BRPI9912231B1 - “Sistema para automaticamente controlar deposição em camadas de um material sobre um substrato e método de fabricação de um artigo" - Google Patents

Abstract

"aparelho e método para revestimento a laser". o sistema de revestimento a laser (102) é usado para acumular a formação de material sobre um substrato aquecendo um ponto localizado sobre um substrato formando um poço de fusão sobre o qual o material é alimentado para criar um depósito tendo uma dimensão física. um meio de detecção óptico acoplado a um sensor optoelétrico que recebe luz através de uma máscara com aberturas é usado para monitorar uma dimensão física do depósito, e um controlador de sinal de retorno (104) ajusta o laser de acordo com um sinal elétrico, daí controlando a taxa de deposição de material. na configuração preferida, a dimensão física é a altura do depósito, e o sistema adicionalmente inclui uma interface (106) com um sistema de projeto computadorizado incluindo a descrição do componente a ser fabricado, capacitando ao controlador de sinal de retorno (104) comparar a dimensão física do depósito com a descrição e ajustar a energia do sinal de retorno (110). o controlador de sinal de retorno (104) inclui um conjunto de circuitos para ajustar o laser (110).

Description

"SISTEMA PARA AUTOMATICAMENTE CONTROLAR DEPOSIÇÃO EM CAMADAS DE UM MATERIAL SOBRE UM SUBSTRATO E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM ARTIGO" Campo da Invenção [001] A presente invenção relaciona-se a métodos e aparelhos para formar depósitos de metal fundido, chamados "poços de fusão", sobre a superfície de uma peça de trabalho usando um feixe de laser e uma fonte de metal de deposição, tipicamente, um arame metálico ou metal em pó injetado. Histórico da Invenção [002] Correntemente, uma das dificuldades enfrentada pelos fabricantes é o intervalo de tempo entre o conceito e desenvolvimento de uma nova tecnologia e a introdução de produtos atuais ao mercado. Na fabricação, uma etapa crítica em relação ao limite de tempo para muitos produtos se refere ao projeto e fabricação de moldes e matrizes. Matrizes complexas podem levar de semanas a um ano para serem aperfeiçoadas, antes de permitir a fabricação do produto. Nos processos de fabricação correntes, etapas adicionais são necessárias para superar as deficiências dos atuais métodos de fabricação. Por exemplo, componentes nos moldes e matrizes devem ser usinados para prover canais de resfriamento e um acabamento superficial aceitável. [003] Processos conhecidos os quais depositam metal resultam em um produto sinterizado, através da fixação de óxidos e material ligado de forma inadequada. Mesmo no caso onde o revestimento de material aceitável ocorreu, o processo frequentemente cria tensões que devem ser aliviadas. Um destes processos conhecidos é o revestimento "cladding" a laser, onde um laser é usado para gerar um poço de fusão sobre um substrato de material, enquanto um segundo material, tipicamente um pó ou fio, é introduzido, fundido, e ligado metalurgicamente. [004] O revestimento geralmente se distingue a partir de uma ligação com base que o revestimento funde uma quantidade relativamente pequena do material do substrato base em relação à quantidade de material depositado, e o sistema de pó fornecer um volume controlado de partículas metálicas ao volume fundente. As partículas se dispersam neste volume fundente e formam uma deposição de uma composição desejada sobre a camada externa do substrato. A remoção do feixe de luz laser do volume fundente, assim como, pelo avanço do substrato na peça de trabalho em relação ao ponto focal do feixe faz com que o volume fundente seja resfriado rapidamente. O resfriamento ocorre tão rapidamente, que o volume frequentemente mantém as características da mistura fundente. [005] As técnicas convencionais de revestimento a laser movem o artigo metálico em relação ao ponto focal, através de dispositivos, peças transportadores, e similares. O ponto focal do feixe, assim, se mantém fixo no espaço, como o ponto de pulverização. O movimento uniforme do artigo metálico requer usualmente um dispositivo complicado, que é difícil de fabricar, muito caro, e usualmente sem muito sucesso, particularmente, com geometrias mais complicadas. Por este motivo, é quase impossível obter um revestimento a laser de partes metálicas tendo outras geometrias do que geometrias planas, em uma condição uniforme consistente. Até agora, não foi possível controlar as dimensões e propriedades do depósito. Um controle mais restrito das dimensões é necessário para aplicar a técnica de revestimento básica à produção de peças tendo tolerâncias mais restritas, com propriedades e microestrutura aceitáveis, e que possam ser produzidas a um custo razoável e dentro de um periodo de tempo razoável. [006] A presente invenção é útil para controlar automaticamente o acumulo de material sobre um substrato, e é particularmente útil na fabricação de peças metálicas através de operações repetitivas de revestimento conforme necessário para a fabricação de pequenos lotes de produção para protótipos e similares. Amplamente, em termos gerais, um laser é usado para aquecer localmente um ponto sobre um substrato, formando um poço de fusão, dentro do qual um pó é alimentado para criar um depósito tendo uma dimensão fisica. Um meio de detecção óptica acoplado a um sensor opto-elétrico é usado para monitorar uma dimensão fisica do depósito, e um controlador de retroalimentação é operativo para ajustar o laser de acordo com o sinal elétrico com isso controlando a taxa de deposição de material. [007] Na configuração preferida, a dimensão fisica é a altura do depósito, e o sistema adicionalmente inclui uma interface para um sistema de Desenho Auxiliado por Computador (CAD de Computer Aided Design), incluindo uma descrição de um artigo a ser fabricado, permitindo que o controlador de retroalimentação compare a dimensão fisica do depósito com a descrição e, ajuste assim a energia do laser. [008] Em termos do aparelho especifico, o meio de detecção óptica, preferivelmente, inclui uma máscara com aberturas, através das quais a luz a partir do depósito passa e alcança o sensor opto-elétrico, e o controlador de retroalimentação inclui uma circuitagem para ajustar o laser de acordo com a presença ou ausência da luz a partir do depósito. [009] Um sistema para fabricar automaticamente um artigo, de acordo com aspectos únicos da invenção, compreende um banco de dados do desenho auxiliado por computador, incluindo uma descrição do artigo a ser fabricado, uma mesa de trabalho para suportar o substrato, e meio de translação para mover o substrato em relação ao laser e meio de alimentação. Em um arranjo, o meio de translação move a mesa de trabalho, enquanto o laser e o meio de alimentação se mantêm estacionários, enquanto, em outra configuração, o meio de translação move o laser e o meio de alimentação enquanto a mesa de trabalho se mantém estacionária. Em uma alternativa adicional, ambos laser/material alimentado e mesa de trabalho/substrato podem ser movidos simultaneamente, preferivelmente controlados por um controle de retroalimentação. [0010] Um processo de fabricação de um artigo de acordo com um aspecto do método da invenção inclui as seguintes etapas: prover uma descrição do artigo a ser fabricado; prover um substrato sobre o qual forma o artigo; aquecer uma região localizada do substrato para formar um poço de fusão sobre o mesmo; alimentar material no poço de fusão, de modo a criar um depósito tendo uma dimensão física; monitorar opticamente a dimensão física do depósito; controlar a dimensão física de acordo com a descrição do artigo a ser fabricado; e avançar para uma região localizada diferente do substrato até a fabricação do artigo ser completada.

Breve Descrição dos Desenhos [0011] A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de deposição direta de metal incluindo o novo controlador de retroalimentação da invenção, e um sistema CAD/CAM para produção automatizada das peças; [0012] A Figura 2 é uma vista esquemática de um bocal de pulverização laser formando um poço de fusão sobre um artigo de substrato; [0013] A Figura 3 é uma vista esquemática de um bocal de pulverização laser formando um poço de fusão sobre um artigo de substrato, incluindo uma ilustração de uma porção do dispositivo de retroalimentação da invenção; [0014] A Figura 4 é um diagrama esquemático de um sistema de monitoramento óptico que ilustra características importantes de um controlador de retroalimentação da invenção; [0015] A Figura 5 é uma vista esquemática de um poço de fusão, um eixo geométrico óptico, uma máscara, e a orientação de um foto-transistor da invenção para detectar dimensão; [0016] A Figura 6 é equivalente a Figura 5, exceto pela inversão da mensuração das dimensões do poço em relação à Figura 5, da máscara e de seu posicionamento em relação ao dito material depositado. [0017] A Figura 7 é um diagrama de circuito elétrico de um arranjo de polarização de foto-transistor; [0018] A Figura 8a é um sinal de voltagem analógico para o laser antes do condicionamento e controle através do sistema de sistema de retroalimentação; [0019] A Figura 8b mostra uma queda de voltagem através do circuito de transistor como o resultado da altura da detecção do depósito; [0020] Na Figura 8c a curva mostra o sinal digitalizado a partir do foto-transistor enviado para controlar o laser; [0021] A Figura 8d mostra o sinal analógico modificado enviado ao laser que afeta a duração de pulso e a potência resultante do laser; [0022] A Figura 9 ilustra um exemplo especifico de uma estrutura monolitica formada por revestimento a laser sobre um substrato; [0023] A Figura 10 é um gráfico de um modelo de costura preferido; [0024] A Figura 11 apresenta uma vista em perspectiva de uma amostra padrão que é dotada de uma escala de medição de deformação residual proposta por um grupo independente. [0025] A Figura 12 é uma ilustração de uma matriz de ferramenta tendo as peças do núcleo e da cavidade preparadas de acordo com um método da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção [0026] A presente invenção relaciona-se nos métodos e aparelhos para monitorar e controlar a deposição de material sobre um substrato, tipicamente um metal. Em particular, a invenção é aplicável a processos baseados na formação/ sustentação de um poço de fusão por aquecimento a laser localizado, e a injeção de pó simultânea, tipicamente um metal. Os materiais de substrato e fluxo injetado são ligados para formar um depósito. No sistema único da invenção, pelo menos uma dimensão do depósito é monitorada e controlada para prover uma peça de trabalho completa com um contorno e dimensões desejadas, dentro de tolerâncias restritas. Em particular, o tamanho do depósito é proporcional à quantidade do segundo material injetado no poço de fusão. 0 conjunto único de monitoramento e controle da invenção compreende um controlador de retroalimentação que detecta uma dimensão do depósito, e varia a duração do pulso do feixe de laser com base na dimensão detectada. Preferivelmente, a altura do fundido é monitorada e a potência do feixe Laser é controlada inversamente a esta altura. [0027] A presente invenção combina técnicas de deposição direta de metal com um controle automatizado de retroalimentação direta para prover um produto final dentro de tolerâncias restritas e tendo propriedades metalúrgicas aceitáveis. A invenção combina técnicas de deposição metálica direta (DNM) com controle efetivo para a construção de peças, protótipos, moldes, e matrizes para tolerâncias restritas com geometrias complexas e boas características metalúrgicas. A invenção também provê a capacidade de acoplar um banco de dados CAD com uma deposição de metal direta, pela qual, uma peça completa pode ser fabricada com propriedades desejadas em um breve periodo de tempo e, em um sistema automatizado com intervenção humana limitada. [0028] A invenção agora será descrita fazendo referência às figuras. A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de deposição direta de metal 102, que inclui um inédito controlador de retroalimentação 104 da invenção e um sistema CAD/CAM 106 para a produção automatizada de peças. Os fatores considerados para afetar as dimensões da deposição de material incluem potência de laser, diâmetro do feixe, distribuição espacial e temporal do feixe, tempo de interação, e taxa de fluxo de pó. Dentre estes fatores, o monitoramento e controle adequados de potência de laser tem um efeito critico na capacidade para fabricar peças completas dentro de tolerâncias de controle. Consequentemente, o controlador de retroalimentação 104 da invenção, preferivelmente, coopera diretamente com o controle numérico (NC) 108, que, por si mesmo, controla todas as funções do sistema, incluindo a potência do laser. [0029] Ainda se referindo à Figura 1, o sistema compreende uma fonte de laser 110 tendo um meio de focalização de feixe adequado 112. A fonte de laser é montada sobre o substrato ou peça de trabalho, para focalizar o laser sobre o mesmo. O substrato da peça de trabalho está disposto sobre uma mesa de trabalho, embora qualquer número de uma variedade de arranjos possa ser usado para prover um movimento relativo entre o substrato da peça de trabalho e o bocal de pulverização laser. O sistema também inclui uma mesa de trabalho 114, uma fonte de energia elétrica 116, e um resfriador 118 para resfriar o laser. É preferido que a fonte de laser seja uma onda continua ou pulsante CO2, YAG, ou qualquer outro comprimento de onda de laser tendo uma densidade de potência suficiente para fundir o material a ser depositado. Tipicamente, é utilizado um laser de excitação por rádio-freqüência ou CO2 de alta potência. Preferivelmente, o feixe de laser é dirigido aproximadamente perpendicularmente à superfície do substrato da peça de trabalho. [0030] Como mostrado nas Figuras 2 e 3, o sistema inclui um conjunto de bocal 2 02 que opera sobre a peça de trabalho para aplicar uma camada de revestimento, injetando metal em pó no feixe. Conjuntos de laser e bocal deste tipo são descritos nas Patentes U.S. Nos 5.243.419 (Pratt et al) , 5.453.329 (Everett et al) e 5.477.026 (Buongiomo) . Um bocal de pulverização laser adequado é provido pela Quantum Laser Corporation de Norcross, Geórgia, e é como descrito na Patente U.S. N° 4.724.299. [0031] O bocal de pulverização laser provê uma saida comum para feixe e o pó, de modo que ambos sejam direcionados consistentemente para o mesmo ponto no substrato da peça de trabalho. Em uma configuração preferida, o conjunto do bocal de pulverização laser inclui um corpo de bocal com primeira e segunda porções extremas separadas, conforme descrito na Patente U.S. N° 4.724.299. Uma passagem de feixe se estende entre as porções extremas e permitindo que um feixe de laser passe através das mesmas. Um alojamento que envolve a segunda porção extrema é separado da segunda porção extrema para formar uma passagem anular. O alojamento tem uma abertura coaxial com a passagem de feixe para permitir que o feixe de laser passe através do mesmo. Um sistema de suprimento de pó de revestimento é operativamente associado com a passagem para suprir pó de revestimento ao mesmo, de modo que o pó saia da abertura coaxial com o feixe. [0032] O bocal de pulverização laser da invenção provê uma composição de revestimento uniforme, uma vez que o feixe sai do bocal substancialmente coaxialmente com o pó de revestimento, ambos tendo o mesmo ponto focal. O bocal tem uma saida comum para o feixe e o pó, de modo que ambos sejam consistentemente direcionados ao mesmo ponto sobre o artigo. Desta forma, é provido um ponto focal comum, que garante uma composição de revestimento uniforme. Resultados similares podem também ser obtidos através de um bocal de injeção lateral, no entanto, um bocal de injeção lateral restringe a direção do movimento de revestimento enquanto um bocal concêntrico permitirá a mudança da direção da deposição a qualquer momento. [0033] Técnicas convencionais de revestimento a laser movem o artigo metálico em relação a um ponto focal do feixe através do uso de dispositivos, transportadores de peças, e similares. O ponto focal do feixe, portanto, se mantém estacionário, assim como a posição do fluxo de pó metálico injetado. O movimento uniforme do artigo metálico usualmente requer um dispositivo complicado, o qual é de dificil fabricação, normalmente caro, e frequentemente sem muito sucesso, particularmente, com geometrias extremamente complexas. Por esta razão, o revestimento a laser das peças metálicas tendo geometrias complexas é dificil de obter de modo consistentemente uniforme. Robôs vêm se tornando uma peça padrão do equipamento operacional em muitas instalações industriais. O robô típico tem uma "munheca" ("wrist") com cinco graus de liberdade, cada um deles podendo se mover a uma velocidade constante. O robô pode ser energizado eletricamente, de forma hidráulica, ou pneumática, ou através de qualquer combinação destes meios. A utilização de um robô, em conjunção com um sistema de revestimento a laser, provê um meio para produzir um revestimento uniforme. O artigo pode se manter fixo no espaço, e o bocal pode, consequentemente, se mover em relação ao artigo em cooperação com o movimento do braço do robô. Alternativamente, o bocal pode se manter fixo e o artigo ser movido pelo robô. [0034] O controlador numérico 108 controla, preferivelmente, os componentes operantes do conjunto da Figura 1, incluindo as condições de operação do laser, aceitando as direções a partir do computador CAD/CAM 106 para a construção do artigo, peça, ou peça de trabalho. O controlador NC também recebe sinais de controle de retroalimentação a partir do controlador de retroalimentação para ajustar a sarda de potência do laser e, adicionalmente, controlar a posição relativa da mesa de trabalho e conjunto do bocal de pulverização laser. Um controlador numérico, tal como aquele da Figura 1, pode ser obtido a partir de vários fornecedores, incluindo FANUC, Allen Bradley, IGM, etc. O sistema CAD/CAM é de um tipo convencional e pode compreender uma estação de trabalho de qualquer fornecedor, tal como, da Sun Microsystem, Silicon Graphics, ou Hewlett-Packard. Dentre os aspectos requeridos do software CAD/CAM, é necessária a capacidade para gerar uma trajetória no substrato para a deposição de material. Isto permite uma rápida prototipação, e formar um objeto tridimensional sólido diretamente a partir das dimensões do CAD, incluindo a produção direta de protótipos metálicos utilizando o bocal de pulverização laser. [0035] Como melhor visto nas Figuras 2 e 3, o bocal de pulverização laser 202 forma um poço de fusão 204 sobre um artigo de substrato 206. Preferivelmente, o pó é injetado através de um bocal 208 ao redor do feixe de laser 204. É preferido que a projeção de feixe de laser sobre a superfície de substrato não seja um perfil Gaussiano. É preferido que a projeção de feixe de laser seja, relativamente, de uma forma geral de rosca, com a intensidade máxima ocorrendo perifericamente. Assim, em contraste com perfil Gaussiano, o ponto médio do perfil de feixe tem uma intensidade mais baixa. Isto provê um poço de fusão com uma distribuição de temperatura relativamente uniforme. No entanto, outras distribuições espaciais de feixe de laser podem ser adaptadas para o processo. [0036] A Figura 3 mostra um diagrama esquemático de um sistema de deposição direta de metal, incluindo um dispositivo de controle de retroalimentação 302. A energia fornecida a partir do laser é mostrada por uma seta maior, e uma seta menor mostra o pó sendo fornecido ao sistema de alimentação de pó. Água resfriada 306 é mostrada sendo fornecida à sarda do bocal de pulverização laser. A unidade de retroalimentação 302 preferivelmente está disposta diretamente adjacente ao ponto onde o laser e o pó incidem sobre a superfície da peça de trabalho 310. [0037] A Figura 4 é um diagrama esquemático de um sistema de monitoramento óptico, que ilustra os fundamentos fisicos do sistema de controle de retroalimentação. De modo geral, uma dimensão, tal como a altura do poço de fusão do revestimento a laser, é monitorada opticamente, e controlada eletronicamente. A superfície fundente em alta temperatura do poço de fusão emite intensamente na região de infravermelho. A figura de bastão da Figura 4 representa esquematicamente o poço de fusão. Um filtro passa banda estreita 410, preferivelmente no infravermelho, é colocado na frente da lente de câmara 412. A câmara exemplar tem um comprimento focal de 135 mm, com o único requisito de prover uma ampliação adequada do poço de fusão. [0038] A imagem é passada através de extensores cilíndricos 416, depois dos quais, uma porção da imagem (aproximadamente 10%) é refletida para um plano focal ativo de uma câmara de TV 42 0. Deve ser notado que a câmara não é estritamente necessária de acordo com a invenção, mas permite o monitoramento por um operador humano. A imagem refletida, preferivelmente, passa por um filtro de densidade neutra 422, colocado entre o refletor e o plano focal ativo da câmara de TV. A porção transmitida da imagem óptica passa pelo refletor, e a imagem ampliada é obstruída no ponto focal, para prover resolução espacial. A imagem que sai da máscara 426 passa por uma lente 428, e, então, para um dispositivo sensível a luz, tal como, foto-transistor 430. [0039] É importante que o ângulo do eixo óptico 440 e a magnificação do conjunto óptico seja tal que pequenas variações na altura do fundido possam ser percebidas pelo foto-transistor 430. Fazendo referência às orientações do sistema, conforme mostrado nas Figuras 5 e 6, a luz a partir de uma altura definida do poço de fusão tanto é obstruída do, ou permitida através do foto-transistor. A sensibilidade entre as duas condições é preferivelmente menor que 0,254 mm (0,010"). Ou seja, a sensibilidade limite entre as duas condições é ~0,254 mm (~0,010"), a janela de uma condição "não obstruída" é 2,54 mm (~0,100") antes de voltar para a condição "obstruída". [0040] A Figura 4 também ilustra a maneira na qual a análise espectroscópica pode ser incorporada à invenção através do uso de um divisor de feixe ou espelho de transmissão parcial 450, que direciona uma porção de luz recebida do objeto para um elemento de dispersão 460, tal como uma grade de difração, a luz a partir da qual é colimada com uma lente 462, e enviada para um detector 464, emitindo informação do conteúdo espectral ao longo da linha 4 66. Tal informação de conteúdo espectral pode ser usada para monitorar e/ou gravar dados passivamente em relação à composição de material do poço de fusão ou camada de revestimento, enquanto este se desenvolve, ou pode ser incorporada ao laço de retroalimentação para alterar a operação do sistema, de acordo com a composição de material. Por exemplo, a constituição do pó alimentado pode variar de acordo com os critérios do projeto e ser verificada por análise espectral, para garantir a provisão da liga apropriada ou mudança de composição de material. [0041] Também deve ser notado que embora a potência de laser seja preferivelmente a variável modificada, de acordo com um programa armazenado, outras variáveis também podem ser usadas separadamente ou em conjunção com a potência de laser. Por exemplo, a progressão ou tamanho do ponto de laser pode variar para atender critérios de projeto, ou, alternativamente, a alimentação de material pode ser ajustada. De fato, com um controle apropriado de um conjunto de parâmetros apropriados, a remoção de material pode também ser possível pela invenção junto com a construção do material, permitindo que erros ou imperfeições sejam corrigidos em operação, ou, alternativamente, permitindo a modificação de partes pré-existentes em relação a novos critérios de projeto. [0042] O sinal foto-transistor é processado por um circuito que controla a potência do laser. A maior parte dos lasers tem a capacidade de ser controlada por um único sinal de voltagem analógico, por exemplo, 0 e 12 Volts correspondem, respectivamente, às potências zero e máxima.

Qualquer voltagem entre estas voltagens gera uma potência correspondente. A maior parte dos lasers pode responder à voltagem analógica dentro de um milissegundo. 0 foto-transistor é capaz de detectar a presença ou ausência de luz, e varia sua condutividade. Sob a exposição à luz, a condutividade elétrica do foto-transistor aumenta e, por consequência, a tensão sobre ele cai. Como mostrado na Figura 7, o valor de "Rl" pode ser escolhido para ajustar a sensitividade adequada de modo que Vpt+V0üt= 5 Vols. Neste exemplo particular, 5 Volts fornece 50% da potência total, se a potência total for obtida com um sinal de 10 Volts. [0043] Referindo-se à Figura 5, um diagrama esquemático de um depósito fundente 502 é mostrado com uma máscara 504, disposta entre o depósito e o foto-transistor 506. Outros elementos do sistema foram eliminados para maior clareza. Como pode ser visto, a máscara tem forma plana e é um sólido com um furo, através do qual pode passar luz. Quando a altura do revestimento alcança um nivel pré-determinado, a luz, no comprimento de onda selecionado a partir do material do depósito, passa através da máscara, incidindo sobre o foto-transistor, como mostrado. Ao contrário, durante o período em que a luz permanecer abaixo do orifício da máscara, ela não incidirá no foto-transistor. Esta condição entre a luz e não-luz, pode ser usada para controlar e ajustar a operação do laser. [0044] A condição inversa é apresentada na Figura 6, onde, durante o período em que a luz transpassa o orifício da máscara, a altura do fundido está dentro das especificações; tão logo o foto-transistor entra na região de sombra da máscara, uma condição limite é detectada, já que não há mais incidência de luz no foto-transistor. Conforme a altura do poço de fusão muda de elevação, a imagem diminui até a luz começar a incidir sobre o foto-transistor. Em uma altura uniforme, a voltagem (V0ut) alcança a magnitude para passar de "feixe ligado" para "feixe desligado". [0045] A Figura 8 é uma série de curvas mostrando a relação dos sinais de controle de operação laser, resposta de foto-transistor à condição de luz/sem luz na forma de queda de voltagem, e como o sinal de foto-transistor controla a potência de laser. Em todos os casos, o eixo geométrico horizontal representa o tempo, e o eixo geométrico vertical representa a voltagem. A primeira curva da Figura 8a mostra um sinal de voltagem analógico para o laser, antes de qualquer condicionamento e controle pelo o sistema de retroalimentação da invenção. A segunda curva da Figura 8b mostra a queda de voltagem através do resistor do foto-transistor. Como pode ser visto na primeira curva, a voltagem analógica para o laser, antes de qualquer controle pelo o sistema de retroalimentação, é consistente e não ajustada com o tempo. Referindo-se à segunda curva da Figura 8, a voltagem cai através do resistor do foto-transistor da Figura 7, como mostrado durante operação de revestimento. [0046] No inicio do ciclo de operação, a impedância do foto-transistor é alta, que significa que não há luz detectável emitida a partir da superfície de fusão e transmitida através do filtro passa banda estreita seletivo. Como um resultado, a queda de voltagem através do resistor de foto-transistor é relativamente baixa. Na condição onde a luz é detectada, é mostrado um pico indicando que a impedância do foto-transistor é relativamente baixa, e a queda de voltagem através do resistor de foto-transistor também é relativamente alta. Na terceira curva (c) da Figura 8, a máxima queda de tensão sobre o foto-transistor provê um sinal que é digitalizado. A quarta curva (d) da Figura 8 demonstra como o sinal digitalizado modula a tensão analógica de alimentação original do Laser, alterando sua duração de pulso e a potência óptica de saída. Assim, a tensão de operação do Laser ao longo do tempo é ajustada de acordo com a queda de tensão sobre o foto-transistor e decorrente do comprimento de luz por ele monitorado. [0047] No aspecto de retroalimentação da invenção, o foto-transistor envia um sinal para o controlador numérico da Figura 1, que, então, ajusta a fonte de voltagem do laser, controlando a potência de laser, e finalmente ajustando a duração do laser incidente sobre o substrato da peça de trabalho. A voltagem do sinal analógico corresponde à potência de laser. Isto permite a deposição direta de metal e controle da altura de cada passe, conforme é construída camada sobre camada de revestimento. O sistema de retroalimentação, desta forma, controla as dimensões acumulativas da peça de trabalho. O controlador de retroalimentação da invenção essencialmente informa ao laser se a dimensão da peça de trabalho está sendo excedida, reduzindo a duração de tempo de "feixe ligado" de cada pulso. Quando o feixe está ligado, ocorre a deposição. Se a posição particular é muito alta, o laço de retroalimentação corta a potência de laser e a deposição se reduz consideravelmente. O controle e ajuste automatizados da invenção são críticos, uma vez que ajustes manuais não são efetivos. [0048] Em uso, o sistema pode ser usado para depositar material, pixel a pixel. Sem o controle de retroalimentação, depois de alguns minutos de acumulo de diversas camadas, a peça de trabalho pode se tornar distorcida, depois que a degradação adicional das condições pode conduzir a distorção e destruição. A vantagem do sistema de controle de retroalimentação da invenção é que, antes de ocorrer a distorção, o foto-transistor detecta a condição de luz/sem luz emitida em um único comprimento de onda do material da peça de trabalho, e um computador é pré-programado para reduzir a deposição até que o controlador de retroalimentação detecte uma condição aceitável, onde permite que os pulsos se estendam até seu valor máximo.

Exemplo 1 [0049] Para esta pesquisa, uma matriz de aço para trabalho a quente cromo-molibdênio, H13, foi depositado diretamente sobre substratos de H13 forjado. Esta liga, comumente usada em matrizes de fundição, foi analisada por seu potencial, utilidade em altos volumes para a fabricação rápida de ferramental de fundição. Comparações de tratamento térmico para ambos DMD e H13 forjado foram realizadas nas seguintes áreas: 1) dureza na "condição revestida", ductilidade, e microestrutura; 2) resposta de recozimento inicial; e 3) resposta de recozimento para material temperado em óleo austenizado (a 1010°C). [0050] Para replicar um sistema comercial, dois modos de deposição de revestimento foram analisados. Uma taxa de deposição metálica baixa, de baixa potência, foi selecionada uma vez que este processamento corresponde aos parâmetros usados nos detalhes e bordas. Um modo de taxa de deposição metálica alta, de alta potência, foi usado uma vez que corresponde ao método usado para adicionar material a granel. Estas duas formas de processamento se referem, respectivamente, ao revestimento fino e grosseiro. 0 sistema de retroalimentação foi usado no revestimento "fino". [0051] As condições de produção usadas para o revestimento grosseiro consistiam de ponto focal de 1,1 mm para uma varredura de 3,5 mm, para a fabricação de uma parede vertical grossa 1-D. A potência de laser foi 4500 W e taxa de alimentação de pó foi 16 g/min. O pó foi suprido perpendicular à direção da varredura. O feixe e o fluxo de pó foram desligados ao fim de cada passe e as camadas subsequentes foram acumuladas em deslocamentos de 750 mm/min na mesma direção. Camadas sucessivas foram depositadas para criar um revestimento com 3,5 mm de largura, 70 mm de altura, 12 0 mm de comprimento em um substrato de aço de baixo-carbono. Durante este processo, a temperatura do revestimento não foi medida, mas a radiação visível foi observada depois de depositadas as primeiras 5-10 camadas. Uma barra de tração, na direção perpendicular ao revestimento, foi usinada a partir da amostra "na condição revestida", como mostrado na Figura 9. Durante o teste de tração, um extensômetro mediu a tração na seção de medição. [0052] Para revestimento fino, o pó metálico e gás de proteção foram alimentados concentricamente. O poço de fusão foi formado em um ponto com diâmetro de 0,6 mm. A velocidade da amostra para ambos tipos de processos de revestimento foi 750 mm/min. A potência de laser e taxa de alimentação de pó foram, 1000 W e 5 g/min para o processamento fino. Um sistema de retroalimentação monitorou a altura de poço de fusão, enquanto a amostra seguia um padrão de costura, conforme a Figura 10. A espessura de cada camada depositada é de 250 micra. Um bloco de 90 mm de altura foi assim construido. H13 foi usado para ambos, o substrato e a deposição para permitir uma comparação direta entre a técnica da deposição Laser e a técnica de forjamento nas etapas posteriores de tratamento térmico. [0053] As análises de dureza e microestrutura do revestimento da peça de trabalho e H13 forjado, na condição de tratamento térmico, são muito similares. Ambas continham martensita temperada, e alguma austenita retida. Depois de austenização a 1010°C por 1 hora, a maior parte das evidências da estrutura de solidificação dentritica foi removida por difusão. No entanto, o enfeixamento causado pela segregação de liga ficou evidente no substrato forjado. Os resultados desta análise demonstraram ser possível que a construção de múltiplas camadas pelo revestimento, para formar uma peça de trabalho tendo características equivalentes àquelas de uma peça convencional forjada.

Exemplo 2 [0054] A administração de tensão residual e a distorção resultante são fatores críticos para o sucesso deste processo para demonstração da capacidade de produzir componentes tridimensionais. O acumulo de tensões residuais é a maior causa de trincas na fabricação de componentes de aço ferramenta. Para entender a geração de tensão, uma amostra foi projetada para estimar o acumulo de tensão por camada. Isto resultou na estratégia de depositar múltiplas camadas, antes que as tensões residuais acumuladas viessem a causar trincas. Depois da deposição de um número de camadas pré-determinado, um alívio de tensão foi executado antes das camadas adicionais serem depositadas. Esta estratégia conduziu a fabricação com sucesso de um componente XMS-Tl em tamanho total, conforme na Figura 11. Acredita-se que esta tenha sido a primeira vez da fabricação deste projeto de teste de ΙΜΞ-Τ1 em aço ferramenta H13 por deposição direta de metal. [0055] Os parâmetros do processo dó Exemplo 2 são dados imediatamente a seguir;

Amostra MSF TI [0056] A amostra fabricada foi enviada a um laboratório independente para a medição de tensão residual. A Figura 11 também mostra os pontos onde a tensão foi medida. As posições 2, 6 e 5 foram depositadas durante o último ciclo, e mostram tensões de compressão residuais, uma vez que não sofreram alivio de tensões. Outras localizações depositadas em ciclos anteriores e subsequentemente submetidas a alivio de tensões, mostraram tensões residuais desprezíveis, enquanto a máxima tensão neste local sem alivio de tensão foi +49,4 KSI. [0057] Foram preparadas matrizes de moldagem de injeção com blocos de resfriamento de cobre e canal de resfriamento de água, e uma matriz de corte também foi fabricada. Estes componentes tinham uma tolerância dimensional muito restrita, todos com uma tolerância dimensional de poucos milésimos de uma polegada. Estes exemplos mostram a viabilidade do processo DMD para a fabricação bem sucedida de componentes tridimensionais com liga H13. O processo é capaz de controlar a microestrutura e, assim, propriedades através de um cuidadoso controle dos parâmetros de processo. A resposta ao tratamento térmico dos componentes depositados por laser e componente de aço H13 forjado é a mesma. Na verdade, um revestimento H13 a laser, tratado termicamente, é mais homogêneo estruturalmente do que um H13 forjado. [0058] Os métodos e aparelhos da invenção fornecem a capacidade de estabelecer e refinar componentes de qualquer geometria que possam ser produzidos a partir de um banco de dados de computador. Há muitas aplicações importantes. Uma é a prototipagem e/ou fabricação rápida, que produz muito mais rapidamente protótipos ou ferramentas de fabricação. Outra aplicação é para a produção de componentes em pequenos lotes para usuário especifico, onde uma pequena quantidade pode ser produzida a custos razoáveis. Isto é particularmente vantajoso na fabricação de dispositivos médicos, tais como partes de próteses artificiais para seres humanos. Outras aplicações potenciais incluem moldes para fabricação/injeção de polímeros, insertos para moldes de fundição de matrizes de aluminio, que reduzem consideravelmente os prazos de entrega e vitrificação de camadas. [0059] A invenção provê a condição para controlar microestrutura, composição, tensões residuais e propriedades mecânicas. O sistema é capaz de fabricação "sem supervisão" utilizando um laço de retroalimentação para controle de processo e integração de hardware e software no sensor de laço do controle de retroalimentação para operação automatizada. A modelação matemática é facilmente desenvolvida para os diferentes materiais usados no processo.

Outros componentes podem ser facilmente integrados no sistema, incluindo sensores elétricos e piezelétricos para a medição do acumulo de tensões e cargas residuais, distorção induzida por tensões, e monitoramento da iniciação de trincas.

Claims (15)

1- Sistema para fabricar automaticamente um artigo, compreendendo um banco de dados (106) de um sistema de projeto computadorizado incluindo uma descrição do artigo a ser fabricado; uma mesa de trabalho (114) para suportar um substrato (206); um laser controlável (110) produzindo um feixe direcionado para uma região localizada do substrato (206) e adaptado para formar um poço de fusão (204) sobre o mesmo; um meio (208) acoplado ao laser (110) para alimentar material para dentro do poço de fusão (204) de modo a criar um depósito de material tendo uma altura; um meio de movimento para deslocar o substrato (206) em relação ao laser (110) e ao meio de alimentação (208), sendo o sistema caracterizado pelo fato de compreender ainda: um meio de detecção óptico (302) operativo para produzir um sinal elétrico indicativo da altura do depósito de material enquanto este estiver sendo criado; e um controlador por realimentação (104) que é operativo para ajustar o laser (110) de acordo com o sinal elétrico, controlando a taxa de deposição de material, sendo que o controlador por alimentação (104) é operativamente interfaceado ao meio de movimento e ao laser (110) e configurado para automaticamente ajustar a altura do depósito de material de acordo com a descrição do artigo a ser fabricado no banco de dados (106) do sistema de projeto computadorizado.

2- Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o meio de movimento deslocar a mesa de trabalho (114) enquanto o laser (110) e o meio de alimentação (208) permanecem estacionários.

3- Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o meio de movimento deslocar o laser (110) e o meio de alimentação (208) enquanto a mesa de trabalho (114) permanece estacionária.

4- Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o substrato (206) ser metálico e de o material alimentado para dentro do poço de fusão (204) ser um pó metálico.

5- Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o meio controlador por realimentação (104) ajustar a potência do feixe de laser para ajustar a taxa de deposição de material.

6- Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o meio controlador por realimentação (104) ajustar o tamanho de ponto do feixe de laser (110) para ajustar a taxa de deposição de material.

7- Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o meio controlador por realimentação (104) ajustar a taxa de alimentação de material para ajustar a taxa de deposição de material.

8- Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o meio controlador por realimentação (104) ajustar a taxa de movimento entre o feixe de laser (110) e o substrato (206) para ajustar a taxa de deposição de material.

9- Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o meio de detecção óptico (302) incluir uma máscara (504) com aberturas, através das quais passa luz do depósito, para alcançar o sensor optoelétrico (506).

10- Método de fabricação de um artigo, compreendendo as etapas de a) prover descrição de um artigo a ser fabricado; b) prover um substrato (206) sobre o qual deve ser formado o artigo; c) prover um laser (110) controlável produzindo um feixe para aquecer uma região localizada do substrato (206) para formar um poço de fusão (204) sobre o mesmo; d) alimentar material para dentro do poço de fusão (204) de modo a criar um depósito de material tendo uma altura, sendo o processo caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de: e) monitorar opticamente e controlar automaticamente a altura do depósito de material, de acordo com a descrição do artigo a ser fabricado, avançando para uma diferente região localizada do substrato (206) e repetindo as etapas (c) a (e) até que a fabricação do artigo seja terminada.

11- Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a etapa (e) incluir deslocar o substrato (206), enquanto o laser (110) e o meio de alimentação (208) permanecem estacionários.

12- Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a etapa (e) incluir deslocar o laser (110) e o meio de alimentação (208), enquanto o substrato (206) permanece estacionário.

13- Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o substrato ser metálico e de o material alimentado para o poço de fusão (204) ser um pó metálico.

14- Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de incluir inclinar o substrato enquanto o laser (110) e o meio de alimentação (208) permanecem estacionários.

15- Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a altura ser normal ao substrato (206).