ES2368079B1 - METHOD AND APPARATUS FOR QUICK MANUFACTURE OF FUNCTIONAL GLASS AND CERAMIC PARTS. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y aparato para la fabricación de piezas funcionales de vidrios y cerámicas mediante prototipado rápido basado en plaqueado láser, comprendiendo: mezclar partículas de dos o más fases componentes del material precursor en proporción controlada y conocida; mezclar dichas partículas con gas de arrastre formando flujo bifásico (polvo/gas); focalizar un haz láser principal y otro secundario, con longitud de onda tal que la energía absorbida por las partículas de cada fase es la misma, sobre la pieza procesada; transportar e inyectar el flujo de partículas en zona de interacción entre haz láser y sustrato; movimiento relativo de pieza procesada respecto de zona de interacción entre chorro del material precursor y haz láser principal y secundario focalizado; controlar temperatura en zona de interacción ajustando la potencia óptica del haz láser primario y secundario así como del caudal másico de cada fase; controlar temperatura de la zona de procesamiento.Method and apparatus for the manufacture of functional pieces of glass and ceramics by rapid prototyping based on laser plating, comprising: mixing particles of two or more component phases of the precursor material in controlled and known proportion; mixing said particles with entrainment gas forming two-phase flow (dust / gas); focus a main and a secondary laser beam, with wavelength such that the energy absorbed by the particles of each phase is the same, on the processed part; transport and inject the flow of particles in the interaction zone between laser beam and substrate; relative movement of the processed part with respect to the interaction zone between the jet of the precursor material and the main and secondary focused laser beam; control temperature in the interaction zone by adjusting the optical power of the primary and secondary laser beam as well as the mass flow rate of each phase; Control temperature of the processing area.
Description
final. final.
Método y aparato para la fabricación rápida de piezas funcionales de vidrios y cerámicas. Objeto de la invenciónMethod and apparatus for rapid manufacturing of functional glass and ceramic pieces. Object of the invention
La presente invención se enmarca en el procesamiento de materiales cerámicos. Mediante el objeto de la presente invención es posible obtener piezas cerámicas de composición gradual y geometría compleja mediante la aplicación de radiación láser. Antecedentes de la invención The present invention is framed in the processing of ceramic materials. By means of the object of the present invention it is possible to obtain ceramic pieces of gradual composition and complex geometry by means of the application of laser radiation. Background of the invention
Los procesos habituales de fabricación de piezas cerámicas como colada en molde, moldeo por presión, moldeo por inyección, extrusión, colado en cinta, mecanizado en verde o sinterizado, normalmente requieren de la adición de aglutinantes o plastificantes de composición diferente a la del material cerámico, lo cual conlleva riesgo de contaminación de la pieza final. Las geometrías de las piezas obtenidas son limitadas para algunas de las técnicas, como en el caso de la extrusión o el mecanizado en verde, y en la mayoría de las técnicas es requerida la fabricación de un molde, lo cual incrementa el tiempo de fabricación y difícilmente resulta rentable para la producción de lotes de una o pocas piezas. Las técnicas que comprenden la compactación del material cerámico en polvo conllevan un paso final de sinterización en hornos, en el cual la pieza se somete a una temperatura homogénea en todo su volumen. Los elementos aislantes de los hornos están sometidos a la misma temperatura que la pieza cerámica procesada, lo cual limita las velocidades de calentamiento que es posible emplear. The usual manufacturing processes of ceramic pieces such as cast casting, pressure molding, injection molding, extrusion, tape casting, green machining or sintering, usually require the addition of binders or plasticizers of a different composition than ceramic material , which entails risk of contamination of the final piece. The geometries of the pieces obtained are limited for some of the techniques, such as in the case of extrusion or green machining, and in most of the techniques the manufacture of a mold is required, which increases the manufacturing time and It is hardly profitable for the production of lots of one or few pieces. The techniques that comprise compacting the ceramic powder material entail a final sintering step in ovens, in which the piece is subjected to a homogeneous temperature throughout its volume. The insulating elements of the furnaces are subjected to the same temperature as the processed ceramic piece, which limits the heating rates that can be used.
La técnica del prototipado rápido basado en plaqueado láser es una técnica muy extendida para la generación de prototipos metálicos. El proceso consiste en la inyección de partículas de material precursor sobre un sustrato mediante un chorro de gas de arrastre. Un haz láser de alta potencia incide en la zona de inyección de material precursor creando una piscina de material fundido. El sustrato presenta un movimiento relativo respecto al chorro de material precursor y el haz láser, de manera que se forma una pista de material depositado. Superponiendo varias pistas de material depositado se obtiene la pieza deseada. La aplicación convencional de la técnica a la fabricación de piezas cerámicas se encuentra recogida en publicaciones y patentes previas (KM Jasim et al., Journal of Materials Science 28, 1993; NI Shieh, Journal of Materials Science 29, 1994; WO0240744; US5038014). Esta técnica aplicada de forma convencional presenta inconvenientes para el procesamiento de cerámicas, como elevados gradientes espaciales de temperatura y elevadas velocidades de enfriamiento que pueden provocar la fractura de la pieza procesada. Sin embargo, el procesamiento mediante radiación láser con la técnica de prototipado rápido basado en plaqueado láser presenta características con potencial para obtener piezas cerámicas con una microestructura diferenciada de las cerámicas procesadas con métodos convencionales. Descripción de la invenciónThe rapid prototyping technique based on laser plating is a widespread technique for the generation of metal prototypes. The process involves the injection of particles of precursor material onto a substrate by means of a jet of entrainment gas. A high power laser beam strikes the injection zone of precursor material creating a pool of molten material. The substrate has a relative movement with respect to the jet of precursor material and the laser beam, so that a track of deposited material is formed. By superimposing several tracks of deposited material, the desired piece is obtained. The conventional application of the technique to the manufacture of ceramic pieces is found in previous publications and patents (KM Jasim et al., Journal of Materials Science 28, 1993; NI Shieh, Journal of Materials Science 29, 1994; WO0240744; US5038014) . This technique applied in a conventional way presents inconveniences for the processing of ceramics, such as high spatial temperature gradients and high cooling rates that can cause the fracture of the processed part. However, laser radiation processing with the rapid prototyping technique based on laser plating has characteristics with potential to obtain ceramic pieces with a differentiated microstructure of ceramics processed with conventional methods. Description of the invention
La presente invención aplica la radiación láser para producir piezas de material cerámico y vitrocerámico bifásico o multifásico. El método está basado en los mismos principios físicos del plaqueado láser, pero incorpora una serie de diferencias esenciales que influyen en las transformaciones físico-químicas experimentadas por el material y permiten la obtención The present invention applies laser radiation to produce pieces of biphasic or multiphasic ceramic and vitroceramic material. The method is based on the same physical principles of laser plating, but incorporates a series of essential differences that influence the physical-chemical transformations experienced by the material and allow obtaining
Una de las ventajas del objeto de la presente patente es la inducción controlada de las reacciones en la interfaz de las diferentes fases presentes en el material precursor mediante la utilización de dos haces láser de diferente longitud de onda, presentando una de estas longitudes de onda una absorción notablemente diferenciada en función de la fase irradiada. Asimismo, es posible la producción de piezas de cerámicas bifásicas con una distribución variable de una de las fases, sin que la distribución modifique el grado de reactividad y la estructura obtenida en la interfase. One of the advantages of the object of the present patent is the controlled induction of the reactions in the interface of the different phases present in the precursor material by means of the use of two laser beams of different wavelength, one of these wavelengths having remarkably differentiated absorption depending on the irradiated phase. Likewise, it is possible to produce two-phase ceramic pieces with a variable distribution of one of the phases, without the distribution modifying the degree of reactivity and the structure obtained at the interface.
Otra ventaja de la invención es la producción de piezas cerámicas y vitrocerámicas de formas tridimensionales complejas directamente a partir del polvo precursor, sin necesidad de fabricar moldes o negativos de la geometría deseada. Another advantage of the invention is the production of ceramic and vitroceramic pieces of complex three-dimensional shapes directly from the precursor powder, without the need to manufacture molds or negatives of the desired geometry.
El producto obtenido después del procesamiento es totalmente puro, ya que no se necesita la adición de productos secundarios como aglutinantes o inductores de sinterización. El enfriamiento de la pieza durante y después de la irradiación con láser es controlado mediante el confinamiento en un entorno aislante, de manera que se evita la aparición y crecimiento de grietas propio de elevadas velocidades de enfriamiento. Descripción de las figurasThe product obtained after processing is completely pure, since the addition of secondary products such as binders or sintering inductors is not necessary. The cooling of the piece during and after the laser irradiation is controlled by con fi nation in an insulating environment, so that the appearance and growth of cracks characteristic of high cooling rates is avoided. Description of the fi gures
Para complementar la descripción que, se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, una única figura en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado esquemáticamente y en alzado, un modelo de realización preferente de la invención. Realización preferente de la invenciónTo complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to an example of practical realization of the same, a single figure is attached as an integral part of said description. where, by way of illustration and not limitation, a preferred embodiment of the invention has been schematically represented in elevation. Preferred Embodiment of the Invention
El método de procesamiento de cerámicas bifásicas objeto de la presente invención, se lleva a cabo con un sistema adecuado representado en la Figura 1. Una fuente de haz láser, denominada fuente de haz láser principal (1), emite un haz láser principal (2) de una determinada longitud de onda y con una potencia ajustable. La longitud de onda del haz láser principal, denominada longitud de onda principal, debe presentar una absorción similar para todos los componentes The biphasic ceramic processing method object of the present invention is carried out with a suitable system represented in Figure 1. A laser beam source, called the main laser beam source (1), emits a main laser beam (2 ) of a certain wavelength and with adjustable power. The wavelength of the main laser beam, called the main wavelength, must have a similar absorption for all components
o fases que forman parte del material procesado. Un expansor de haz principal (5) modifica el diámetro y la divergencia del haz láser principal. Por lo tanto, dicho expansor de haz principal (5) debe presentar una relación de expansión ajustable y ajuste de colimación. Un elemento óptico plano paralelo (7) transmite el haz láser principal, produciendo un desplazamiento lateral de dicho haz láser principal, pero sin modificar la dirección del mismo. Simultáneamente, una fuente de haz láser secundaria (3) emite un haz láser secundario (4), dicho haz láser secundario presenta una potencia ajustable. La longitud de onda del haz láser secundario, denominada longitud de onda secundaria, presenta una absorción notablemente diferente en función de la fase o componente del material procesado. Un expansor de haz secundario (6) modifica el diámetro y la divergencia del haz láser secundario. Por lo tanto, dicho expansor de haz secundario (6) debe presentar una relación de expansión ajustable y ajuste de colimación. El haz láser secundario (4) es reflejado mediante un espejo (9) y dicho haz láser secundario es también reflejado por el elemento óptico plañó paralelo (7). Tanto el haz láser principal (2) como el haz láser secundario (4) inciden paralelamente entre sí sobre una lente de focalización (8), de manera que los dos haces láser son focalizados sobre el mismo eje óptico. El ajuste de colimación efectuado por el expansor de haz principal (5) y el expansor de haz secundario (6) permite focalizar el haz láser principal y el haz láser secundario sobre el mismo punto. En dicho punto se emplaza la zona de interacción (12) entre el haz láser principal (2), el haz láser secundario (4), el chorro de material precursor inyectado (22) y la pieza procesada (13). or phases that are part of the processed material. A main beam expander (5) modifies the diameter and divergence of the main laser beam. Therefore, said main beam expander (5) must have an adjustable expansion ratio and collimation adjustment. A parallel flat optical element (7) transmits the main laser beam, producing a lateral displacement of said main laser beam, but without modifying its direction. Simultaneously, a secondary laser beam source (3) emits a secondary laser beam (4), said secondary laser beam has an adjustable power. The wavelength of the secondary laser beam, called the secondary wavelength, has a markedly different absorption depending on the phase or component of the processed material. A secondary beam expander (6) modifies the diameter and divergence of the secondary laser beam. Therefore, said secondary beam expander (6) must have an adjustable expansion ratio and collimation adjustment. The secondary laser beam (4) is re fl ected by a mirror (9) and said secondary laser beam is also re fl ected by the parallel planted optical element (7). Both the main laser beam (2) and the secondary laser beam (4) parallel to each other on a focusing lens (8), so that the two laser beams are focused on the same optical axis. The collimation adjustment made by the main beam expander (5) and the secondary beam expander (6) allows focusing the main laser beam and the secondary laser beam on the same point. At this point the interaction zone (12) between the main laser beam (2), the secondary laser beam (4), the jet of injected precursor material (22) and the processed part (13) is located.
El material que se va a procesar, denominado material precursor, está compuesto por dos o más fases The material to be processed, called the precursor material, is composed of two or more phases
- o componentes diferenciados, dichas fases o componentes se encuentran inicialmente separados. El depósito primario (15) contiene uno o más componentes, dichos componentes presentan una absorción baja cuando son irradiados por el haz láser secundario (4) y su conjunto se denomina componente primario. El citado valor de la absorción puede deberse bien a una alta reflectividad o bien a una alta transmitancia frente a la longitud de onda del haz láser secundario. La electroválvula de paso primaria (16) permite seleccionar el caudal másico que se desplaza desde el depósito primario (15) al depósito general (20). El depósito secundario (17) contiene las fases o componentes del material a procesar que presentan una absorción elevada para la longitud de onda del haz láser secundario or differentiated components, said phases or components are initially separated. The primary reservoir (15) contains one or more components, said components have a low absorption when irradiated by the secondary laser beam (4) and its assembly is called the primary component. The cited absorption value may be due to either high reflectivity or high transmittance against the wavelength of the secondary laser beam. The primary solenoid valve (16) allows to select the mass flow that travels from the primary tank (15) to the general tank (20). The secondary reservoir (17) contains the phases or components of the material to be processed that have a high absorption for the wavelength of the secondary laser beam
- (4) (4)
- y su conjunto se denomina componente secundario. La electroválvula de paso secundaria (18) permite seleccionar el caudal másico que se desplaza desde el depósito secundario (17) al depósito general (20). En dicho depósito general, el componente primario y el componente secundario del material a procesar se mezclan homogéneamente mediante una hélice y posteriormente se inyectan mediante un inyector de polvo precursor (21) hacia la zona de interacción (12). El chorro de material precursor inyectado (22) alcanza la zona de interacción (12), donde interacciona con el haz láser principal (2) y el haz láser secundario (4). El material precursor se funde total o parcialmente, o bien es sinterizado, dando lugar a la pieza procesada and its set is called the secondary component. The secondary solenoid valve (18) allows to select the mass flow that moves from the secondary tank (17) to the general tank (20). In said general deposit, the primary component and the secondary component of the material to be processed are mixed homogeneously by means of a propeller and subsequently injected by means of a precursor powder injector (21) towards the interaction zone (12). The jet of injected precursor material (22) reaches the interaction zone (12), where it interacts with the main laser beam (2) and the secondary laser beam (4). The precursor material melts totally or partially, or is sintered, giving rise to the processed part
- (13) (13)
- cuando se produce la solidificación del material precursor procesado sobre el sustrato (14). when solidification of the precursor material processed on the substrate (14) occurs.
La radiación electromagnética desprendida de la zona de interacción (12), correspondiente a bandas del espectro visible e infrarrojo, excepto las bandas correspondientes al haz láser principal (2) y al haz láser secundario (4), es colimada por la lente de focalización (8), reflejada total o parcialmente por el elemento óptico plano paralelo (7) y trasmitida total o parcialmente a través del espejo (9). Dicha radiación electromagnética incide sobre un elemento sensor óptico de temperatura (11), que puede ser un sensor de tipo pirómetro o una cámara CMOS o CCD con su correspondiente óptica. El elemento sensor óptico de temperatura (11) envía una señal eléctrica a un sistema de control electrónico (19). Dicho sistema de control electrónico (19) gobierna la electroválvula de paso primaria (16) y la electroválvula de paso secundaria (18), de forma que controla, en cada instante, tanto el caudal másico que fluye del depósito primario (15) al depósito general (20), como el caudal que fluye del depósito secundario (17) al depósito principal (20). Dicho sistema de control electrónico (19) gobierna, asimismo, la potencia óptica del haz láser principal (2) emitido por la fuente de haz láser principal (1), de forma que dicha potencia óptica del haz láser principal (2) es proporcional al flujo másico del componente primario que atraviesa la electroválvula de paso primaria (16), pudiéndose seleccionar el valor del factor de proporcionalidad dentro de un rango. Asimismo, la potencia óptica del haz láser principal The electromagnetic radiation released from the interaction zone (12), corresponding to bands of the visible and infrared spectrum, except the bands corresponding to the main laser beam (2) and the secondary laser beam (4), is collimated by the focusing lens ( 8), totally or partially re fl ected by the parallel flat optical element (7) and transmitted totally or partially through the mirror (9). Said electromagnetic radiation affects an optical temperature sensor element (11), which can be a pyrometer sensor or a CMOS or CCD camera with its corresponding optics. The optical temperature sensor element (11) sends an electrical signal to an electronic control system (19). Said electronic control system (19) governs the primary bypass solenoid valve (16) and the secondary bypass solenoid valve (18), so that it controls, at every moment, both the mass flow rate that flows from the primary reservoir (15) to the reservoir general (20), such as the flow that flows from the secondary tank (17) to the main tank (20). Said electronic control system (19) also governs the optical power of the main laser beam (2) emitted by the main laser beam source (1), such that said optical power of the main laser beam (2) is proportional to the Mass flow of the primary component that passes through the primary solenoid valve (16), being able to select the value of the proportionality factor within a range. Also, the optical power of the main laser beam
- (2) (2)
- es inversamente proporcional al valor de absorción del componente primario contenido en el depósito primario (15) para la longitud de onda del haz láser principal (2). Dicho sistema de control electrónico (19) gobierna, asimismo, la potencia óptica del haz láser secundario (4) emitido por la fuente de haz láser secundario (3), de forma que dicha potencia óptica del haz láser secundario (4) es proporcional al flujo másico que atraviesa la electroválvula de paso secundaria (18), pudiéndose seleccionar el valor del factor de proporcionalidad dentro de un rango. Asimismo, la potencia óptica del haz láser secundario (4) es inversamente proporcional al valor de absorción del componente secundario contenido en el depósito secundario (17) para la longitud de onda del haz láser secundario (4). Asimismo, la potencia óptica del haz láser secundario (4) es inversamente proporcional al valor de absorción del componente secundario contenido en el depósito secundario (17) para la longitud de onda del haz láser principal (2). Asimismo, la potencia óptica del haz láser secundario (4) es inversamente proporcional al valor de de la potencia óptica del haz láser principal (2). It is inversely proportional to the absorption value of the primary component contained in the primary reservoir (15) for the wavelength of the main laser beam (2). Said electronic control system (19) also governs the optical power of the secondary laser beam (4) emitted by the secondary laser beam source (3), such that said optical power of the secondary laser beam (4) is proportional to the Mass flow through the secondary solenoid valve (18), being able to select the value of the proportionality factor within a range. Likewise, the optical power of the secondary laser beam (4) is inversely proportional to the absorption value of the secondary component contained in the secondary reservoir (17) for the wavelength of the secondary laser beam (4). Also, the optical power of the secondary laser beam (4) is inversely proportional to the absorption value of the secondary component contained in the secondary reservoir (17) for the wavelength of the main laser beam (2). Also, the optical power of the secondary laser beam (4) is inversely proportional to the value of the optical power of the main laser beam (2).
El sustrato (14), que soporta la pieza procesada (13), se sitúa encima de una plataforma aislante (28). Dichos tres elementos, pieza procesada (13), sustrato (14) y plataforma aislante (28), se mueven solidariamente en un plano normal al plano del dibujo que contiene la dirección indicada por la flecha horizontal (29). Dicho movimiento es producido por una estación de control numérico computerizado o calefactor The substrate (14), which supports the processed part (13), is placed on top of an insulating platform (28). Said three elements, processed part (13), substrate (14) and insulating platform (28), move jointly in a plane normal to the plane of the drawing containing the direction indicated by the horizontal arrow (29). Said movement is produced by a computerized numerical control station or heater
- (25) (25)
- alojado en la cubierta aislante móvil (23). De esta manera, se mantiene una temperatura en la zona de procesamiento adecuada al material procesado, un gradiente de temperatura entre la zona de interacción housed in the mobile insulating cover (23). In this way, a temperature is maintained in the processing zone appropriate to the processed material, a temperature gradient between the interaction zone
- (12) (12)
- y la pieza procesada (13) reducido y una velocidad de enfriamiento controlada; siendo los valores de los anteriores parámetros adecuados para la obtención de la microestructura deseada en la pieza procesada (13). and the processed part (13) reduced and a controlled cooling rate; the values of the previous parameters being suitable for obtaining the desired microstructure in the processed part (13).
Un ejemplo práctico de aplicación de la invención es el procesamiento de material cerámico consistente en una mezcla cuyos componentes son vidrio bioactivo e hidroxiapatita. El vidrio bioactivo es un vidrio de sílice como formador de red y puede contener otros elementos como calcio, sodio, potasio, fósforo, magnesio, estroncio, zinc o titanio. El vidrio bioactivo se corresponde con el componente primario y se deposita en el depósito primario (15) en forma de polvo, con tamaño de partícula comprendido entre 50 y 150 μm. La hidroxiapatita se corresponde con el componente secundario y se presenta en forma de polvo, con tamaño de partícula comprendido entre 50 y 150 μm, se encuentra en el depósito secundario (17). Ambos materiales se mezclan controladamente por las electroválvulas de paso primaria (16) y secundaria (18), dando lugar a una mezcla de proporciones conocidas y definidas. Esta proporción es variable en el tiempo y se encuentra en el rango 1:9 a 9:1 de hidroxiapatita:vidrio bioactivo. Este material precursor en forma de mezcla, es homogeneizado en términos de distribución de componentes mediante una hélice dentro del depósito general (20) y alimentado mediante una bomba de desplazamiento positivo de tornillo helicoidal hacia el inyector de polvo precursor (21). El inyector de polvo precursor es una boquilla metálica con forma cónica, con su eje formando un ángulo comprendido entre 15º y 35º respecto al eje del haz láser principal (2) en la zona de procesamiento. No se utiliza gas alguno durante la inyección del polvo precursor, con excepción del aire presente en el entorno de procesamiento. A practical example of application of the invention is the processing of ceramic material consisting of a mixture whose components are bioactive glass and hydroxyapatite. Bioactive glass is a silica glass as a network former and can contain other elements such as calcium, sodium, potassium, phosphorus, magnesium, strontium, zinc or titanium. The bioactive glass corresponds to the primary component and is deposited in the primary tank (15) in powder form, with a particle size between 50 and 150 μm. Hydroxyapatite corresponds to the secondary component and is presented in powder form, with particle size between 50 and 150 μm, it is found in the secondary reservoir (17). Both materials are mixed in a controlled manner by the primary (16) and secondary (18) solenoid valves, resulting in a mixture of known and defined proportions. This ratio is variable over time and is in the range 1: 9 to 9: 1 of hydroxyapatite: bioactive glass. This precursor material in the form of a mixture, is homogenized in terms of distribution of components by means of a propeller inside the general tank (20) and fed by a positive displacement screw screw pump towards the precursor powder injector (21). The precursor powder injector is a conical shaped metal nozzle, with its axis forming an angle between 15 ° and 35 ° with respect to the axis of the main laser beam (2) in the processing area. No gas is used during the injection of the precursor powder, with the exception of the air present in the processing environment.
La fuente de haz láser principal (1) es una fuente láser de CO2, con una potencia óptica ajustable entre 5 W y 100 W. El expansor de haz principal (5) es un expansor de relación de expansión variable comprendida entre 1x y 5x, de diseño galileano y formado por tres lentes de seleniuro de zinc. La fuente de haz láser secundario (3) es una fuente de láser de fibra dopada con iterbio, con una longitud de onda comprendida entre 1060 y 1100 nm y con una potencia óptica ajustable entre 10 W y 200 W. El expansor de haz secundario (6) es un expansor de haz de relación de expansión variable comprendida entre 1x y 10x, de diseño galileano y compuesta por más de dos lentes ópticas de sílice vítrea. El elemento óptico plano (7) es un sustrato plano paralelo de seleniuro de zinc con un recubrimiento antirreflectante para la longitud de onda del haz láser de CO2 en la cara superior, y un recubrimiento dieléctrico multicapa altamente reflectante en el rango 500 nm a 1250 nm en la cara inferior. El espejo (9) es un sustrato plano paralelo de sílice vítrea con un recubrimiento dieléctrico multicapa altamente reflectante en el rango 1060 a 1100 nm en la cara superior. La lente de focalización (8) es una lente cóncavo-convexa de sulfato de zinc multiespectral, con una longitud focal comprendida entre 120 mm y 260 mm. El sustrato (13) es una placa plana de aleación de titanio de espesor 6 mm. La plataforma aislante (28), la cubierta aislante móvil (23) y la cubierta aislante estática (26) están compuestos por mullita-alúmina y presentan un grosor de pared de 20 mm. El elemento sensor de temperatura (27) es un termopar de rango de medición 100 a 800ºC, mientras que el elemento calefactor (25) es una resistencia de carburo de silicio. La temperatura medida por el elemento sensor de temperatura (27) se mantiene entre 400 y 600ºC en función de la composición exacta del componente vidrio bioactivo empleado. The main laser beam source (1) is a CO2 laser source, with an adjustable optical power between 5 W and 100 W. The main beam expander (5) is a variable expansion ratio expander between 1x and 5x, Galilean design and formed by three zinc selenide lenses. The secondary laser beam source (3) is a laser laser doped with yerbium, with a wavelength between 1060 and 1100 nm and with an adjustable optical power between 10 W and 200 W. The secondary beam expander ( 6) It is a beam expander of variable expansion ratio between 1x and 10x, of Galilean design and composed of more than two glassy silica optical lenses. The flat optical element (7) is a parallel flat zinc selenide substrate with an anti-reflective coating for the wavelength of the CO2 laser beam on the upper face, and a highly reflective multi-layer dielectric coating in the 500 nm to 1250 nm range In the lower face. The mirror (9) is a parallel flat substrate of vitreous silica with a highly reflective multi-layer dielectric coating in the range 1060 to 1100 nm on the upper face. The focusing lens (8) is a concave-convex lens of multispectral zinc sulfate, with a focal length between 120 mm and 260 mm. The substrate (13) is a flat plate made of 6 mm thick titanium alloy. The insulating platform (28), the mobile insulating cover (23) and the static insulating cover (26) are composed of mullite-alumina and have a wall thickness of 20 mm. The temperature sensing element (27) is a thermocouple of measuring range 100 to 800 ° C, while the heating element (25) is a silicon carbide resistor. The temperature measured by the temperature sensing element (27) is maintained between 400 and 600 ° C depending on the exact composition of the bioactive glass component used.
Claims (10)
- --
- Mezcla de los dos componentes primario y secundario de la cerámica manteniendo una proporción conocida en el tiempo entre ambos componentes. Mixing of the two primary and secondary ceramic components while maintaining a known proportion in time between both components.
- --
- Inyección de un chorro de material precursor Injection of a jet of precursor material
- --
- Movimiento relativo tridimensional de la pieza procesada (13) respecto a la zona de interacción (12) entre el chorro de material precursor (22), el haz láser principal (2) focalizado y el haz láser secundario (4) focalizado; para generar una pieza de geometría tridimensional. Three-dimensional relative movement of the processed part (13) with respect to the interaction zone (12) between the jet of precursor material (22), the main laser beam (2) focused and the secondary laser beam (4) focused; to generate a piece of three-dimensional geometry.
- 2. 2.
- Método de procesamiento de cerámicas de acuerdo con la reivindicación 1ª, en el cual la concentración del componente primario y la concentración del componente secundario en el chorro de material precursor (22) son variables en el tiempo. Además, la potencia óptica del haz láser principal (2) es: proporcional a la concentración del componente primario en el chorro de material precursor (22); inversamente proporcional al valor de absorción del componente primario para la longitud de onda del haz láser principal (2). Asimismo, la potencia óptica del haz láser secundario es: proporcional a la concentración del componente secundario en el chorro del material precursor (22); inversamente proporcional a: el valor de absorción del componente secundario para la longitud de onda del haz láser secundario (4); inversamente proporcional al valor de absorción del componente secundario para la longitud de onda del haz láser principal (2); inversamente proporcional al valor de de la potencia óptica del haz láser principal (2). Method of processing ceramics according to claim 1, wherein the concentration of the primary component and the concentration of the secondary component in the jet of precursor material (22) are variable over time. In addition, the optical power of the main laser beam (2) is: proportional to the concentration of the primary component in the jet of precursor material (22); inversely proportional to the absorption value of the primary component for the wavelength of the main laser beam (2). Likewise, the optical power of the secondary laser beam is: proportional to the concentration of the secondary component in the jet of the precursor material (22); inversely proportional to: the absorption value of the secondary component for the wavelength of the secondary laser beam (4); inversely proportional to the absorption value of the secondary component for the wavelength of the main laser beam (2); inversely proportional to the value of the optical power of the main laser beam (2).
- 3. 3.
- Método de procesamiento de cerámicas de acuerdo con las reivindicaciones 1ª a 2ª, en el cual el componente primario es vidrio bioactivo del sistema SiO2-CaO-Na2O-P2O5 y el componente secundario es hidroxiapatita. El haz láser principal procede de una fuente láser de CO2 y el haz láser secundario procede de una fuente láser de fibra dopada con iterbio. Ceramic processing method according to claims 1 to 2, wherein the primary component is bioactive glass of the SiO2-CaO-Na2O-P2O5 system and the secondary component is hydroxyapatite. The main laser beam comes from a CO2 laser source and the secondary laser beam comes from a laser source doped with ytterbium.
- 4. Four.
- Método de procesamiento de cerámicas de acuerdo con la reivindicación 1ª a 3ª donde la potencia óptica del haz láser principal está comprendida entre 5 y 100 W, y donde la potencia óptica del haz láser secundario está comprendida entre 10 y 200 W. Ceramic processing method according to claim 1 to 3 where the optical power of the main laser beam is between 5 and 100 W, and where the optical power of the secondary laser beam is between 10 and 200 W.
- 5. 5.
- Método de procesamiento de cerámicas de acuerdo con la reivindicación 1ª a 4ª, donde la temperatura de la zona de procesamiento se mantiene constante entre 400 y 700ºC. Ceramic processing method according to claim 1 to 4, wherein the temperature of the processing zone is kept constant between 400 and 700 ° C.
- 6. 6.
- Un aparato para procesamiento de cerámicas que opera según el procedimiento de la reivindicación 1ª, el cual comprende los siguientes elementos: An apparatus for processing ceramics that operates according to the method of claim 1, which comprises the following elements:
- --
- Un expansor de haz principal (5) de relación de expansión variable para ajustar el tamaño y la colimación del haz láser principal (2). A main beam expander (5) of variable expansion ratio to adjust the size and collimation of the main laser beam (2).
- --
- Un expansor de haz secundario (6) de relación de expansión variable destinado a ajustar el tamaño y la colimación del haz láser secundario A secondary beam expander (6) of variable expansion ratio intended to adjust the size and collimation of the secondary laser beam
- --
- Un espejo (9) que refleja la longitud de onda del haz láser secundario (4) procedente del expansor de haz secundario (6). A mirror (9) that reflects the wavelength of the secondary laser beam (4) from the secondary beam expander (6).
- --
- Un elemento óptico plano (7) que transmite el haz láser principal (2) procedente del expansor de haz principal (5) y, al mismo tiempo, refleja el haz láser secundario (4) procedente del espejo (9) paralelamente al haz láser principal (2). A flat optical element (7) that transmits the main laser beam (2) from the main beam expander (5) and, at the same time, reflects the secondary laser beam (4) from the mirror (9) parallel to the main laser beam (2).
- --
- Una lente de focalización (8) situada después del elemento óptico plano (7) que focaliza el haz láser principal (2) y, al mismo tiempo, focaliza el haz láser secundario (4). A focusing lens (8) located after the flat optical element (7) that focuses the main laser beam (2) and, at the same time, focuses the secondary laser beam (4).
- --
- Un depósito primario (15) destinado a alojar el componente primario del material precursor. A primary reservoir (15) intended to accommodate the primary component of the precursor material.
- --
- Un depósito secundario (17) destinado a alojar el componente secundario del material precursor. A secondary reservoir (17) intended to accommodate the secondary component of the precursor material.
- --
- Una electroválvula de paso primaria (16) situada a la salida del depósito primario (15), destinada a ajustar el flujo de salida del componente primario. A primary solenoid valve (16) located at the outlet of the primary tank (15), designed to adjust the output flow of the primary component.
- --
- Una electroválvula de paso secundaria (18) situada a la salida del depósito secundario (17), destinada a ajustar el flujo de salida del componente secundario. A secondary bypass solenoid valve (18) located at the outlet of the secondary tank (17), designed to adjust the output flow of the secondary component.
- --
- Un depósito general (20) destinado a alojar y homogeneizar el material precursor mezcla de componente primario y componente secundario procedentes del depósito primario (15) y el depósito secundario (17). A general deposit (20) intended to accommodate and homogenize the precursor material mixture of primary component and secondary component from the primary tank (15) and the secondary tank (17).
- --
- Un inyector de polvo precursor (21) destinado a inyectar el material precursor procedente del depósito general (20) en el punto de focalización del haz láser principal (2) y el haz láser secundario (4). A precursor powder injector (21) intended to inject the precursor material from the general reservoir (20) into the focal point of the main laser beam (2) and the secondary laser beam (4).
- --
- Un substrato (14) que soporta la generación de la pieza procesada (13) mediante el enfriamiento de la mezcla de material precursor procedente de la zona de interacción (12). A substrate (14) that supports the generation of the processed part (13) by cooling the mixture of precursor material from the interaction zone (12).
- 8. 8.
- Un aparato para procesamiento de cerámicas según la reivindicación 7ª en el cual un sistema de control electrónico (19) gobierna la electroválvula de paso primaria, la electroválvula de paso secundaria (18), la potencia óptica del haz láser principal (2) y la potencia óptica del haz láser secundario (4), y dicho sistema de control electrónico (19) recibe información sobre la radiación captada por el sensor óptico de temperatura (11). An apparatus for processing ceramics according to claim 7 in which an electronic control system (19) governs the primary solenoid valve, the secondary solenoid valve (18), the optical power of the main laser beam (2) and the power secondary laser beam optics (4), and said electronic control system (19) receives information about the radiation captured by the optical temperature sensor (11).
- 9. 9.
- Un aparato para procesamiento de cerámicas según la reivindicación 8ª, el cual comprende, adicionalmente, los siguientes elementos: An apparatus for processing ceramics according to claim 8, which further comprises the following elements:
- --
- Un sistema de confinamiento de la zona de procesamiento destinada a reducir las pérdidas de calor en dicha zona de procesamiento y que comprende: una cubierta aislante (23) solidaria a la lente de focalización (8); una plataforma aislante (28) que soporta y es solidaria al sustrato (14); una cubierta aislante estática (26) destinada a reducir las pérdidas de calor en la zona de procesamiento. A system for setting up the processing zone to reduce heat losses in said processing zone and comprising: an insulating cover (23) integral with the focusing lens (8); an insulating platform (28) that supports and is integral with the substrate (14); a static insulating cover (26) designed to reduce heat losses in the processing area.
- --
- Un elemento calefactor (25), contenido dentro de la cubierta aislante (23), destinado a generar el calor necesario para mantener una determinada temperatura media de la zona de procesamiento. A heating element (25), contained within the insulating cover (23), intended to generate the heat necessary to maintain a certain average temperature of the processing area.
- --
- Un elemento sensor de temperatura (27) destinado a medir la temperatura media de la zona de procesamiento. A temperature sensing element (27) intended to measure the average temperature of the processing area.
- Categoría Category
- Documentos citados Reivindicaciones afectadas Documents cited Claims Affected
- Y Y
- Modificación superficial de materiales cerámicos por láser, P. PARDO, A. PUCHE, R. IBÁÑEZ, J. BASTIDA, V.PRIMO. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 45, nº 6. 1,2 Surface modification of ceramic materials by laser, P. PARDO, A. PUCHE, R. IBÁÑEZ, J. BASTIDA, V. PRIMO. Bulletin of the Spanish Society of Ceramics and Glass. Vol. 45, No. 6. 1.2
- Y Y
- ES 2306613 B1 (CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA) 01.11.2008, página 2, líneas 3,27-45; página 3, líneas 1-7; página 3, línea 30 – página 4, línea 40; página 4, líneas 55-67; página 5, líneas 34-38,46-48. 1,2 EN 2306613 B1 (SUPERIOR COUNCIL OF SCIENTIFIC RESEARCH. UNIVERSITY OF ZARAGOZA) 01.11.2008, page 2, lines 3.27-45; page 3, lines 1-7; page 3, line 30 - page 4, line 40; page 4, lines 55-67; page 5, lines 34-38,46-48. 1.2
- Y Y
- JP 60027490 A (NIPPON ELECTRIC CO) 12.02.1985, resumen; figura 1. 6-8 JP 60027490 A (NIPPON ELECTRIC CO) 12.02.1985, summary; Figure 1. 6-8
- Y Y
- JP 60239333 A (HITACHI CABLE) 28.11.1985, resumen; figura 1. 6-8 JP 60239333 A (HITACHI CABLE) 28.11.1985, summary; Figure 1. 6-8
- A TO
- ES 2214956 A1 (UNIVERSIDAD DE SEVILLA. UNIVERSIDAD DE VIGO) 16.09.2004, página 2, líneas 3,11-15; página 4, línea 60 – página 5, línea 2. 1,3,6,9 EN 2214956 A1 (UNIVERSITY OF SEVILLA. UNIVERSITY OF VIGO) 16.09.2004, page 2, lines 3.11-15; page 4, line 60 - page 5, line 2. 1,3,6,9
- A TO
- ES 2325812 T3 (UNIVERSIDAD DE SEVILLA. UNIVERSIDAD DE VIGO) 18.09.2009, página 2, línea 3; página 4, línea 64 – página 5, línea 7; página 8, línea 20 – página 9, línea 8. 1,3,6 ES 2325812 T3 (UNIVERSITY OF SEVILLA. UNIVERSITY OF VIGO) 18.09.2009, page 2, line 3; page 4, line 64 - page 5, line 7; page 8, line 20 - page 9, line 8. 1,3,6
- A TO
- ES 2031298 T3 (EURATOM) 01.12.1992, columna 1, líneas 3-12; columna 2, línea 56 – columna 3, línea 7; columna 3, línea 49 – columna 4, línea 26; columna 4, líneas 46-50. 1,3,4,6,7,9 ES 2031298 T3 (EURATOM) 01.12.1992, column 1, lines 3-12; column 2, line 56 - column 3, line 7; column 3, line 49 - column 4, line 26; column 4, lines 46-50. 1,3,4,6,7,9
- A TO
- GB 1307263 A (AMERICAN OPTICAL CORP) 14.02.1973, columna 1, líneas 12-20; columna 2, línea 85 – columna 5, línea 2; figura 1. 1,3,4,6,9 GB 1307263 A (AMERICAN OPTICAL CORP) 14.02.1973, column 1, lines 12-20; column 2, line 85 - column 5, line 2; Figure 1. 1,3,4,6,9
- A TO
- US 5008890 A (MCFARLANE ROSS A) 16.04.1991, columna 1, líneas 12-15; columna 2, línea 54 – columna 3, línea 2; columna 6, líneas 58-68; columna 7, líneas 24-34. 1,3,6-8 US 5008890 A (MCFARLANE ROSS A) 16.04.1991, column 1, lines 12-15; column 2, line 54 - column 3, line 2; column 6, lines 58-68; column 7, lines 24-34. 1,3,6-8
- A TO
- WO 9621628 A1 (BRINK MARIA et al.) 18.07.1996, página 1, líneas 2-7; página 3, línea 28 – página 8, línea 7; página 12; página 13, líneas 1-4; página 18. 3,5 WO 9621628 A1 (BRINK MARIA et al.) 18.07.1996, page 1, lines 2-7; page 3, line 28 - page 8, line 7; page 12; page 13, lines 1-4; page 18. 3.5
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 21.10.2011 Date of realization of the report 21.10.2011
- Examinador M. C. Fernández Rodríguez Página 1/6 Examiner M. C. Fernández Rodríguez Page 1/6
- Categoría Category
- Documentos citados Reivindicaciones afectadas Documents cited Claims Affected
- A TO
- WO 2011109753 A1 (TERADIODE INC et al.) 09.09.2011, párrafos [0005,0007,0009,0012,0020,0021,0025-0027],[0036-0039],[0052-0064],[0096-00141]; figuras 1-4,13. 3,6,8 WO 2011109753 A1 (TERADIODE INC et al.) 09.09.2011, paragraphs [0005,0007,0009,0012,0020,0021,0025-0027], [0036-0039], [0052-0064], [0096-00141] ; Figures 1-4,13. 3.6.8
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 21.10.2011 Date of realization of the report 21.10.2011
- Examinador M. C. Fernández Rodríguez Página 2/6 Examiner M. C. Fernández Rodríguez Page 2/6
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-9 SI NO Claims Claims 1-9 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 3-5 1, 2, 6-9 SI NO Claims Claims 3-5 1, 2, 6-9 IF NOT
- Documento Document
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date
- D01 D01
- Modificación superficial de materiales cerámicos por láser, P. PARDO, A. PUCHE, R. IBÁÑEZ, J. BASTIDA, V.PRIMO. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 45, nº 6. Nov.-Dic. 2006 Surface modification of ceramic materials by laser, P. PARDO, A. PUCHE, R. IBÁÑEZ, J. BASTIDA, V. PRIMO. Bulletin of the Spanish Society of Ceramics and Glass. Vol. 45, No. 6. Nov.-Dec. 2006
- D02 D02
- ES 2306613 B1 (CONSEJO SUPERIOR DEINVESTIGACIONES CIENTÍFICAS. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA) 01.11.2008 EN 2306613 B1 (HIGHER COUNCIL OF SCIENTIFIC RESEARCH. UNIVERSITY OF ZARAGOZA) 01.11.2008
- D03 D03
- JP 60027490 A (NIPPON ELECTRIC CO) 12.02.1985 JP 60027490 A (NIPPON ELECTRIC CO) 12.02.1985
- D04 D04
- JP 60239333 A (HITACHI CABLE) 28.11.1985 JP 60239333 A (HITACHI CABLE) 11/28/1985
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