ES2290321T3 - Moldeado de piezas. - Google Patents
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Abstract
Un método para moldear una pieza (18) comprendiendo: sujetar la pieza (18) junto a un molde (20); calentar por lo menos una parte de la pieza (18) hasta una temperatura suficiente para inducir en ella la superplasticidad; y aplicar una presión fluida a la pieza (18) para que adopte la forma del molde (20), caracterizado porque para calentar la pieza (18) se utiliza una pieza (30).
Description
Moldeado de piezas.
Esta invención se refiere a un método para
conformar una pieza y en particular a un método de conformado
superplástico de un material adecuado.
Es sabido que determinadas aleaciones se vuelven
superplásticas a unas temperaturas específicas elevadas. A estas
temperaturas la superplasticidad permite convenientemente que la
aleación sea moldeada dándole una forma deseada.
Un método para moldear una pieza (por ejemplo
tal como se da a conocer en el documento
US-A-5868023) es colocar una lámina
del material aleado encima de una matriz o un molde, y a
continuación calentar la pieza hasta una temperatura a la que la
aleación se vuelve superplástica, aplicando entonces presión a la
pieza, por ejemplo aplicando una presión elevada de un fluido a la
superficie superior de la pieza, manteniendo al mismo tiempo una
presión más baja en la zona entre la pieza y la matriz. La pieza
adquiere entonces la forma de la superficie interior de la
matriz.
Ahora bien, esto tiene el inconveniente de que
el sistema tiene una elevada masa térmica. Es decir que no
solamente hay que calentar la pieza hasta la temperatura a la cual
se vuelve superplástica sino que normalmente hay que calentar
también toda la cámara de procesado hasta la mitad de la
temperatura. Esto requiere obviamente una gran aportación de energía
para moldear la pieza deseada.
La patente US Nº 5.592.842 da a conocer un
método que trata de evitar las necesidades de un molde.
Específicamente, este documento propone utilizar un haz láser para
calentar localmente partes de la pieza, y a continuación aplicar
presión fluida como en el método convencional.
Ahora bien este método tiene el inconveniente de
que no permite controlar con precisión la forma del producto
final.
Además, el método dado a conocer no prevé el
recocido de la pieza, sin lo cual el moldeado subsiguiente no sería
satisfactorio, ni prevé calentar la pieza después del moldeado, con
el fin de eliminar las tensiones residuales que puedan haber sido
producido durante el proceso de moldeado.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención, se da a conocer un método para moldear una pieza, que
comprende:
- sujetar la pieza junto a un molde;
- calentar por lo menos una parte de la pieza hasta una temperatura suficiente para inducir en ella la superplasticidad; y
- aplicar una presión fluida a la pieza de manera que adopte la forma del molde,
- caracterizado porque para calentar la pieza se utiliza un láser.
Esto tiene la ventaja de que las propiedades
superplásticas del material se pueden utilizar para moldear la
pieza con precisión dándole la forma requerida, sin la necesidad de
calentar toda la cámara de procesamiento hasta la temperatura
superplástica.
Preferentemente, antes de utilizar el láser para
calentar la pieza hasta su temperatura superplástica, se amarra la
pieza y se utiliza el láser para calentar el conjunto de la pieza
hasta una temperatura sustancialmente uniforme con el fin de
realizar un recocido.
También preferentemente y después de utilizar el
láser para realizar el moldeado superplástico de la pieza, se
utiliza el láser para calentar el conjunto de la pieza hasta una
temperatura sustancialmente uniforme con el fin de eliminar
cualquier tensión residual.
Esto tiene la ventaja de que la totalidad del
moldeado se puede realizar como un único proceso, en un único
aparato de procesamiento.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención se da a conocer un aparato de moldeado que comprende:
los medios para la sujeción de un molde;
los medios para amarrar una pieza junto al
molde; y
los medios para aplicar una presión fluida a la
pieza de manera que adopte la forma del molde, caracterizado porque
se facilita una fuente láser para calentar por lo menos un aparte
de una pieza sujetada en el medio de amarre.
Para entender mejor la presente invención y
mostrar cómo se puede realizar, se hará ahora referencia a titulo
de ejemplo a los dibujos que se acompañan en los cuales:
La Figura 1 es una vista esquemática en sección
transversal a través de un aparato de moldeado conforme a un
aspecto de la invención.
La Figura 2 es un diagrama de fases que ilustra
un proceso conforme a un aspecto de la invención.
Las Figuras 3-5 muestran las
formas de calentamiento aplicadas a una pieza típica conforme a la
invención.
La Figura 6 es una vista esquemática en sección
transversal a través de un aparato alternativo conforme a la
invención.
La Figura 7 es una vista esquemática en sección
transversal a través de otro aparato alternativo conforme a la
invención.
La Figura 8 es una representación esquemática de
otro aparato alternativo conforme a la invención.
Las Figuras 9-11 muestran fases
en el proceso conforme a un aspecto de la invención.
La Figura 1 es una vista esquemática en sección
transversal a través del aparato de moldeado conforme a un aspecto
de la presente invención. El aparato incluye una vasija de presión
10, que tiene una entrada para observación 12. La vasija incluye un
sistema de amarre 14, 16 que puede aplicar una fuerza de amarre tal
como indican las flechas A-A, B-B
para mantener en su sitio una pieza 18.
La pieza 18 es una chapa de la aleación
superplástica requerida. Como es bien sabido para las personas
conocedoras del arte, la aleación superplástica puede ser por
ejemplo una aleación a base de titanio.
La pieza 18 se coloca originalmente
preferentemente plana. La Figura 1 muestra la pieza cuando ya ha
sido parcialmente deformada.
El aparato incluye un molde 20 situado en el
interior de un anillo aislante 22 hecho de material cerámico. La
superficie superior 24 del molde 20 tiene la forma deseada del
componente después del moldeado, y el molde 20 incluye además unos
orificios de sangrado 26, 28.
El molde 20 puede estar hecho bien de materiales
metálicos o cerámicos. El aparato incluye también una fuente de luz
láser 30, comprendiendo los medios para controlar el enfoque y la
dirección del rayo láser 32.
La vasija de presión 10 incluye también entradas
34 para gas así como una salida 36. La Figura 2 es un diagrama de
fases mostrando un proceso de moldeado conforme a un aspecto
preferido de la invención, utilizando el aparato representado en la
Figura 1.
En primer lugar, la pieza, preferentemente en
forma de una lámina generalmente plana de un material
superplástico, se amarra en el sistema de amarre 14, 16, en la fase
50 del proceso. Después en la fase 52 se hace el vacío en la vasija
mediante una bomba de vacío, por ejemplo a través de las salidas
26, 28, 34, 36. Después en el paso 54 se vuelve a llenar la vasija
con un gas inerte, tal como argón, a baja presión. Este entorno
inerte permite calentar el componente sin que se contamine con los
gases atmosféricos. A continuación, en el paso 56, se utiliza la
fuente de luz láser 30 para calentar el conjunto de la pieza 18
hasta una temperatura suficientemente alta para que quede totalmente
recocida y exenta de tensiones. Tal como está representado en la
Figura 3, el conjunto de la pieza 18 se calienta entonces
sustancialmente de modo uniforme. Esto se consigue mediante un
control adecuado de la fuente de luz láser 30. Por ejemplo, el rayo
de luz láser se puede desenfocar de manera que alcance todas las
partes de la pieza 18, o se puede utilizar un haz de luz enfocado
que barra todas las regiones de la superficie.
Después del recocido y en el paso 58, se deja
enfriar la pieza hasta por debajo de la temperatura superplástica,
o si es posible, hasta por debajo de la temperatura de crecimiento
del grano. Después en el paso 60 del proceso se utiliza la fuente
de luz láser 30 para calentar la pieza 18 hasta su temperatura de
moldeado superplástico (SPF), por ejemplo a 935ºC. En este caso, tal
como está representado en la Figura 4, diferentes zonas de la pieza
18 pueden recibir diferentes cantidades de energía de la fuente de
luz láser 30. Así se muestran en la Figura 4, y únicamente con
carácter ilustrativo, unas bandas 80, 82, 84, que pueden recibir
diferentes niveles de energía. Controlando de este modo la cantidad
de energía suministrada se puede inducir la superplasticidad
preferentemente en determinadas partes de la pieza más que en
otras.
A continuación, en el paso 62 del proceso, se
pone a presión a la vasija. Es decir que a través de las entradas
de gas 34 se introduce un gas inerte, tal como argón, con el fin de
incrementar la presión sobre la superficie superior de la pieza 18.
Al mismo tiempo se deja escapar gas de la parte inferior de la pieza
18 a través de los conductos de salida de gas 26, 28. En esta
realización preferida, la presión del gas sobre la cara superior de
la pieza 18, dentro de la vasija 10, se puede aumentar hasta unas
30 ó 40 atmósferas (3 MPa ó 4 MPa).
Esta presión fuerza la pieza caliente dentro del
molde 20, formando de esta manera un componente que tiene el mismo
perfil que la superficie interior 24 del molde.
Una vez que se ha moldeado el componente, se
puede utilizar la fuente láser para recalentar el componente
moldeado (paso 64 en la Figura 2). Tal como está representado en la
Figura 5, el perfil de distribución de la energía térmica
procedente de la fuente láser se puede utilizar para variar por
ejemplo entre las bandas 92, 94, por ejemplo debido a la forma
no-planar de la pieza 18. Calentando el componente
de este modo se elimina cualquier tensión residual en el componente
que pueda haber sido inducida como resultado del proceso de
moldeado, con el fin de producir componentes de superior precisión y
reproductibilidad sin recuperación elástica. El componente se puede
dejar entonces que se enfríe (paso 66 en la Figura 2), y por último
en el paso 68 del proceso representado en la Figura 2, se puede
quitar la presión de la vasija.
La Figura 6 muestra un aparato de moldeado
alternativo conforme a un aspecto de la presente invención. El
aparato de moldeado de la Figura 6 es adecuado para ser utilizado
para moldear componentes hechos con dos láminas de material.
El aparato de la Figura 6 es bastante similar al
mostrado en la Figura 1, y los componentes correspondientes están
indicados por los mismos números de referencia y no se describirán
con mayor detalle. En el caso del aparato de la Figura 6, el aparato
incluye una segunda fuente de luz láser (no representada) que se
encuentra en el extremo opuesto del aparato. La vasija de presión
incluye medios para retener dos medios moldes 100, 102 y para
amarrar dos láminas 104, 106, cuyos bordes pueden haber sido
fundidos entre sí, con una entrada 108 para introducir gas a alta
presión entre las dos láminas de la pieza 104, 106.
En este caso la fuente de luz láser se puede
utilizar para calentar los medios moldes 100, 102 y de este modo
elevar la temperatura de las láminas 104, 106 que componen la pieza
hasta su temperatura SPF. De modo alternativo y ventajoso, los
medios moldes 100, 102 pueden estar hechos de un material que sea
transparente a la luz láser, permitiendo de este modo que la fuente
de luz láser atraviese los medios moldes y caliente directamente
las láminas que constituyen la pieza. Unos materiales de molde
adecuados para este fin pueden ser o bien material cerámico amorfo
o cristalino, por ejemplo asegurando que el tamaño de grano de la
cerámica sea menor que la longitud de onda del láser. Los medios
moldes 100, 102 pueden estar diseñados para uso repetido, o pueden
estar hechos en forma de un revestimiento desechable. En el caso del
aparato representado en al Figura 6 el proceso de moldeado es en
general similar general al descrito con referencia a la Figura 2,
si bien en este caso el gas a alta presión se introduce entre las
dos láminas 104, 106 que forman la pieza, con el fin de forzar las
láminas dentro de sus medios moldes respectivos 100, 102. En este
caso, la alta presión necesaria queda contenida dentro de la pieza,
y es de un volumen considerablemente menor que en la situación
representada en la Figura 1.
La Figura 7 es una ilustración esquemática de
otro aparato de moldeado conforme a un aspecto de la invención. El
aparato de la Figura 7 es en general similar al de la Figura 1, y
los mismos números de referencia utilizados en las dos Figuras
indican características correspondientes, y estas características no
se describirán con mayor detalle. En el aparato de la Figura 7, el
molde 120 está formado por un conjunto que comprende gran cantidad
de pilares móviles individuales 122, bajo control de un servosistema
124. Aunque en la Figura 7 están representados solamente unos pocos
pilares 122, un aparato operacional puede incluir cientos o incluso
miles de tales pilares.
Cada pilar tiene una punta 126 que está hecha de
o recubierta de un material cerámico.
El servosistema 124 puede controlar la altura de
cada uno de los pilares 122, y preferentemente puede controlar
también en pequeña medida la posición lateral de los pilares. De
este modo el conjunto de pilares 122 se puede utilizar para formar
un molde de cualquier forma deseada. Después del uso, las
posiciones de los pilares se pueden ajustar para formar un molde con
una forma deseada diferente. Esto permite moldear numerosos
componentes diferentes sin requerir para ello el correspondiente
número de moldes diferentes.
El proceso de moldeado es el mismo que el
descrito anteriormente, por cuanto la pieza se amarra encima del
molde, luego se calienta a su temperatura SPF, se aplica después la
presión de manera que la pieza adopte la forma del molde.
Se reconocerá que un molde de este tipo también
se puede utilizar en un aparato para moldear componentes hechos de
dos láminas, tal como está representado en la Figura 6.
También se hace notar que un molde de este tipo
se puede utilizar en numerosos procesos de moldeado diferentes, no
solamente aquellos que entrañen el calentamiento de la pieza por
láser o la superplasticidad.
Por lo tanto, de acuerdo con uno de los aspectos
de la invención, se proporciona un molde ajustable que comprende una
pluralidad de pilares ajustables individualmente y los medios para
controlar las alturas de los pilares, de manera que los extremos
distales de los pilares formen juntos una superficie de molde.
La Figura 8 muestra otra adaptación de un molde
de este tipo, en este caso en un aparato para formar componentes
hechos a partir de dos láminas. El molde de la Figura 8 es en
general similar al de la Figura 7, y los mismos números de
referencia, cuando se utilicen en las dos Figuras, indican
características correspondientes, y estas características no se
describirán con mayor detalle.
En este caso el aparato incluye dos moldes 140,
141 que son en general similares al molde 120 de la Figura 7, junto
con una disposición para amarrar dos láminas 142, 144 de la pieza,
y una entrada 146 para introducir fluido a alta presión entre
ellas.
En el aparato de la Figura 8, un primer grupo de
pilares 148 incluyen cada uno respectivamente fibras ópticas 150
que pueden dirigir la radiación procedente de la fuente láser (no
representada) sobre la zona adyacente de la pieza respectiva.
Además, un segundo grupo de pilares 162 alojan respectivamente unos
canales 154 que pueden dirigir flujos de gas de refrigeración sobre
la zona adyacente de la pieza respectiva. Los pilares 148, 152 del
primero y del segundo grupo están en general alternados sobre la
respectiva superficie del molde.
De este modo, el aparato de la Figura 8 permite
el control preciso de la temperatura superficial de la pieza,
permitiendo inducir la superplasticidad únicamente en partes de la
superficie, si se requiere.
Como es sabido en el arte, el moldeado
superplástico utilizando dos láminas para la pieza se puede
utilizar para formar componentes con una estructura interna de
soporte de panal unida por difusión.
Las Figuras 9-11 muestran un
proceso de este tipo conforme a la presente invención. Por lo
tanto, tal como se puede ver en la Figura 9, la fuente de luz láser
se utiliza para el tratamiento previo de las superficies exteriores
160, 152 de las dos láminas de la pieza 164, 166 respectivamente.
Cuando la fuente de luz láser es capaz de formar un haz
controlable, se puede utilizar para barrer a través de la
superficie 160, 162, tal como indica por ejemplo la trayectoria 168
de la Figura 9. Esto elimina cualquier óxido que pueda haber
presente sobre las superficies 160, 162, y el óxido evaporado se
puede eliminar fuera de la vasija de presión.
Como es sabido, las dos láminas de la pieza 164,
166 están unidas entre sí por difusión a lo largo de las líneas
170. Entonces, cuando las dos láminas de pieza 164, 166 se han
calentado hasta su temperatura SPF y a través de la entrada se
introduce entre ellas un fluido a alta presión, entonces las dos
láminas de la pieza son forzadas a separarse tal como se indica en
la Figura 10. Eventualmente, tal como se indica en la Figura 11,
zonas de la superficie exterior 160, 162 llegan a ponerse en
contacto, y el tratamiento previo de la superficie permite la
formación de unas uniones por difusión secundaria de alta calidad
174.
La utilización del láser para el tratamiento
previo significa que éste se puede realizar como parte del proceso
de moldeado, utilizando el mismo aparato de moldeado.
Se dan a conocer por lo tanto métodos de
fabricación que permiten una fabricación eficaz del moldeado por
superplasticidad.
Claims (18)
1. Un método para moldear una pieza (18)
comprendiendo:
sujetar la pieza (18) junto a un molde (20);
calentar por lo menos una parte de la pieza (18)
hasta una temperatura suficiente para inducir en ella la
superplasticidad; y
aplicar una presión fluida a la pieza (18) para
que adopte la forma del molde (20),
caracterizado porque para calentar la
pieza (18) se utiliza una pieza (30).
2. Un método tal como el reivindicado en la
reivindicación 1, caracterizado porque la fase de sujetar la
pieza (18) comprende:
amarrar la pieza (18) junto al molde (20),
utilizar el láser (30) para calentar la
totalidad de la pieza (18) a una temperatura sustancialmente
uniforme para efectuar su recocido; y
reducir la temperatura de la pieza (18) hasta
por debajo de la temperatura de superplasticidad de la misma.
3. Un método según se reivindica en la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque después de
conformar la pieza (18):
se utiliza el láser (30) para calentar la
totalidad de la pieza (18) a una temperatura sustancialmente
uniforme para eliminar las tensiones residuales de la misma.
4. Un método según se reivindica en cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
molde comprende unas primeras y segundas mitades (100, 102) y la
pieza comprende unas primeras y segundas láminas (104, 106),
comprendiendo el método:
sujetar la primera y segunda lámina (104, 106)
de la pieza junto a las primeras y segundas mitades (100, 102) del
molde, respectivamente;
utilizar el láser (30) para calentar por lo
menos partes de las primeras y segundas láminas (104, 106) de la
pieza; y
aplicar presión fluida a las primeras y segundas
láminas (104, 106) de la pieza de manera que adopten las formas
respectivas de las primeras y segundas mitades del molde.
5. Un método como se reivindica en la
reivindicación 4, caracterizado porque la fase de aplicar la
presión fluida comprende aplicar una presión fluida superior entre
la primera y segunda lámina (104, 106) de la pieza.
6. Un método según tal como se reivindica en
las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque por lo
menos una de las primeras y segundas mitades (100, 102) del molde
es transparente al láser (30), y porque la fase de utilizar el
láser (30) para calentar por lo menos partes de las primeras y
segundas láminas (104, 106) de la pieza comprende el calentar por
lo menos una de las primera y segundas láminas (104, 106) de la
pieza, a través de dicha mitad transparente del molde.
7. Un método según tal como se reivindica en
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
molde comprende una pluralidad de pilares (122) que son
desplazables individualmente, de modo que los extremos distales
(126) de los pilares (122) formen una superficie de molde.
8. Un método según tal como se reivindica en la
reivindicación 7, caracterizado porque por lo menos parte de
la pluralidad de los pilares (122) incluye los medios (150) para
dirigir un rayo láser contra una pieza (142, 144) sujeta adyacente
a ellos.
9. Un método según se reivindica en las
reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque por lo menos
parte de la pluralidad de los pilares (122) incluyen los medios
(154) para dirigir un refrigerante contra una pieza (142, 144)
sujeta adyacente a los mismos.
10. Un aparato de moldeado comprendiendo:
los medios (122) para la sujeción de un molde
(20);
los medios (14, 16) para amarrar una pieza (18)
junto al molde (20); y
los medios (34) para aplicar una presión fluida
a la pieza (18) de manera que adopte la forma del molde (20),
caracterizado porque
se dispone una fuente pieza (30) para calentar
por lo menos una parte de la pieza (18) sujeta en los medios de
amarre (14, 16).
11. Un aparato de moldeado según se reivindica
en la reivindicación 10, caracterizado porque los medios
(14) para aplicar una presión de fluido a la pieza (18) comprenden
los medios para introducir un fluido en el lado de la pieza (18)
alejado del molde (20).
12. Un aparato de moldeado tal como se
reivindica en la reivindicación 10, caracterizado porque los
medios para aplicar una presión de fluido a la pieza (18)
comprenden los medios para hacer el vacío en una zona situada entre
la pieza (18) y el molde (20).
13. Un aparato de moldeado tal como se
reivindica en la reivindicación 10, caracterizado porque los
medios (22) para sujetar el molde (20) comprenden los medios para
sujetar unas primeras y segundas mitades de molde (100, 102) y
porque los medios (14, 16) para sujetar la pieza (18) comprenden los
medios para sujetar unas primeras y segundas láminas de la pieza
(104, 106) junto a las primeras y segundas mitades de molde (100,
102) respectivamente.
14. Un aparato de moldeado tal como se
reivindica en la reivindicación 13, caracterizado porque los
medios para aplicar la presión de fluido comprenden los medios para
aplicar una presión mayor de fluido entre la primera y segunda
lámina de la pieza (104, 106).
15. Un aparato de moldeado tal como se
reivindica en las reivindicaciones 13 o 14, caracterizado
porque por lo menos una de las primeras y segundas mitades (100,
102) del molde es transparente al láser.
16. Un aparato de moldeado tal como se
reivindica en la reivindicación 10, caracterizado porque el
molde comprende una pluralidad de pilares (122), que pueden moverse
individualmente de tal modo que los extremos distales (126) de los
pilares (122) formen una superficie de molde.
17. Un aparato de moldeado tal como se
reivindica en la reivindicación 16, caracterizado porque por
lo menos parte de la pluralidad de pilares (122) incluye los medios
(150) para dirigir un rayo láser contra una pieza sujeta adyacente a
los mismos.
18. Un aparato de moldeado tal como se
reivindica en la reivindicación 16 ó 17, caracterizado
porque por lo menos parte de la pluralidad de pilares (122) incluye
los medios (154) para dirigir un refrigerante contra una pieza
sujeta adyacente a los mismos.
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