ES2212364T3 - Procedimiento y dispositivo para la eliminacion de material de una superficie de una pieza. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para el arranque de material de una superficie de una pieza (11) donde el arranque de material se efectúa por capas irradiando un punto de mecanizado (34,46) situado sobre la superficie de la pieza mediante un rayo láser (12) procedente de un cabezal de mecanizado (13), realizándose el arranque por capas sirviéndose de un sistema de conducción del rayo láser que conduce al láser sobre la superficie de la pieza dentro de un campo de mecanizado (Bx,By,31a-d,41a-d) especificado por el dispositivo, comprendiendo unas fases de posicionamiento en las que después de comenzar el arranque de material se modifica la posición relativa de la pieza (12) y del cabezal de mecanizado (13), de acuerdo con un primer y/o un segundo criterio, caracterizado porque la posición relativa se ajusta de tal manera que un límite (31-33, 40-45) del campo de mecanizado (Bx,By,31a-d,41a-d) para puntos de mecanizado iguales (34, 36) llegue a estar situado en campos diferentes de la superficie de la pieza.

Description

Procedimiento y dispositivo para la eliminación de material de una superficie de una pieza.

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para el arranque de material de una superficie de una pieza, conforme a los preámbulos de las reivindicaciones independientes. Un procedimiento para el mecanizado de superficies se conoce por la patente US-A-4.914.270 y de la DE 42 09 933.

Un procedimiento adecuado para la obtención de formas complejas es el de arrancar material sólido de acuerdo con la forma deseada. La cavidad que se forma puede corresponder o bien al producto final deseado (por ejemplo, un molde de fundición), o el material restante puede corresponder a una pieza que se trata de fabricar. Una forma de arranque de material para estructuras especialmente finas es mediante un rayo láser.

La figura 1 muestra esquemáticamente el dispositivo correspondiente. Una bancada 16 lleva una mesa portapiezas 14, fija o desplazable, sobre la cual se encuentra una pieza 11. También va fijada a la bancada 16 un cabezal láser 13 que emite un rayo láser 12, para producir con él una depresión 10 en la pieza 11. El arranque de material se efectúa respectivamente desde la cara/superficie de la pieza accesible en cada momento. El rayo láser que es comparativamente de alta energía irradia la superficie de la pieza que está precisamente accesible provocando allí la evaporación o fusión del material de la pieza. Por lo general, el arranque se hace por capas. El rayo láser se dirige explorando la superficie de la pieza mediante una conducción del rayo láser, por ejemplo, de manera que vaya barriendo la superficie en forma de meandros, arrancando con ello por fusión y evaporación una capa de acuerdo con los límites deseados.

En la figura 1 se indican esquemáticamente las coordenadas x e z. La coordenada y atraviesa hacia abajo el plano del dibujo. Las capas en las que se efectúa el arranque están situadas esencialmente en el plano x-y, respectivamente en diversas posiciones del eje z.

Condicionado por la construcción, el campo de trabajo del dispositivo es por lo general limitado. Por ejemplo, el rayo láser no se puede llevar hasta donde se quiera o desviar todo lo que se quiera. En la figura 1 esto está representado esquemáticamente en la parte inferior. Con la referencia 13 se simboliza la fuente del rayo láser. 12a y 12b designan respectivamente las desviaciones máximas posibles del rayo láser en la dirección x (por ejemplo, mediante espejos). Entonces puede barrer en dirección x como máximo un campo Bx. Unas consideraciones semejantes son aplicables a la dirección y. De este modo, el dispositivo tiene un campo de mecanizado B que generalmente tiene unos límites rectangulares y que en la dirección x tiene una dimensión Bx y en la dirección y una dimensión By.

Si el arranque del material se ha de efectuar en una zona de la pieza 11 que sea mayor que el campo de mecanizado Bx, By, existe en principio la posibilidad de modificar la posición relativa de la pieza 11 y del cabezal láser 13 después de haber arrancado una capa en una zona de mecanizado. De este modo se desplaza la posición de la zona de mecanizado sobre la pieza en forma adecuada de manera que ahora se puede mecanizar otra zona de la pieza.

En la figura 2 se representa esto esquemáticamente. La figura 2 muestra en planta y en sección una matriz 10 que se trata de fabricar. Se supone como ejemplo una cubeta poco profunda en la que siguen de pie cuatro columnas. La forma negativa se asemeja a un gran botón. Con 21-24 se indican cuatro posicionamientos para el campo de mecanizado del dispositivo. Éstos están elegidos de tal manera que quedan directamente adosados y que combinados cubren la superficie deseada. Cada una de las zonas de mecanizado tiene las dimensiones Bx y By. De este modo se obtiene un primer criterio que hace necesario modificar la posición relativa entre la pieza 11 y el cabezal láser 13. Esto corresponde a la necesidad de desplazar el campo de mecanizado con relación a la pieza de tal manera que se pueda mecanizar una superficie de la pieza que tenga unas dimensiones tales que no encaje totalmente dentro del campo de mecanizado del dispositivo.

Otro criterio para la modificación de la posición relativa se describe haciendo referencia a la sección en la figura 2. La referencia 20 designa el contorno de la matriz representada en la parte superior en una vista en planta. Pero si se supone una matriz más pequeña, tal como se indica por ejemplo, mediante el contorno de trazos 20', una pieza de estas dimensiones cabría perfectamente dentro del campo de mecanizado Bx, By del dispositivo. No obstante pueden surgir problemas por cuanto determinadas zonas podrían quedar en sombra para el rayo láser. En la sección de la figura 2 esto sucede en las zonas 26a, si se supone que la fuente de luz está centrada sobre la matriz. Otras zonas 26b pueden en determinadas circunstancias recibir la luz láser con un corte tan rasante que ya no se puedan ajustar unas condiciones de arranque definidas. Por lo tanto puede ser también deseable modificar la posición relativa en el caso de matrices "pequeñas", con el fin de evitar sombras y/o para conseguir unos ángulos de incidencia adecuados de la luz láser sobre las paredes de la matriz. Volviendo otra vez a la figura 1, parte inferior, se podría decir que la modificación de la posición relativa es deseable, ya que es deseable que determinados puntos de mecanizado de la pieza se encuentren en determinadas zonas parciales del campo de mecanizado Bx, By. Por ejemplo, con la parte derecha del cono de la figura 1, parte inferior, se podrían alcanzar de manera relativamente conveniente las paredes izquierdas de las columnas y los ángulos resultantes en el fondo de la matriz, mientras que con la parte izquierda del cono de la figura 1, parte inferior, se podrían alcanzar convenientemente las paredes derechas de las columnas que se trata de obtener y los ángulos correspondientes en el fondo de la matriz.

Los dos criterios pueden ser necesarios combinados entre sí, por ejemplo, para la obtención de la matriz representada en la figura 2, que por una parte es mayor que el campo de mecanizado y por otra presenta zonas en sombra y paredes relativamente verticales.

Si durante el arranque por capas se desplazan ahora las posiciones relativas de acuerdo con los criterios antes citados, pueden surgir problemas en el sentido de que determinados puntos de mecanizado de la pieza se encuentren siempre en la misma zona del campo de mecanizado del dispositivo. Por principio hay que partir de que las características de mecanizado, y en particular la precisión, no son homogéneas para todo el campo de mecanizado Bx, By. Para esto son especialmente críticas las zonas del borde, porque aquí hay en cierto modo unas discontinuidades, sea porque se enciende o apaga el rayo láser o porque se detiene el movimiento, por ejemplo, en la dirección x y se inicia un movimiento en la dirección y. Estas discontinuidades dan lugar a faltas de precisión en la fabricación que se pueden sumar negativamente dada la estructuración por capas de la matriz.

El objetivo de la invención es el de describir un procedimiento y un dispositivo para el arranque de material de una superficie de una pieza con el cual se puedan evitar faltas de precisión en la fabricación debido a unas características de arranque irregulares dentro del campo de mecanizado.

Este objetivo se resuelve mediante las características de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes se refieren a formas de realización preferidas de la invención.

De acuerdo con la invención se ajusta la posición relativa entre la pieza y el cabezal de mecanizado, además de uno o ambos criterios antes citados, de tal manera que los límites del campo de mecanizado para puntos de mecanizado iguales (con relación a las coordenadas x e y) queden en distintas zonas de la superficie de la pieza.

De acuerdo con la invención se procura que en una capa más profunda los límites del campo de mecanizado queden en la pieza de manera distinta que en una capa anterior. Con esto no se pueden evitar ciertamente posibles irregularidades dentro del campo de mecanizado, pero sin embargo las irregularidades no se suman sino que se promedian debido al desplazamiento de los límites, por una parte, y por otra se pueden compensar con técnicas de regulación.

Haciendo referencia a los dibujos se describen a continuación diversas formas de realización de la invención, mostrando las figuras:

Fig. 1 un dispositivo en el que se puede aplicar la invención;

Fig. 2 un ejemplo de una matriz que se trata de fabricar;

Fig. 3 esquemáticamente el posicionamiento conforme a la invención de las zonas de mecanizado en las distintas capas;

Fig. 4 otro ejemplo del posicionamiento objeto de la invención de las zonas mecanizado en las diferentes capas;

Fig. 5 una representación esquemática para explicar las consideraciones relativas al posicionamiento de la zona de mecanizado.

La figura 1 ya se ha descrito anteriormente. En ésta se puede aplicar la invención, implantándola por ejemplo, en un sistema de mando o regulación que no está representado. La posición relativa entre el cabezal láser 13 y la pieza 11 se puede modificar por principio, por ejemplo, al situar la pieza 11 sobre una mesa-portapiezas desplazable 14. La posición de la mesa-portapiezas 14 se puede controlar o regular en dirección x e y. En lugar de esto o además de esto, también se puede desplazar el cabezal láser 13 con relación a la bancada 16 controlándolo o regulándolo en dirección x e y.

Si para la fabricación de una matriz es necesario desplazar la posición relativa entre la pieza 11 y el cabezal láser 13 (para fabricar una pieza que no encaje completamente dentro del campo de mecanizado Bx, By del dispositivo y/o para evitar sombras o ángulos de incidencia desfavorables del rayo láser 12 sobre las paredes de la pieza), se ajusta además la posición relativa de tal manera que en las distintas capas, los límites del campo de mecanizado queden sobre zonas diferentes de la superficie de la pieza.

En la figura 3 esto está representado esquemáticamente. Se parte de la misma matriz 10 de la figura 2. Las estructuras representadas de trazos 31, 32 y 33 muestran respectivamente límites de zonas de mecanizado en diferentes capas de la matriz. El posicionamiento puede efectuarse, por ejemplo, en la forma siguiente.

Al arrancar una primera capa se ajustan los límites de mecanizado de acuerdo con las líneas de trazos 31. De esta manera se obtienen cuatro posicionamientos relativos conforme a los respectivos desplazamientos 31a, 31b, 31c y 31d del campo de mecanizado. Éstos están elegidos preferentemente de manera que los unos queden directamente contiguos respecto a los otros. Las distintas posiciones relativas de conformidad con 31a-d se van controlando o ajustando sucesivamente.

Una vez que se haya ajustado una de las posiciones relativas (véase por ejemplo, 31b) se efectúa el arranque dentro de esta zona de mecanizado. La conducción del rayo láser y/o el propio rayo láser se controlan de tal manera que dentro del campo de mecanizado 31b solamente se efectúe el arranque de material en la zona 35 marcada de rojo. Por ejemplo, se puede hacer pasar el rayo láser en forma de meandros encima de la superficie, para lo cual se pueden ajustar los límites de acuerdo con el dibujo que se trata de arrancar, pulsando el rayo láser y/o mediante la limitación de la conducción del rayo láser.

Una vez que haya concluido el arranque en una zona de mecanizado 31b, se ajusta la zona de mecanizado siguiente 31c. En principio se repiten allí los procesos que se acaban de describir. A continuación se ajusta la zona de mecanizado 31d, que suponemos es la última zona de mecanizado. Entonces ha terminado el arranque de una capa.

Para el arranque en la capa inmediata más profunda se pueden elegir ahora las posiciones relativas de tal manera que resulten otros límites para los campos de mecanizado, por ejemplo, a lo largo de las líneas de trazos 32. También mediante este trazado de límites se cubre con el tiempo totalmente la matriz. Sin embargo, y en la capa más profunda los límites están situados de manera distinta que en la más alta. Por lo tanto los límites del campo de mecanizado en una capa, con relación a un mismo punto de mecanizado (en dirección x e y, por ejemplo, 34 en la figura 3) están situados de manera distinta que en una capa anterior.

Caben imaginar diversas estrategias para el desplazamiento de los límites 31 al 33, de una capa a la otra. Así, por ejemplo, se puede elegir un criterio alternante en el que se desplazan los límites de capa a capa entre las posiciones 31 y 33. No es preciso que se efectúe un desplazamiento de límites para cada capa. Por ejemplo se pueden realizar varias capas dentro de los límites 31, varias capas dentro de los límites 32, varias capas dentro de los límites 33, etc. El trazado de los límites se puede desplazar de una capa a la siguiente de forma sistemática o con un control aleatorio, debiendo efectuarse siempre teniendo en cuenta uno o ambos de los criterios citados inicialmente.

La figura 4 muestra esquemáticamente una matriz, cuyas dimensiones se suponen tales que se puedan alcanzar dentro de un único posicionamiento del campo de mecanizado del dispositivo. No obstante es preciso obtener unas paredes verticales 47, 48 y el tetón puede dar lugar a sombras en la parte del fondo de la matriz. Por eso se hacen también aquí necesarios los desplazamientos de la posición relativa. Éstos corresponden al segundo de los criterios citados inicialmente. Para el arranque de una capa se ajustan, por ejemplo, las posiciones relativas correspondientes a 41a-d, donde 41a y 41b limitan a lo largo del límite 40 y 41c y 41d a lo largo del límite 45. Mediante el trazado de estos límites se pueden alcanzar las paredes del tetón respectivamente en determinados sectores o mecanizarlos eligiendo un ángulo más conveniente. Una vez ajustadas las posiciones relativas 41a-41d se completa el mecanizado de una capa.

Al mecanizado de la capa siguiente más profunda se pueden desplazar los límites trazados y en particular los límites comunes, en comparación con la capa anterior. En lugar de la "costura" 40 entre 41a y 41b se puede elegir, por ejemplo, otra posición para la "costura" siguiente, por ejemplo, a lo largo de la línea 49, y después a lo largo de la línea 44. Esto mismo es aplicable para las "costuras" 42 y 43. También de esta manera se evita el efecto acumulativo de unas características de mecanizado desiguales dentro del campo de mecanizado del dispositivo.

La referencia 46 designa un punto de mecanizado con unas coordenadas x e y constantes. Para este mismo punto de mecanizado 46 de la matriz se ajustan diferentes límites del campo de trabajo 40-45 según va progresando la cavidad.

La figura 5 muestra las consideraciones relativas al ángulo de incidencia del rayo láser. El rayo láser está designado por 12. Por lo general se puede modelar como una herramienta cónica ya que se trata de un haz de luz enfocado en la posición de mecanizado momentánea. El cono viene indicado por los límites 51 y 52. 53 corresponde a su eje central. 11 es la pieza, 10a, b es la matriz que se trata de fabricar, donde 55 y 56 son las paredes definitivas de la matriz mientras que 54 es el fondo momentáneo. Las paredes de la matriz 55, 56 continuarán de acuerdo con las líneas de trazos 55a y 56a, y aparecen cuando se haya profundizado la matriz. Para poder fabricar las paredes 55 y 56 de la forma más definida posible es deseable que el ángulo de incidencia del rayo láser no vaya demasiado rasante a lo largo de la pared 55. Está dibujado un ángulo \beta que trata de ser el ángulo entre la tangente a la pared en el punto de trabajo y el eje central 53 del rayo láser. El posicionamiento relativo entre la pieza y el cabezal de mecanizado deberá ser tal que el ángulo sea \beta > 10º, preferentemente > 15º. En el ejemplo de la figura 5 la pared 56 es totalmente inalcanzable con el posicionamiento relativo momentáneo. Queda en sombra y solamente podrá ser alcanzado por el rayo láser cuando se haya modificado la posición relativa.

El arranque de una capa dentro de un campo de trabajo se efectúa por lo general alternando respecto a la variación de posición relativa entre pieza y cabezal de mecanizado. Igualmente cabe imaginar soluciones en las que la modificación del posicionamiento relativo y el arranque de una capa se realicen simultáneamente.

De una forma muy general se puede decir por lo tanto que el posicionamiento relativo entre la herramienta y la pieza se efectúa, además de otros criterios, de tal manera que puntos iguales dentro del campo de mecanizado de la pieza no estén situados siempre sobre posiciones de mecanizado iguales en la pieza cuando el arranque se efectúe por capas. De esta manera se pueden evitar errores acumulativos y producir una matriz de alta calidad.

A título de ejemplo se indican a continuación algunos valores numéricos típicos. El arranque por capas se efectúa mediante equipos láser de CO_{2} con espesores de capa inferiores a 1 mm, preferentemente inferiores a 100 \mum, y en el caso de equipos láser YAG, preferentemente inferiores a 10 \mum. La separación útil entre el cabezal 13 y la superficie de la pieza 11 es por lo general inferior a 200 mm, preferentemente inferior a 150 mm. Las dimensiones del campo de mecanizado son por lo general rectangulares, siendo las longitudes de lado Bx, By por lo general inferiores a 100 mm. Las dimensiones de la pieza 11 en las direcciones x e y pueden ser en principio cualesquiera si se autorizan desplazamientos de acuerdo con el primer criterio citado inicialmente. Se pueden producir profundidades de matriz desde unas pocas \mum hasta muchos mm. Con unas fases de mecanizado relativamente finas se debe preferir hoy día (1998) un láser YAG, en particular un láser YAG de neodimio o un láser YAG Q-Switch. Los láser CO_{2} son hoy día adecuados para espesores de capa mayores, por ejemplo, mayores que 100 \mum.

La conducción del rayo láser puede efectuarse mediante espejos orientables que conduzcan un rayo láser procedente de una fuente de rayos láser fija. Se pueden disponer dos espejos de tal manera que su giro respectivo provoque el movimiento de la mancha luminosa en la dirección x o y. El mando común permite entonces barrer todo el campo de mecanizado con la mancha luminosa. Los procesos indicados son activados, controlados o regulados por un mando electrónico, y por lo general digital.

Claims (18)

1. Procedimiento para el arranque de material de una superficie de una pieza (11) donde el arranque de material se efectúa por capas irradiando un punto de mecanizado (34, 46) situado sobre la superficie de la pieza mediante un rayo láser (12) procedente de un cabezal de mecanizado (13), realizándose el arranque por capas sirviéndose de un sistema de conducción del rayo láser que conduce al láser sobre la superficie de la pieza dentro de un campo de mecanizado (Bx, By, 31a-d, 41a-d) especificado por el dispositivo, comprendiendo unas fases de posicionamiento en las que después de comenzar el arranque de material se modifica la posición relativa de la pieza (12) y del cabezal de mecanizado (13), de acuerdo con un primer y/o un segundo criterio, caracterizado porque la posición relativa se ajusta de tal manera que un límite (31-33, 40-45) del campo de mecanizado (Bx, By, 31a-d, 41a-d) para puntos de mecanizado iguales (34, 36) llegue a estar situado en campos diferentes de la superficie de la pieza.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer criterio es la modificación de la posición relativa para cubrir una superficie de la pieza (11) que se trata de mecanizar, que sea mayor que el campo de mecanizado.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el posicionamiento relativo se efectúa de tal manera que el emplazamiento de un límite del campo de mecanizado en una de las capas queda desplazado en comparación con su emplazamiento en otra capa.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque dentro de una capa se efectúa el posicionamiento relativo de tal manera que los límites del campo de mecanizado en las diferentes posiciones relativas quedan inmediatamente contiguos.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo criterio es la variación de la posición relativa para mecanizar un determinado punto de mecanizado de la pieza en un determinado campo parcial del campo de mecanizado.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque dentro del marco del segundo criterio se tiene en cuenta el ángulo de incidencia (\beta) del rayo láser sobre el punto de mecanizado y/o las posibles sombras del rayo láser respecto al punto de mecanizado.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el posicionamiento se efectúa de tal manera que el ángulo de incidencia (\beta) es como mínimo de 10º, preferentemente como mínimo de 15º respecto a la superficie producida de una matriz producida por el arranque de material.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las fases de posicionamiento y el arranque de material se realizan alternando.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las fases de posicionamiento y el arranque se realizan simultáneamente.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la conducción del rayo láser se efectúa mediante espejos giratorios.

11. Dispositivo para arranque de material de una superficie de una pieza (11), en particular para realizar el procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, efectuándose el arranque de material por capas mediante irradiación de un punto de mecanizado (34, 46) situado sobre la superficie de la pieza mediante un rayo láser (12) procedente de un cabezal de mecanizado (13), con una conducción del rayo láser que conduce el rayo láser (12) dentro del campo de mecanizado (Bx, By, 31a-d, 41a-d) sobre la superficie de la pieza (11), un dispositivo de posicionamiento que después de comenzar el arranque de material puede modificar la posición relativa de la pieza (11) y el cabezal de mecanizado (13) de acuerdo con un primer y/o un segundo criterio, caracterizado porque el dispositivo de posicionamiento puede ajustar la posición relativa de tal manera que un límite (31-33, 40-45) del campo de mecanizado (Bx, By, 31a-d, 41a-d) para puntos de mecanizado iguales (34, 36) llegue a estar situado en campos diferentes de la superficie de la pieza.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque el primer criterio es la modificación de la posición relativa para cubrir una superficie de la pieza (11) que se trata de mecanizar, que es mayor que el campo de mecanizado (Bx, By, 31a-d, 41a-d).

13. Dispositivo según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque el segundo criterio es la modificación de la posición relativa para mecanizar un determinado punto de mecanizado de la pieza (11) en un determinado campo parcial dentro del campo de mecanizado (41a-d).

14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque la conducción del rayo láser se efectúa mediante espejos giratorios.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque el campo de mecanizado (Bx, By, 31a-d, 41a-d) tiene forma rectangular.

16. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque el dispositivo de posicionamiento lleva una mesa porta-piezas (14) desplazable con relación a una bancada (16).

17. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque el dispositivo de posicionamiento lleva un cabezal láser (13) desplazable con relación a una bancada (16).

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado porque el láser es un láser YAG o un láser de CO_{2}.