dinâmica pode afetar a maneira que a energia é distribuída dentro de uma dada área do ponto efetivo, e/ou o formato real do ponto de laser efetivo e, assim, o formato da área que está sendo aquecida em qualquer momento dado (desconsiderando o fato de que o ponto primário está se movendo, e apenas considerando o ponto efetivo). Por exemplo, o comprimento e/ou a largura do ponto efetivo pode ser adaptado dinamicamente durante o processo. Assim, através dessa adaptação dinâmica, a distribuição de energia bidimensional pode ser diferente em relação a diferentes porções da superfície do objeto.

[0039] Em algumas modalidades da invenção, a adaptação da distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo (21) é realizada, por exemplo, ao:

- Adaptar a potência do feixe (2), como ao ativar e desativar seletivamente o feixe (isso inclui interrupção do feixe em sua fonte, bem como outras opções como interrupção do feixe através de interferência da trajetória do feixe, por exemplo, com um obturador, e combinações dos mesmos. Por exemplo, durante o uso de um laser como um laser de fibra, o feixe de laser pode ser ligado e desligado muito rapidamente, possibilitando, assim, a obtenção de uma distribuição de energia desejada ao ativar e desativar o feixe de laser enquanto se segue o padrão de escaneamento. Assim, o aquecimento pode ser alcançado ligando-se o feixe de laser durante determinadas linhas ou partes de linhas do padrão de escaneamento. Por exemplo, uma abordagem pixelizada pode ser adotada, de acordo com a possibilidade de a distribuição de energia bidimensional ser determinada pelo estado ligado/desligado do laser durante as diferentes porções ou segmentos do padrão de escaneamento. E/ou - Adaptar o padrão de escaneamento, por exemplo, ao adaptar seu tamanho e/ou formato, por exemplo, ao mudar o formato dos lóbulos e/ou o número de lóbulos do mesmo, apenas para dar alguns exemplos. E/ou - Ao adaptar a velocidade com que o ponto primário se move ao longo de pelo menos uma porção do padrão de escaneamento.

[0040] Ou seja, a distribuição de energia bidimensional pode ser adaptada através da adaptação, por exemplo, da potência do feixe -por exemplo, comutando-se entre diferentes estados de potência como entre ligada e desligada-, e/ou através da adaptação do padrão de escaneamento -por exemplo, adicionando ou omitindo segmentos, ou modificando a orientação de segmentos, ou mudando completamente de um padrão para outro-, e/ou através da adaptação da velocidade com que o feixe se move ao longo do padrão de escaneamento, como ao longo de um ou mais segmentos do mesmo. A escolha entre diferentes meios para adaptar a distribuição de energia bidimensional pode ser feita com base em circunstâncias como a capacidade do equipamento de rapidamente mudar entre os estados de potência do feixe, e na capacidade do escâner de modificar o padrão a ser seguido e/ou a velocidade com que o ponto primário se move ao longo do padrão de escaneamento.

[0041] Em algumas modalidades da invenção, o feixe é deslocado ao longo do dito padrão de escaneamento sem ligar e desligar o feixe e/ou enquanto mantém a potência do feixe substancialmente constante. Isso possibilita a realização do escaneamento em uma alta velocidade sem considerar a capacidade do equipamento, como um equipamento de laser, de comutar entre diferentes níveis de potência, como entre ligado e desligado, e possibilita o uso de equipamento que pode não proporcionar comutação tão rápida entre os níveis de potência. Além disso, proporciona uso eficiente da potência de saída disponível, ou seja, da capacidade do equipamento em termos de potência. Assim, a adaptação de velocidade de escaneamento e/ou padrão de escaneamento pode frequentemente ser preferencial em relação à adaptação de potência de feixe.

[0042] Em algumas modalidades da invenção, o foco do feixe e/ou o tamanho do ponto primário são dinamicamente adaptados durante o deslocamento do ponto primário ao longo do padrão de escaneamento e/ou durante o deslocamento do ponto efetivo em relação à superfície do objeto. Em algumas modalidades da invenção, o foco do feixe é dinamicamente adaptado durante o deslocamento do ponto primário ao longo do padrão de escaneamento e/ou durante o deslocamento do ponto efetivo em relação ao objeto. Por exemplo, quando um feixe de laser é usado, o foco de laser ao longo do eixo geométrico óptico pode ser dinamicamente modificado durante o processo, por exemplo, a fim de variar ou manter o tamanho do ponto de laser primário enquanto ele está sendo deslocado ao longo do padrão de escaneamento, e/ou enquanto o ponto de laser efetivo está sendo deslocado em relação à superfície do objeto. Por exemplo, o foco óptico pode ser adaptado para manter o tamanho do ponto primário constante enquanto o ponto primário está se movendo pela superfície do objeto (por exemplo, para compensar a variação das distâncias entre a fonte de laser ou o escâner e a posição do ponto de laser primário na superfície do objeto).

[0043] Em algumas modalidades da invenção, o tamanho do ponto primário é dinamicamente adaptado durante o deslocamento do ponto primário ao longo do padrão de escaneamento e/ou durante o deslocamento do ponto efetivo em relação à superfície do objeto, a fim de modificar a distribuição de energia bidimensional e/ou o tamanho do ponto efetivo.

[0044] Em algumas modalidades, durante pelo menos um estágio do método, o ponto efetivo compreende uma porção dianteira que tem uma densidade de energia mais elevada do que uma porção traseira do ponto efetivo, ou o ponto efetivo compreende uma porção dianteira que tem uma densidade de energia inferior a uma porção traseira do ponto efetivo, ou o ponto efetivo compreende uma porção intermediária que tem uma densidade de energia mais elevada do que uma porção dianteira e uma porção traseira do ponto efetivo, ou o ponto efetivo apresenta uma densidade de energia substancialmente constante por todo o ponto efetivo.

[0045] Em algumas modalidades da invenção, o método compreende as etapas de, antes de projetar o feixe de energia sobre uma superfície do objeto: a) estabelecer uma pluralidade de padrões de escaneamento; e b) atribuir aqueles diferentes dentre os ditos padrões de escaneamento a diferentes porções de um trajeto a ser seguido pelo ponto efetivo na superfície do objeto; em que a etapa de deslocar o ponto efetivo em relação à superfície do objeto para aquecer progressivamente a pelo menos uma porção selecionada do objeto compreende deslocar o ponto efetivo ao longo do trajeto e mudar o padrão de escaneamento de modo que, em cada porção do trajeto, o ponto efetivo é produzido pelo feixe que segue o padrão de escaneamento atribuído à porção respectiva do trajeto.

[0046] Em algumas modalidades da invenção, pelo menos um padrão de escaneamento é estabelecido ao: - especificar uma pluralidade de pontos de controle; - estabelecer um padrão de escaneamento na forma de uma curva spline definida pelos pontos de controle; - opcionalmente, atribuir diferentes valores de parâmetro a diferentes porções da curva, sendo os valores de parâmetro indicativos da potência de laser e/ou velocidade de escaneamento em relação às respectivas porções da curva.

[0047] Em algumas modalidades da invenção, o ponto primário é deslocado na superfície do objeto de acordo com o padrão de escaneamento com uma primeira velocidade média, e em que o ponto efetivo é deslocado em relação à superfície do objeto com uma segunda velocidade média, sendo a primeira velocidade média substancialmente superior à segunda velocidade média, como pelo menos 5, 10, 50 ou 100 vezes a segunda velocidade média. No presente documento, o termo “primeira velocidade média” se refere ao comprimento do padrão de escaneamento projetado sobre a superfície do objeto dividido pelo tempo necessário para o ponto primário completar uma varredura ao longo do padrão de escaneamento, ao passo que o termo “segunda velocidade média” se refere ao comprimento do trajeto seguido pelo ponto efetivo na superfície dividido pelo tempo necessário para o ponto efetivo completar o trajeto. Uma alta velocidade do ponto primário ao longo do padrão de escaneamento reduz as flutuações de temperatura dentro do ponto efetivo durante cada varredura do ponto primário ao longo do padrão de escaneamento. Essa é uma diferença conceitual se comparada com disposições da técnica anterior como aquela conhecida a partir do documento WO-2016/118555-

A1, que revela soldagem a laser usando um feixe de laser com escaneamento em duas dimensões sobrepostas a um movimento relativo básico ao longo da peça de trabalho. Embora o documento WO-2016/118555-A1 se refira a um “padrão da figura 8”, esse padrão da figura 8 não corresponde a um padrão de escaneamento de acordo com a presente invenção, visto que o movimento relativo entre a fonte de laser e a superfície é realizado com a velocidade de magnitude igual ou semelhante à velocidade do ponto primário de acordo com o “padrão da figura 8”, como evidenciado, por exemplo, pela figura 3 e pelas porções relacionadas da descrição. Ou seja, nenhum ponto efetivo é estabelecido, mas o ponto primário segue um trajeto geral enquanto desenha algum tipo de lóbulos em ambos os lados do trajeto geral.

[0048] Adicional ou alternativamente, o feixe é escaneado de acordo com o padrão de escaneamento de modo que o padrão de escaneamento é repetido pelo feixe com uma frequência de mais de 10 Hz, preferencialmente mais de 25 Hz, mais preferencialmente mais de 100 Hz. Em algumas modalidades da invenção, o feixe é escaneado de acordo com o padrão de escaneamento de modo que o padrão de escaneamento é repetido pelo feixe com uma frequência de mais de 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 ou 300 Hz (isto é, repetições do padrão de escaneamento por segundo). Uma alta taxa de repetição pode ser apropriada para reduzir ou prevenir flutuações de temperatura não desejadas nas áreas que estão sendo aquecidas pelo ponto efetivo, entre cada ciclo de escaneamento, ou seja, entre cada varredura do feixe ao longo do padrão de escaneamento. Em algumas modalidades da invenção, o padrão de escaneamento permanece constante e, em outras modalidades da invenção, o padrão de escaneamento é modificado entre algumas ou todas as varreduras do feixe ao longo do padrão de escaneamento.

[0049] Adicional ou alternativamente, o tamanho do ponto efetivo é mais de 4 vezes o tamanho do ponto primário, preferencialmente mais de 10 vezes o tamanho do ponto primário, mais preferencialmente pelo menos 25 vezes o tamanho do ponto primário. Em algumas modalidades da invenção, o tamanho (ou seja, a área) do ponto efetivo, como o tamanho médio do ponto efetivo durante o processo ou o tamanho do ponto efetivo durante pelo menos um momento do processo, como o tamanho máximo do ponto efetivo durante o processo, é mais de 4, 10, 15, 20 ou 25 vezes o tamanho do ponto primário. Por exemplo, em algumas modalidades da invenção, um ponto primário que tem um tamanho da ordem de 3 mm2 pode ser usado para criar um ponto efetivo que tem um tamanho de mais de 10 mm2, como mais de 50 ou 100 mm2 ou mais. O tamanho do ponto efetivo pode ser dinamicamente modificado durante o processo, mas um grande tamanho médio pode frequentemente ser preferencial para aumentar a produtividade, e um grande tamanho máximo pode ser útil para aumentar a produtividade durante pelo menos parte do processo.

[0050] O método pode ser realizado sob o controle de meios de controle eletrônicos, como um computador.

[0051] Em algumas modalidades da invenção, o feixe de energia é um feixe de laser. Um feixe de laser é frequentemente preferencial devido a questões como custo, confiabilidade e disponibilidade de sistemas de escaneamento apropriados. Em algumas modalidades da invenção, a potência do feixe de laser é superior a 1 kW, como superior a 3 kW, superior a 4 kW, superior a 5 kW ou superior a 6 kW, pelo menos durante parte do processo. Tradicionalmente, quando um ponto de laser primário é escaneado para aquecer progressivamente a região a ser tratada por calor, os lasers que têm relativamente baixas potências de saída frequentemente são usados. Por exemplo, o documento EP-1308525-A2 sugere uma potência de feixe de 600 W. Isso acontece, nessa referência da técnica anterior, pois o ponto de laser, que em um determinado momento está aquecendo uma porção de superfície, corresponde ao ponto primário que tem uma área de superfície relativamente pequena. Assim, uma saída de potência inferior pode ser preferencial para evitar o superaquecimento. De acordo com a invenção, a potência do laser pode ser distribuída por um ponto de laser efetivo que tem uma área de superfície substancialmente maior do que aquela do ponto de laser primário. Ou seja, com a presente abordagem, com base na criação de um maior ponto de laser efetivo, potências superiores podem ser usadas, de modo que a produtividade pode ser aumentada.

[0052] Em algumas modalidades da invenção, a distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo é dinamicamente adaptada durante o deslocamento do ponto efetivo em relação à superfície do objeto, em resposta a pelo menos uma mudança no ângulo entre o feixe de energia e uma porção da superfície do objeto que está sendo aquecido pelo ponto efetivo, e/ou em relação a pelo menos uma mudança na direção de um trajeto seguido pelo ponto primário, por exemplo, para adaptar a distribuição de energia bidimensional, incluindo o formato e o tamanho do ponto efetivo bem como a distribuição de energia bidimensional dentro do ponto efetivo, à curvatura e/ou dobras na superfície, e/ou a variações no ângulo em que a superfície é orientada em relação ao escâner, e/ou a variações na direção seguida pelo ponto primário, por exemplo, como o resultado de uma curva ou dobra no trajeto.

[0053] Em algumas modalidades da invenção, pelo menos um dentre a potência do feixe de energia, o padrão de escaneamento e a velocidade com que o ponto primário se move ao longo de pelo menos uma porção do padrão de escaneamento, é/são adaptado(s) em resposta a pelo menos uma mudança no ângulo entre o feixe de energia e uma porção da superfície do objeto que está sendo aquecido pelo ponto efetivo, e/ou a pelo menos uma mudança na trajetória do trajeto.

[0054] Assim, os ensinamentos da presente invenção podem ser usados para controlar adequadamente o aquecimento quando o ponto efetivo se move por uma superfície curva, por uma porção dobrada do objeto, ou quando o ponto efetivo se move de uma primeira porção ou região do objeto para outra porção ou região colocada em um ângulo com a primeira porção ou região etc. Isso pode ser muito útil a fim, por exemplo, de garantir uma boa qualidade do aquecimento, quando o objeto que está sendo aquecido é um objeto que foi anteriormente conformado (por exemplo, formado a quente), por exemplo, em uma prensa, de modo que a superfície apresenta um formato mais ou menos complexo com curvas e/ou dobras etc. Esse é frequentemente o caso, por exemplo, com componentes de veículos de chapas de metal. De modo semelhante, o ponto efetivo pode “virar” de acordo com a direção de um trajeto, por exemplo, de modo que uma borda dianteira com densidade de energia superior permaneça na cabeça do ponto efetivo também durante e após uma curva no trajeto seguido pelo ponto efetivo. Em algumas modalidades, o trajeto é um trajeto de solda que segue uma área de interface onde dois componentes devem ser unidos um ao outro.

[0055] Um outro aspecto da invenção se refere a um sistema para aquecer pelo menos uma porção selecionada de um objeto, sendo que o sistema compreende meios para sustentar um objeto, e meios para produzir um feixe de energia e para projetar o feixe de energia sobre uma superfície do objeto.

[0056] O sistema compreende um escâner para escanear o feixe de energia em pelo menos duas dimensões. O sistema é disposto, como programado, para realizar o método como descrito acima. Em algumas modalidades da invenção, o sistema inclui meios para produzir um movimento relativo entre o escâner e o objeto, através do deslocamento do escâner e/ou do objeto.

[0057] Um outro aspecto da invenção se refere a um método de programação de um sistema incluindo meios para produzir um feixe de energia e um escâner para escanear o feixe de energia em pelo menos duas dimensões. Em algumas modalidades, o sistema é um sistema como descrito acima, adequado e adaptado para realizar um método como descrito acima. O método de programação compreende as etapas de: - programar o sistema a fim de instruir o escâner a escanear o feixe de energia de acordo um primeiro padrão de escaneamento; - detectar dados indicativos de um segundo padrão de escaneamento diferente do primeiro padrão de escaneamento, sendo o segundo padrão de escaneamento um padrão de escaneamento seguido pelo feixe de energia quando o sistema está operando como programado; - reprogramar o sistema com base nos dados indicativos do segundo padrão de escaneamento, por exemplo, a fim de instruir o escâner a operar mais de acordo com o segundo padrão de escaneamento. Em algumas modalidades o escâner é um escâner galvanométrico. Em algumas modalidades o escâner compreende dois ou mais espelhos de escaneamento ou outros elementos refletores configurados para desviar o feixe de energia. Os dados indicativos do segundo padrão de escaneamento podem, por exemplo, compreender dados que se originam de codificadores do escâner, por exemplo, codificadores indicativos dos movimentos reais dos espelhos ou semelhantes do escâner.

[0058] Assim, de acordo com o método o sistema incluindo o escâner pode acabar sendo programado de uma maneira que reflita melhor a operação real do escâner. Desse modo, o escâner pode ser submetido a menos estresse operacional quando operado. Isso serve para minimizar o risco de danos ao escâner ou falhas operacionais do tipo que tende a aparecer quando um escâner é operado em seus limites operacionais, por exemplo, forçado a seguir um padrão de escaneamento incluindo mudanças abruptas em uma alta velocidade. As etapas de detectar dados indicativos de um padrão de escaneamento seguido pelo feixe de energia e reprogramar o sistema/escâner podem ser repetidas tão frequentemente quanto se considere possível, a fim de garantir que o sistema com escâner acabe sendo programado de uma maneira que substancialmente coincida com sua operação real, minimizando, desse modo, os estresses operacionais. Verificou-se que essa maneira de programar um sistema pode ser totalmente compatível com os métodos de aquecimento como descrito acima ou pelo menos com alguns deles, incluindo a operação com uma pluralidade de lóbulos. A expressão “instruir o escâner a operar mais de acordo com o segundo padrão de escaneamento" se destina a denotar que as novas instruções para o escâner correspondem melhor à operação real do escâner do que as instruções originais.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0059] Para completar a descrição e a fim de proporcionar uma compreensão melhor da invenção, um conjunto de desenhos é fornecido. Os ditos desenhos formam uma parte integrante da descrição e ilustram modalidades da invenção, que não devem ser interpretadas como restritoras do escopo da invenção, mas apenas como exemplos de como a invenção pode ser realizada. Os desenhos compreendem as seguintes figuras:

[0060] A Figura 1A é uma vista em perspectiva esquemática de um sistema de acordo com uma modalidade possível da invenção.

[0061] As Figuras 1B-1F ilustram esquematicamente o sistema da figura 1A durante o tratamento térmico de diferentes porções de uma peça de trabalho.

[0062] A Figura 2 ilustra esquematicamente um ponto de laser efetivo criado por um padrão de escaneamento que compreende quatro lóbulos.

[0063] As Figuras 3A-3C ilustram esquematicamente como a distribuição de energia de um ponto de laser efetivo pode ser adaptada durante o endurecimento da área ao redor de um orifício de lubrificação de óleo.

[0064] A Figura 4 é uma vista em perspectiva esquemática de um sistema para fusão em leito de pó de acordo com uma modalidade da invenção.

[0065] A Figura 5 é uma vista em perspectiva esquemática de um sistema para soldagem de acordo com uma modalidade da invenção.

[0066] A Figura 6 ilustra uma modalidade da invenção incluindo meios para deslocar o escâner em relação a um objeto submetido a tratamento térmico.

[0067] As Figuras 7A e 7B são vistas de topo esquemáticas que ilustram o método de acordo uma modalidade possível da invenção aplicado à soldagem ao longo de um trajeto parcialmente curvo.

[0068] As Figuras 8A-8B são ilustrações esquemáticas dos princípios subjacentes a uma maneira possível de programar um sistema incluindo um escâner, por exemplo, a fim de realizar um método da invenção.

[0069] A Figura 8C é um fluxograma que mostra etapas desse método.

[0070] A Figura 9 ilustra um exemplo de um padrão de escaneamento que pode ser usado de acordo com algumas modalidades da invenção.

[0071] As Figuras 10A-10C ilustram outros padrões de escaneamento que podem ser usados de acordo com algumas modalidades da invenção.

DESCRIÇÃO DE MANEIRAS DE REALIZAR A INVENÇÃO

[0072] A Figura 1A ilustra esquematicamente um sistema de acordo com uma modalidade possível da invenção, nesse caso para tratamento térmico de um objeto de chapa de metal como um pilar para um veículo. O sistema compreende um equipamento de laser 1 para produzir um feixe de laser 2, e um escâner 3 incluindo dois espelhos ou semelhantes para escaneamento bidimensional do feixe de laser 2 no plano horizontal (X-Y). O equipamento para produzir um feixe de laser pode, em algumas modalidades da invenção, ser um equipamento adequado para produzir feixes de laser que têm um teor de potência relativamente alto, como 1 kW ou mais. Um exemplo de um dispositivo adequado é o Sistema de Laser de Itérbio Modelo YLS-6000-CT, da IPG Photonics, com uma potência nominal de 6 kW.

[0073] O sistema compreende ainda meios (não mostrados na figura 1 A) para reter ou sustentar uma peça de trabalho 100; na modalidade ilustrada, a peça de trabalho é para um pilar de corpo de veículo, como um chamado pilar central. O pilar ou peça de trabalho de pilar pode, por exemplo, ser uma peça de trabalho com dureza muito alta, obtida através de prensagem a quente de um modelo de chapa de metal para fornecer o formato desejado, seguido pelo resfriamento da peça de trabalho para produzir arrefecimento, como conhecido na técnica. O feixe de laser 2 é projetado sobre a peça de trabalho em uma região onde se deseja proporcionar dureza reduzida, por exemplo, para estabelecer uma área onde a deformação deve preferencialmente ocorrer no caso de um impacto.

[0074] Tradicionalmente, isso às vezes foi realizado basicamente por varredura de um feixe de laser, que tem uma determinada largura, uma vez na área onde a dureza reduzida é desejada, tipicamente correspondendo a uma faixa ou banda ao longo do pilar. No entanto, de acordo com a presente modalidade da invenção, o feixe de laser (e o ponto de laser primário que o feixe projeta na peça de trabalho) é repetitivamente escaneado em uma velocidade relativamente alta seguindo um padrão de escaneamento com uma pluralidade de lóbulos esquematicamente ilustrados na figura 1A, criando, desse modo, um ponto efetivo 21, ilustrado como um quadrado na figura 1A. Isso é alcançado com o uso do escâner 3. Esse ponto efetivo 21 é deslocado em relação à superfície da peça de trabalho 100 de acordo com um trajeto predeterminado, por exemplo, ao longo do pilar; na figura 1A, uma seta indica como o ponto efetivo 21 pode, por exemplo, ser deslocado paralelamente ao eixo geométrico X do sistema em relação à superfície da peça de trabalho.

[0075] O deslocamento do ponto efetivo 21 de acordo o trajeto pode igualmente ser alcançado pelo escâner 3, e/ou devido ao deslocamento do escâner ou equipamento associado, por exemplo, ao longo de trajetos (não mostrados na figura 1A), como trajetos que se estendem paralelamente ao eixo geométrico X e/ou ao eixo geométrico Y. Isso também pode ser alcançado através do deslocamento da peça de trabalho 100 em relação à posição do escâner, ou através de uma combinação desses meios para deslocamento.

[0076] O ponto efetivo e sua distribuição de energia bidimensional pode ser dinamicamente adaptado durante o deslocamento do ponto efetivo ao longo do trajeto. Por exemplo, considerando a figura 1A, a largura do ponto efetivo (ao longo do eixo geométrico Y) pode ser adaptada durante seu deslocamento ao longo da peça de trabalho, de modo que a largura do trajeto submetido a tratamento térmico varie ao longo da peça de trabalho. Além disso, outras características do ponto efetivo podem ser adaptadas, a fim de otimizar o tratamento térmico, por exemplo, o estabelecimento de uma área onde a dureza é reduzida a fim de proporcionar um desempenho desejado da peça de trabalho (por exemplo, no caso de um componente estrutural para um veículo, a fim de proporcionar um desempenho desejado em termos de dobra após um impacto).

[0077] As Figuras 1B e 1C ilustram esquematicamente como o ponto efetivo 21 pode ser adaptado na largura a fim de realizar o tratamento térmico de dois trajetos ou segmentos 100A e 100B, respectivamente, da peça de trabalho 100, sendo que esses dois trajetos ou segmentos têm diferentes larguras e se estendem em dois ângulos substancialmente diferentes em relação à fonte de laser, ou seja, o escâner. As Figuras 1D e 1E ilustram esquematicamente como o ponto efetivo pode ser deslocado ao longo de um segmento 100B da peça de trabalho que tem a largura que varia ao longo do trajeto, em que, por exemplo, a largura do ponto efetivo na direção perpendicular ao seu deslocamento ao longo do segmento (ou seja, perpendicular ao trajeto seguido pelo ponto efetivo) pode ser dinamicamente adaptada durante esse deslocamento. As Figuras 1D e 1E ilustram esquematicamente como a distribuição de energia bidimensional pode ser adaptada durante o movimento do ponto efetivo 21 ao longo do trajeto de modo que o ponto efetivo adapte sua orientação a uma curva no trajeto, por exemplo, através da adaptação da sua orientação no plano X/Y quando se move ao longo da porção curva do trajeto.

[0078] Devido à flexibilidade com que a distribuição de energia bidimensional dentro do ponto efetivo bem como o formato e dimensões do ponto efetivo podem ser adaptados, é relativamente fácil adaptar a distribuição de energia bidimensional também a superfícies complexas, como aquelas de uma peça de trabalho de chapa de metal que foi conformada em uma prensa a fim de ter uma configuração tridimensional predeterminada. Por exemplo, a figura 1F ilustra como o ponto efetivo pode ser aplicado para proporcionar tratamento térmico de um trajeto que compreende duas porções 100A e 100B de um pilar para um veículo, em que as ditas duas porções são dispostas em diferentes ângulos em relação à fonte de laser e separadas por uma dobra 100C. O formato do ponto efetivo e a distribuição de energia bidimensional dentro do ponto efetivo -ou seja, a distribuição de energia ao longo e através do ponto efetivo como projetado sobre a superfície do objeto- podem ser adaptados, por exemplo, à largura da área a ser aquecida, o formato tridimensional da dita área a ser aquecida (a fim, por exemplo, de levar a dobra 100C em consideração), a orientação de diferentes porções da dita área em relação ao feixe de laser etc.

[0079] Em algumas modalidades da invenção, o sistema pode incluir meios 5 para adaptar dinamicamente o tamanho do ponto primário (por exemplo, a fim de modificar a distribuição de energia bidimensional e/ou o tamanho do ponto efetivo 21) e/ou o foco do feixe de laser ao longo do eixo geométrico óptico. Isso possibilita controlar (como variar ou manter) o tamanho do ponto de laser primário enquanto ele está sendo deslocado ao longo do padrão de escaneamento, e/ou enquanto o ponto efetivo 21 está sendo deslocado em relação à superfície do objeto. Por exemplo, o foco óptico pode ser adaptado para manter o tamanho do ponto primário constante enquanto o ponto primário está se movendo pela superfície do objeto (por exemplo, para compensar distâncias variáveis entre o escâner e a posição do ponto de laser primário no objeto que está sendo produzido). Por exemplo, meios para adaptar dinamicamente o foco do feixe de laser podem, em algumas modalidades da invenção, compreender uma unidade de foco varioSCAN®, obtenível junto à SCANLAB AG (www.scanlab.de).

[0080] A modalidade específica discutida acima se refere ao tratamento térmico de chapa de metal, mas os mesmos princípios podem ser aplicados a outros tipos de tratamento térmico, por exemplo, ao endurecimento seletivo de peças de trabalho, fabricação aditiva, soldagem, revestimento a laser etc. Por exemplo, os ensinamentos da presente invenção podem ser usados para aprimorar métodos de soldagem da técnica anterior, como aqueles ensinados pelo documento WO-2018/054850-A1. Além disso, e ao passo que a modalidade ilustrada usa luz laser, outras modalidades podem usar outros tipos de feixes de energia.

[0081] Como explicado acima, constatou-se que pode frequentemente ser prático fornecer um padrão de escaneamento que compreende porções ou segmentos curvos e, preferencialmente, com apenas poucas ou nenhuma transição aguda entre um segmento e outro, ou seja, sem “cantos” agudos no padrão. Pode ser preferencial que o padrão de escaneamento seja livre ou substancialmente livre de pontos sem uma tangente definida à curva. Um exemplo desse tipo de padrão de escaneamento é esquematicamente ilustrado na figura 2, onde o ponto de laser efetivo 21 é criado através do deslocamento do ponto primário 2A ao longo de um padrão de escaneamento “semelhante a um trevo de quatro folhas” 22 que compreende quatro lóbulos 221, 222, 223, 224. Os lóbulos podem ter formatos e/ou tamanhos iguais ou diferentes. Os formatos, tamanhos, números e orientações dos lóbulos, juntamente com outros parâmetros como a velocidade do ponto primário 1A ao longo de diferentes lóbulos e/ou porções dos lóbulos e/ou o nível de potência do feixe em correspondência com diferentes lóbulos e/ou porções dos lóbulos, podem ser usados para determinar e controlar a distribuição de energia bidimensional, e esses parâmetros podem ser dinamicamente adaptados durante a operação. Visto que a curva seguida pelo ponto primário 2A é suave e não apresenta quaisquer dobras ou cantos agudos, o estresse sofrido pelo escâner pode ser mantido relativamente baixo. Assim, o escaneamento pode ser realizado em uma velocidade relativamente alta sem alcançar ou se aproximar dos limites dinâmicos do escâner, desse modo também aprimorando a durabilidade e a confiabilidade do sistema. A repetição dos padrões de escaneamento com uma frequência relativamente alta pode ser preferencial a fim de evitar flutuações de temperatura indesejadas dentro do ponto de laser efetivo 21.

[0082] A distribuição de energia dentro do ponto efetivo é em parte determinada pelo formato do padrão de escaneamento, mas também outros parâmetros podem influenciar a distribuição de energia, como, por exemplo, a velocidade com que o ponto primário se desloca ao longo do padrão de escaneamento. Por exemplo, em um padrão de escaneamento como aquele mostrado na figura 2 onde segmentos do padrão de escaneamento se cruzam ao redor do centro do padrão de escaneamento, pode ser preferencial escanear o ponto primário 2A com uma velocidade mais alta, ao longo daquelas partes do padrão de escaneamento onde os segmentos se cruzam ou estão próximos um do outro, do que, por exemplo, naquelas partes que são distantes das ditas áreas como, por exemplo, as porções dianteira e traseira do padrão de escaneamento mostrado na figura 2.

[0083] As Figuras 3A-3C ilustram esquematicamente como a presente invenção pode ser usada no contexto de um método para endurecer munhões de um virabrequim, como discutido no documento WO-2014/037281-A2. Mais especificamente, as figuras 3A-3C ilustram como o padrão de escaneamento pode ser adaptado para acomodar um orifício de lubrificação de óleo. O orifício de lubrificação de óleo 101 é posicionado em uma superfície de um munhão 102 de um virabrequim, e a dita superfície se estende em uma primeira direção paralelamente ao eixo geométrico de rotação do virabrequim, e em uma segunda direção circunferencial W. Na figura 3A, é usado a um ponto efetivo equivalente substancialmente retangular 21, que tem uma porção dianteira com densidade de potência superior e uma porção traseira com densidade de potência inferior. Isso pode, por exemplo, ser alcançado com o uso de um padrão de escaneamento de “trevo de quatro folhas” 22 com quatro lóbulos como esquematicamente ilustrado no topo da figura 3A. O ponto efetivo 21 se move ao longo do munhão na direção circunferencial do mesmo, por exemplo, devido à rotação do virabrequim ao redor de seu eixo geométrico longitudinal.

[0084] Como esquematicamente ilustrado na figura 3B, quando o ponto efetivo 21 se aproxima do orifício de lubrificação de óleo 101 devido ao movimento relativo entre o ponto efetivo e a superfície do munhão, a distribuição de energia é substancialmente adaptada através da adaptação, pelo menos, do padrão de escaneamento a fim de reduzir a densidade de potência ou energia para o centro da porção dianteira, a fim de evitar superaquecimento da área adjacente ao orifício de lubrificação de óleo 101. No presente documento, o ponto de laser efetivo é substancialmente conformado em U. Isso pode, por exemplo, ser alcançado com um padrão de escaneamento 22 que apresenta dois lóbulos 221 e 222, como esquematicamente ilustrado na figura 3B. Subsequentemente, após o orifício de lubrificação de óleo 101 ter passado da porção dianteira do ponto efetivo 21, a distribuição de energia original na porção dianteira é restaurada, ao passo que a distribuição de energia na porção traseira é adaptada para acomodar o orifício de lubrificação de óleo 101, através da redução da densidade de energia ou potência para o centro da porção traseira. No presente documento, o ponto efetivo 21 substancialmente adota um formato de U invertido, que pode ser alcançado substancialmente invertendo o padrão de escaneamento da figura 3B, como esquematicamente ilustrado no topo da figura 3C.

[0085] Ou seja, enquanto o orifício de lubrificação de óleo 101 está passando através do ponto efetivo 21, a distribuição de energia é adaptada por meio da adaptação de parâmetros incluindo o padrão de escaneamento e, opcionalmente, também outros parâmetros como a velocidade do ponto primário em correspondência com diferentes segmentos do padrão de escaneamento. Por meio dessas adaptações, é possível aplicar menos energia à área mais sensível ao calor adjacente ao orifício de lubrificação de óleo, do que é aplicada à superfície a ser endurecida para longe do dito orifício de lubrificação de óleo. A área ao redor do orifício de lubrificação de óleo pode ser endurecida sem danificar a subárea mais sensível ao calor adjacente ao orifício de lubrificação de óleo; as porções laterais do ponto de laser efetivo conformado em U servem para endurecer as áreas nos lados do orifício de lubrificação de óleo. Devido ao formato suave das curvas que definem os padrões de escaneamento mostrados nas figuras 3A-3C, a necessidade de acelerações ou desacelerações substanciais repentinas de itens mecânicos do escâner, como espelhos de escaneamento, podem ser evitadas ou reduzidas, em comparação com soluções da técnica anterior envolvendo padrões de escaneamento que apresenta mudanças repentinas de direção, por exemplo, durante o trânsito de um segmento reto para outro.

[0086] A Figura 4 mostra como a invenção pode ser aplicada no contexto da fabricação aditiva, por exemplo, no contexto de um sistema SLS para produzir um objeto a partir de um material de construção que é fornecido em forma de pó, como pó de metal. O sistema 300 compreende um equipamento de laser 1 para produzir um feixe de laser 2 como descrito acima, incluindo o escâner 3 incluindo dois espelhos ou semelhantes para escaneamento bidimensional de um feixe de laser 2 no plano horizontal (X/Y). O sistema compreende ainda uma disposição para distribuição do material de construção, que compreende uma disposição semelhante a mesa com uma superfície de topo 301 com duas aberturas 302 através das quais o material de construção é alimentado a partir de dois cartuchos de alimentação 303. No centro da superfície de topo 301, há uma abertura adicional disposta em correspondência com uma plataforma 304 que é deslocável na direção vertical, ou seja, paralelamente a um eixo geométrico Z do sistema. O pó é fornecido a partir dos cartuchos 303 e depositado no topo da plataforma 304. Um rolo de nivelamento de pó de contrarrotação 305 é usado para distribuir o pó em uma camada 306 que tem uma espessura homogênea.

[0087] O feixe de laser é projetado sobre a camada 306 do material de construção no topo da plataforma 304 para fundir o material de construção em uma região ou área selecionada 311, que corresponde a uma seção transversal do objeto que está sendo produzido. Após o material de construção nessa área 311 ser fundido, a plataforma é baixada a uma distância correspondente à espessura de cada camada de material de construção, uma nova camada 306 de material de construção é aplicada com o uso do rolo 305, e o processo é repetido, dessa vez de acordo com a seção transversal do objeto a ser produzido em correspondência com a nova camada.

[0088] De acordo com a presente modalidade da invenção, o feixe de laser (e o ponto de laser primário que o feixe projeta no material de construção) é repetitivamente escaneado em uma velocidade relativamente alta seguindo um padrão de escaneamento conformado como uma curva sem dobras que define quatro lóbulos, como esquematicamente ilustrado na figura 4, criando, desse modo, um ponto de laser efetivo 21, ilustrado como um quadrado na figura 4. Obviamente, qualquer outro padrão de escaneamento adequado pode ser usado, por exemplo, um padrão de escaneamento que tem um número diferente de lóbulos. Isso é alcançado com o uso do escâner 4. Esse ponto de laser efetivo 21 é deslocado de acordo um trajeto definido, por exemplo, paralelamente a uma pluralidade de linhas paralelas. Na figura 4, uma seta indica como o ponto de laser efetivo 21 pode, por exemplo, ser deslocado paralelamente ao eixo geométrico X do sistema. A Figura 4 ilustra como uma porção 311A da área 311 a ser fundida foi fundida durante uma varredura anterior do ponto de laser efetivo 21 paralelamente ao eixo geométrico X, ao passo que outra porção 311B ainda está à espera de ser fundida. Após ser fundida, a plataforma 304 será baixada e uma nova camada de material de construção em forma de pó será aplicada. O deslocamento do ponto de laser efetivo 21 de acordo o trajeto pode igualmente ser alcançado pelo escâner 3, e/ou devido ao deslocamento do escâner ou equipamento associado, por exemplo, ao longo de trajetos (não mostrados na figura 4), como trajetos que se estendem paralelamente ao eixo geométrico X e/ou ao eixo geométrico Y. Devido ao formato suave do padrão de escaneamento, uma alta velocidade de escaneamento pode ser atingida sem alcançar os limites dinâmicos do escâner ou sem comprometer a durabilidade ou confiabilidade do escâner e seu desempenho.

[0089] A Figura 5 ilustra esquematicamente um sistema para soldagem de acordo com uma modalidade possível da invenção. Nessa modalidade, o sistema compreende um equipamento 1 para produzir um feixe de energia 2, e um escâner 3 incluindo dois espelhos ou semelhantes para escaneamento bidimensional do feixe 2 no plano horizontal (X/Y). Em algumas modalidades da invenção, o sistema pode incluir meios 5 para adaptar dinamicamente o tamanho do ponto primário (por exemplo, a fim de modificar a distribuição de energia bidimensional e/ou o tamanho do ponto de laser efetivo 21) e/ou o foco do feixe ao longo do eixo geométrico óptico. Isso possibilita controlar (como variar ou manter) o tamanho do ponto primário enquanto ele está sendo deslocado ao longo do padrão de escaneamento, e/ou enquanto o ponto efetivo 21 está sendo deslocado em relação a uma área de interface. Por exemplo, o foco óptico pode ser adaptado para manter o tamanho do ponto primário constante enquanto o ponto primário está se movendo pela superfície da área de interface (por exemplo, para compensar distâncias variáveis entre o escâner e a posição do ponto primário na área de interface).

[0090] O sistema compreende ainda meios (não mostrados na figura 5) para reter ou sustentar duas partes de metal 401 e 402 a serem soldadas uma à outra. O feixe 2 é projetado sobre uma área de interface 403 onde as duas partes 401 e 402 correspondem, ou seja, onde as superfícies das mesmas se voltam uma para a outra de modo que as duas partes possam ser soldadas uma à outra. Isso é alcançado através da produção de um ponto efetivo 21 por escaneamento bidimensional do ponto real ou primário do feixe, como descrito acima. Esse ponto efetivo 21 é varrido ao longo de um trajeto 404, esquematicamente ilustrado por uma seta na figura 5, a fim de unir por fusão as porções das duas partes, como descrito acima. Através de solidificação, a junta ou costura de solda 405 é produzida. Ou seja, de acordo com essa modalidade da invenção, o feixe (e o ponto primário que o feixe projeta na área de interface) é repetitivamente escaneado em uma velocidade relativamente alta seguindo um padrão de escaneamento com um formato suave, esquematicamente ilustrado como quatro lóbulos, embora qualquer outro padrão de escaneamento adequado possa ser usado, criando, desse modo, um ponto efetivo 21, ilustrado como um quadrado na figura 5. Isso é alcançado com o uso do escâner 3. Esse ponto efetivo 21 é deslocado de acordo o trajeto 404, por exemplo, como mostrado na figura 5, paralelamente ao eixo geométrico X do sistema.

[0091] O deslocamento do ponto de laser efetivo 21 ao longo do trajeto pode igualmente ser alcançado pelo escâner 3, e/ou pelo deslocamento do escâner ou equipamento associado, por exemplo, ao longo de trilhos (não mostrados na figura 5), como trilhos que se estendem paralelamente ao eixo geométrico X. Também pode ser alcançado, por exemplo, através do deslocamento das partes 401 e 402 em relação à posição do escâner.

[0092] A distribuição de energia bidimensional pode ser adaptada às condições específicas da tarefa a ser realizada, como explicado acima. Por exemplo, um ponto efetivo não simétrico pode ser produzido para acomodar diferenças na espessura entre as duas partes 401 e 402, e/ou diferentes materiais (por exemplo, uma das partes 401 pode ser de um material, e a outra parte 402 pode ser de outro material. Por exemplo, as duas partes podem ser de diferentes metais como de diferentes ligas metálicas, e requerem aquecimento diferente para soldagem das duas partes uma à outra de uma maneira apropriada, com uma costura de solda de qualidade e/ou com uso de energia eficiente. Em tais casos, uma distribuição de energia não simétrica pode ser preferencial, a fim de aplicar energia diferentemente sobre uma das partes e sobre a outra. Além disso, o ponto efetivo e sua distribuição de energia bidimensional pode ser dinamicamente adaptada durante o deslocamento do ponto efetivo ao longo do trajeto.

[0093] A Figura 6 ilustra esquematicamente como uma cabeça de processamento 500, de acordo com uma modalidade possível da invenção, pode incluir um escâner 3 disposto para ser deslocado em relação a um objeto como um objeto de chapa de metal 100 a ser submetido a tratamento térmico, nesse caso, um pilar para um veículo. A cabeça de processamento 500 é conectada a atuadores 501 através de ligações 502. Nessa modalidade da invenção, o deslocamento é baseado no conceito de manipulador paralelo. No entanto, quaisquer outros meios adequados de deslocamento da cabeça de processamento podem ser usados, como um braço robótico etc. Em algumas modalidades da invenção, é o objeto que está sendo produzido que é deslocado em relação à cabeça de processamento. Além disso, uma combinação dessas duas abordagens pode ser usada. Na figura 6, a peça de trabalho de chapa de metal 100 é sustentada por meios de sustentação esquematicamente ilustrados 503.

[0094] As Figuras 7A e 7B ilustram esquematicamente como os quatro lóbulos 221-224 para um padrão de escaneamento usados em uma porção reta de um trajeto podem ser reorientados e adaptados para seguir um trajeto curvo. O exemplo ilustrado se refere a soldagem a laser, mas o mesmo princípio pode ser aplicado a qualquer outra aplicação adequada na qual o ponto efetivo precise seguir um trajeto não reto. Na modalidade exemplificativa mostrada nas figuras 7A e 7B, as duas partes 401 e 402 que têm porções correspondentes curvas são soldadas uma à outra ao longo de um trajeto 404 incluindo uma seção curva, em correspondência com uma área de interface 403. Em uma porção reta do trajeto curvo, o padrão de escaneamento apresenta quatro lóbulos 221-224 como esquematicamente ilustrado na figura 7A. Durante o movimento do ponto efetivo 21 ao longo da seção curva do trajeto 404, a velocidade na porção radialmente interna 21A do ponto efetivo é inferior à velocidade da porção radialmente externa 21B. A distribuição de energia bidimensional pode ser dinamicamente adaptada para compensar essa diferença na velocidade, por exemplo, adaptando ou cancelando o lóbulo radialmente interno 224, como esquematicamente ilustrado na figura 7B. Além disso, a adaptação da distribuição de energia bidimensional pode servir para alinhar apropriadamente o ponto efetivo 21 com a direção do trajeto -ou seja, basicamente, com a tangente ao trajeto curvo- em cada ponto ao longo do trajeto.

[0095] A Figura 8A ilustra esquematicamente como um sistema incluindo um escâner 3 foi programado para operar o escâner de modo que um feixe de laser 2 siga um padrão de escaneamento 22’ de acordo com um dos padrões de escaneamento revelados no documento WO-2015/135715-A1, com mudanças na direção em 90 graus entre segmentos seguidos. Como explicado acima, forçar um escâner a operar em conformidade em uma velocidade muito alta pode fazer com que o escâner atinja seus limites operacionais. Isso pode acabar fazendo com que o escâner não siga estritamente o padrão de escaneamento programado: os movimentos reais dos espelhos do escâner podem diferir daqueles estritamente programados, especialmente nos pontos onde acontecem as mudanças de 90 graus na direção, desse modo, fazendo com que os cantos a sejam arredondados. A Figura 8B ilustra esquematicamente um possível padrão de escaneamento 22” realmente seguido pelo feixe de laser quando programado para seguir o padrão de escaneamento 22’ da figura 8A em alta velocidade.

[0096] De acordo com uma modalidade, o padrão de escaneamento real é detectado, por exemplo, com o uso de decodificadores 31 que rastreiam o movimento real dos espelhos do escâner 3. Após o movimento real seguido pelos espelhos ser detectado, os dados correspondentes podem ser usados para reprogramar o escâner 3 a fim de operar não de acordo o padrão de escaneamento original 22’, mas de acordo o padrão de escaneamento 22”, ou de acordo um padrão de escaneamento mais ou menos semelhante. Dessa maneira, o estresse operacional ao qual o escâner é submetido pode ser reduzido. Esse processo pode ser repetido várias vezes, até uma conformidade desejada entre o padrão de escaneamento programado e o padrão de escaneamento real seguido pelo feixe de laser ser alcançada.

[0097] O fluxograma da figura 8C inclui uma primeira etapa S1 em que o sistema é programado para fazer com que o escâner (teoricamente) opere a fim de fazer o feixe de laser seguir um primeiro padrão de escaneamento 22’, como um envolvendo apenas segmentos retos orientados em 90 graus em relação ao outro. Na etapa S2, o sistema é operado como programado e os dados que se originam dos codificadores 31 do escâner 3 são coletados, determinando, desse modo, a operação real do escâner, que segue um segundo padrão de escaneamento 22” diferente do primeiro padrão de escaneamento 22’. Na etapa S3, esses dados são usados para reprogramar o escâner, por exemplo, para instruí-lo a seguir o segundo padrão de escaneamento 22” ou semelhante. As etapas S2 e S3 podem então ser repetidas, se for desejado, até que a diferença entre o padrão de escaneamento programado e o padrão de escaneamento real seguido pelo feixe de laser esteja dentro de uma faixa determinada, calculada como considerado conveniente.

[0098] A Figura 9 ilustra um padrão de escaneamento 21 com quatro lóbulos 221, 222, 223, 224. O padrão de escaneamento foi criado através do dimensionamento dos lóbulos de um layout de padrão básico ou original (por exemplo, com base em quatro curvas spline, uma para cada lóbulo) de acordo com um sistema de coordenadas (x, y) de dois eixos geométricos. As dimensões e orientações dos lóbulos foram estabelecidas definindo as posições de uma pluralidade de pontos de controle do layout de padrão básico com referência ao sistema de coordenadas. As posições desses pontos de controle são definidas nas colunas “x” e “y” da tabela na figura 9. O comprimento de cada segmento (definido como a parte do padrão de escaneamento entre dois pontos de controle consecutivos)

foi estimado ou calculado e é indicado na coluna “L” da tabela. A energia aplicada a cada segmento durante um escaneamento é determinada pela potência de feixe, velocidade de escaneamento e comprimento do segmento. Com esses dados, a distribuição de energia por todo o ponto efetivo criado pelo escaneamento bidimensional determinado pelo padrão de escaneamento pode ser estimada ou calculada. Através da mudança de um ou mais dos parâmetros (padrão de escaneamento, velocidade de escaneamento, potência de feixe...), a distribuição de energia bidimensional pode ser mudada. Assim, é fácil adaptar a distribuição de energia bidimensional para diferentes necessidades, como para diferentes aplicações e objetos, considerando características variáveis do objeto (e/ou do aquecimento desejado) ao longo do trajeto a ser seguido pelo ponto efetivo (como, por exemplo, uma largura variável de um trajeto a ser aquecido, a presença de mais porções sensíveis ao calor etc.). Um ou mais layouts básicos podem ser usados para estabelecer padrões de escaneamento que pode permanecer fixos e/ou ser dinamicamente variados durante o aquecimento do objeto. Por exemplo, o padrão de escaneamento ilustrado na figura 9 é adequado para estabelecer um ponto efetivo com uma densidade de energia mais elevada em correspondência com uma extremidade do ponto efetivo, proporcionando, assim, uma densidade de energia mais elevada na borda dianteira do ponto efetivo quando o ponto efetivo se desloca na direção indicada pela seta na figura 9.

[0099] As Figuras 10A-10C ilustram exemplos de diferentes padrões de escaneamento 22. As setas meramente indicam exemplos de direções em que tais padrões de escaneamento podem se deslocar. Os padrões de escaneamento foram estabelecidos com o uso de um layout de padrão básico, por exemplo, com base em um programa para criar padrões de Lissajous ou semelhantes, e através da determinação das posições de pontos de controle 220 em relação a um sistema de coordenadas (não mostrado), de acordo com o que foi explicado em relação à figura 9. Por exemplo, no caso do padrão de escaneamento mostrado na figura 10A, uma densidade de energia mais elevada na borda dianteira do ponto efetivo ao se deslocar na direção ilustrada pela seta pode, por exemplo, ser obtida por uma velocidade de escaneamento mais alta em correspondência com a parte traseira do padrão de escaneamento do que em correspondência com a parte dianteira. Como explicado acima, um ou mais desses ou outros padrões de escaneamento podem ser atribuídos a diferentes porções de um trajeto ao longo de um objeto a ser aquecido em correspondência com o trajeto, e/ou diferentes distribuições de energia pelo padrão de escaneamento podem ser atribuídas a diferentes porções do trajeto, por exemplo, a fim de adaptar dinamicamente a distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo enquanto se desloca ao longo do trajeto, por exemplo, de acordo os princípios esquematicamente ilustrados nas figuras 3A-3C.

[0100] Deve ser observado que os diferentes padrões de escaneamento específicos discutidos acima e ilustrados nos respectivos desenhos não se destinam de forma alguma a representar padrões de escaneamento que são adequados ou otimizados para os propósitos descritos. Eles se destinam meramente a ilustrar esquematicamente o conceito de uso de padrões de escaneamento de acordo com a invenção e adaptá- los de acordo com a distribuição de energia bidimensional específica que é selecionada em cada momento específico, a fim de produzir o aquecimento da maneira desejada. O versado na técnica tipicamente escolherá padrões de escaneamento adequados com o uso de software de simulação e abordagens de tentativa e erro. Nesse texto, o termo “compreende” e seus derivados (como “que compreende” etc.) não deve ser entendido em um sentido exclusivo, ou seja, esses termos não devem ser interpretados como excluindo a possibilidade de o que é descrito e definido poder incluir outros elementos, etapas etc.

[0101] Por outro lado, a invenção obviamente não está limitada à(s) modalidade(s) específica(s) descrita(s) no presente documento, mas também abrange quaisquer variações que podem ser consideradas por qualquer versado na técnica (por exemplo, em relação à escolha de materiais, dimensões, componentes, configuração etc.), dentro do escopo geral da invenção como definido nas reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para aquecer pelo menos uma porção selecionada de um objeto caracterizado por compreender as etapas de projetar um feixe de energia (2) sobre uma superfície do objeto (100; 102; 306; 401, 402) a fim de produzir um ponto primário (2A) na superfície, e escanear repetitivamente o feixe em duas dimensões de acordo com um padrão de escaneamento (22) a fim de estabelecer um ponto efetivo (21) na superfície, sendo que o ponto efetivo tem uma distribuição de energia bidimensional, deslocar o ponto efetivo (21) em relação à superfície do objeto (100) para aquecer progressivamente a pelo menos uma porção selecionada do objeto; em que o padrão de escaneamento compreende uma pluralidade de segmentos curvos interconectados.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tangente ao padrão de escaneamento (22) é definida em correspondência com todos os pontos do padrão de escaneamento.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o padrão de escaneamento não compreende quaisquer segmentos retos.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o padrão de escaneamento compreende segmentos curvos e retos, e em que o comprimento total de todos os segmentos curvos é maior do que o comprimento total de todos os segmentos retos.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o padrão de escaneamento (22) compreende pelo menos um ponto onde um segmento do padrão de escaneamento cruza outro segmento do padrão de escaneamento.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que, em correspondência com pelo menos um primeiro segmento que cruza outro segmento, a velocidade de movimento do feixe ao longo do primeiro segmento é mais elevada em um primeiro ponto onde o primeiro segmento cruza o outro segmento, do que em um segundo ponto distante do primeiro ponto.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o padrão de escaneamento compreende uma pluralidade de lóbulos (221, 222, 223, 224).

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o padrão de escaneamento compreende pelo menos três lóbulos.

9. Método, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o número de lóbulos e/ou o formato dos lóbulos é variado enquanto o ponto efetivo (21) é deslocado em relação à superfície do objeto.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o padrão de escaneamento compreende ou consiste em uma curva spline.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo (21) é dinamicamente adaptada durante o deslocamento do ponto efetivo (21) em relação à superfície do objeto.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a adaptação da distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo (21) é realizada ao - adaptar a potência do feixe (2), como seletivamente ativando e desativando o feixe, e/ou - adaptar o padrão de escaneamento, e/ou - ao adaptar a velocidade com que o ponto primário (2A) se move ao longo de pelo menos uma porção do padrão de escaneamento.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o foco do feixe e/ou o tamanho do ponto primário são dinamicamente adaptados durante o deslocamento do ponto primário (2A) ao longo do padrão de escaneamento e/ou durante o deslocamento do ponto efetivo (21) em relação à superfície do objeto.

14. Método, de acordo qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender as etapas de, antes de projetar o feixe de energia (2) sobre uma superfície do objeto: a) estabelecer uma pluralidade de padrões de escaneamento (22); e b) atribuir aqueles diferentes dentre os ditos padrões de escaneamento a diferentes porções de um trajeto a ser seguido pelo ponto efetivo (21) na superfície do objeto; em que a etapa de deslocar o ponto efetivo (21) em relação à superfície do objeto para aquecer progressivamente a pelo menos uma porção selecionada do objeto compreende deslocar o ponto efetivo ao longo do trajeto e mudar o padrão de escaneamento de modo que, em cada porção do trajeto, o ponto efetivo (21) é produzido pelo feixe que segue o padrão de escaneamento (22) atribuído à porção respectiva do trajeto.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos um padrão de escaneamento é estabelecido ao: - especificar uma pluralidade de pontos de controle; - estabelecer um padrão de escaneamento na forma de uma curva spline definida pelos pontos de controle; - opcionalmente, atribuir diferentes valores de parâmetro a diferentes porções da curva, sendo os valores de parâmetro indicativos da potência de laser e/ou velocidade de escaneamento em relação às respectivas porções da curva.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que - o ponto primário é deslocado na superfície do objeto de acordo com o padrão de escaneamento com uma primeira velocidade média, e em que o ponto efetivo é deslocado em relação à superfície do objeto com uma segunda velocidade média, sendo a primeira velocidade média substancialmente superior à segunda velocidade média, como pelo menos 5, 10, 50 ou 100 vezes a segunda velocidade média; e/ou - em que o feixe é escaneado de acordo com o padrão de escaneamento de modo que o padrão de escaneamento é repetido pelo feixe com uma frequência de mais de 10 Hz, preferencialmente mais de 25 Hz, mais preferencialmente mais de 100 Hz; e/ou - em que o tamanho do ponto efetivo (21) é mais de 4 vezes o tamanho do ponto primário, preferencialmente mais de 10 vezes o tamanho do ponto primário, mais preferencialmente pelo menos 25 vezes o tamanho do ponto primário.

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o feixe de energia (2) é um feixe de laser.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a distribuição de energia bidimensional do ponto efetivo (21) é dinamicamente adaptada durante o deslocamento do ponto efetivo (21) em relação à superfície do objeto (100), em resposta a pelo menos uma mudança no ângulo entre o feixe de energia (2) e uma porção da superfície do objeto que está sendo aquecido pelo ponto efetivo (21), e/ou em relação a pelo menos uma mudança na direção de um trajeto seguido pelo ponto primário.

19. Sistema para aquecer pelo menos uma porção selecionada de um objeto (100), sendo o sistema caracterizado por compreender meios (4) para sustentar um objeto, e meios para produzir um feixe de energia (2) e para projetar o feixe de energia sobre uma superfície do objeto; em que o sistema compreende um escâner (3) para escanear o feixe de energia em pelo menos duas dimensões; e em que o sistema é disposto para realizar o método conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.

20. Método de programação de um sistema incluindo meios para produzir um feixe de energia e um escâner (3) para escanear o feixe de energia em pelo menos duas dimensões, sendo o método caracterizado por compreender as etapas de: - programar (S1) o sistema a fim de instruir o escâner (3) a escanear o feixe de energia de acordo um primeiro padrão de escaneamento (22’); - detectar (S2) dados indicativos de um segundo padrão de escaneamento (22”) diferente do primeiro padrão de escaneamento (22’), sendo o segundo padrão de escaneamento (22”) um padrão de escaneamento (22”) seguido pelo feixe de energia (2) quando o sistema está operando como programado; - reprogramar (S3) o sistema com base nos dados indicativos do segundo padrão de escaneamento (22”).