ES2378056A1 - Procedimiento y dispositivo de generación de microestructuras mediante plaqueado láser así como microestructuras generadas. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo de generación de microestructuras mediante plaqueado láser así como microestructuras generadas. Download PDFInfo
- Publication number
- ES2378056A1 ES2378056A1 ES200900311A ES200900311A ES2378056A1 ES 2378056 A1 ES2378056 A1 ES 2378056A1 ES 200900311 A ES200900311 A ES 200900311A ES 200900311 A ES200900311 A ES 200900311A ES 2378056 A1 ES2378056 A1 ES 2378056A1
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- laser
- procedure
- substrate
- laser beam
- microplating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
- B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
-
- B23K26/1411—
Abstract
La presente invención describe un procedimiento de deposición de un material sobre un sustrato mediante microplaqueado láser que comprende: disgregar las partículas del material precursor mediante la acción de un material piezoeléctrico; mezclar dichas partículas con un gas de arrastre formando un flujo bifásico (polvo/gas); focalizar el haz láser sobre la superficie del sustrato; y transportar e inyectar dicho flujo bifásico en la zona de interacción entre el haz láser y el sustrato. Las microestructuras (microcordones, microrecubrimientos y micropiezas) generadas por dicho procedimiento así como un dispositivo adecuado para su puesta en práctica son también objetos de esta invención.
Description
Procedimiento y dispositivo de generación de
microestructuras mediante plaqueado láser así como microestructuras
generadas.
La presente invención se relaciona con un
procedimiento de deposición de un material precursor sobre un
sustrato mediante plaqueado asistido por láser y su aplicación en la
generación sobre dicho sustrato de microestructuras del material
precursor en una, dos y tres dimensiones (microcordones,
microrecubrimientos y micropiezas, respectivamente), así como en la
reparación de piezas.
\vskip1.000000\baselineskip
El método de plaqueado asistido por láser es una
técnica que permite la deposición de recubrimientos sobre sustratos
generalmente metálicos. Entre las diversas técnicas de producción de
recubrimientos que existen en el mercado, el plaqueado láser destaca
por la alta adhesión del recubrimiento producido, puesto que se
genera un enlace químico entre substrato y recubrimiento gracias a
la formación de compuestos en su intercara basados en elementos
presentes en ambos. El proceso puede ser descrito como la adición de
un material en la superficie de un sustrato mediante plaqueado
utilizando como fuente de calor un láser. El grosor o altura típico
resultante del plaqueado en un paso es de las centenas de
micrómetros y su anchura del orden del milímetro, siendo necesario
volver a aplicar el proceso en caso de necesitar capas protectoras
de mayor grosor o anchura.
El aporte del material precursor del
recubrimiento puede ser en forma de lámina, hilo, polvo o incluso
una capa generada por otra técnica de recubrimiento. Además, la
aplicación del material de aporte (precursor del recubrimiento) y de
la energía del haz láser puede ser simultánea o bien consecutiva, al
depositar previamente el material precursor para su posterior
tratamiento térmico mediante la acción del haz láser. En concreto,
la técnica más robusta y que permite una combinación de parámetros
de procesamiento más amplia es la aplicación simultánea del haz
láser y del material de aporte, inyectado neumáticamente mediante
una corriente de gas inerte, sobre un substrato en movimiento
relativo respecto al haz láser y el flujo másico de partículas. En
este proceso, el haz láser interacciona por un lado con el flujo
bifásico de partículas arrastradas por la corriente de gas inerte,
provocando su calentamiento, y por otro con el substrato, generando
un baño fundido de pequeña profundidad, que recibe parte de la
energía del haz láser que ha sido atenuada tras atravesar el flujo
de partículas. Una interacción adicional tiene lugar entre el flujo
bifásico termalizado y el baño fundido. El movimiento relativo del
substrato con respecto al flujo de partículas y el haz láser aleja
el baño fundido de la acción del láser, dando lugar al enfriamiento
y solidificación del material al evacuarse rápidamente el calor al
volumen del substrato no procesado. Este procedimiento está
ampliamente referenciado en trabajos de investigación y ha sido
implantado en la industria en diferentes campos: aeronáutica,
aeroespacial, automoción, máquina-herramienta, etc.
En este sentido, esta técnica ha permitido la generación de
recubrimientos cuyos requisitos obedecen a altas prestaciones
mecánicas como una elevada dureza y alta resistencia al desgaste, a
temperatura ambiente y a altas temperaturas incluso en atmósferas
corrosivas, mejora de propiedades biológicas, modificación de
propiedades eléctricas y magnéticas, etc.
El sistema de alimentación neumática de
partículas permite la inyección de un flujo bifásico compuesto por
un flujo de gas inerte, generalmente argón, que arrastra un flujo de
partículas del material precursor. Este flujo bifásico es conducido
hasta el cabezal de procesamiento, que lo dirige e inyecta en la
zona de interacción del substrato y el haz láser. Sin embargo, los
sistemas de alimentación neumática únicamente permiten el transporte
e inyección de partículas cuyo tamaño medio es del orden de las
centenas de micrómetros. Dicho tamaño y la diferencia de densidad de
las partículas y el gas de arrastre garantizan, según el diagrama de
Geldart (D. Geldart, Powder Technology, 7 (1973)
285-292), el transporte en fase diluida donde
predomina la interacción fluido-partícula frente a
interacciones interpartícula y pared-partícula.
Los sistemas experimentales desarrollados para
plaqueado láser han sido optimizados para mejorar el aprovechamiento
del material precursor en forma de polvo y mejorar la productividad
de la técnica incrementando la velocidad de depósito. Así, para
mejorar la velocidad de depósito se ha dispuesto de fuentes láser de
alta potencia que permiten, aún desfocalizando el haz sobre el
substrato, garantizar la densidad de potencia media suficiente para
la fusión del material precursor y una capa superficial del
substrato que garantiza la formación del cordón. Tal desfocalización
consigue incrementar el ancho del cordón y una densidad de potencia
lo suficiente alta permite incrementar la velocidad relativa del
substrato-haz láser, de tal forma, que se reduce el
tiempo de depósito del recubrimiento. Para tal fin, se han
desarrollado sistemas experimentales basados en diferentes tipos de
láseres de alta potencia: láser de CO_{2}, láser de Nd:YAG, láser
diodo, láser de disco y láser de fibra, fundamentalmente. Se han
diseñado sistemas de guiado del haz y cabezales de procesamiento.
Éstos últimos permiten, bien la alimentación del flujo bifásico
coaxial con el haz láser, bien alimentación lateral, e incluso la
combinación de varios sistemas laterales para conferirle la
propiedad de omnidireccionalidad propia de la alimentación
coaxial.
En la última década, en el marco de la cultura
del reciclaje y aprovechamiento sostenible de recursos, se ha
planteado la necesidad de reparar moldes o elementos estructurales
de elevado coste y cuya fabricación consume excesivo tiempo y mano
de obra. Este planteamiento abrió un nuevo campo al plaqueado láser
por su versatilidad en el procesamiento de materiales de diferente
naturaleza, capacidad de automatización y depósito controlable en
geometría y posicionamiento. Ahora bien, los defectos a reparar
presentan dimensiones reducidas y la carga térmica puesta en juego
debe ser reducida para preservar las dimensiones geométricas del
volumen de la pieza. Se hizo necesario entonces disponer de un haz
láser de dimensiones más reducidas en la zona de interacción con la
pieza a reparar aún sacrificando la velocidad de proceso.
Además, la técnica de plaqueado láser ha dado
respuesta a la fabricación rápida: la generación rápida de
prototipos o piezas funcionales a partir de información electrónica,
en un sólo paso y aptos para su aplicación final.
Para estas dos nuevas aplicaciones del plaqueado
láser (reparación y generación de piezas), se ha incorporado al
sistema de movimiento del substrato un nuevo desplazamiento en
sentido vertical para depositar capas a diferentes alturas según el
diseño CAD/CAM.
Bajo diferentes siglas (láser engineered net
shaping (LENS): Sandia National Laboratories (1996), directed light
fabrication (DLF): Los Alamos National Laboratory (1997), laser
direct casting (LDC): University of Liverpool (1997), direct metal
deposition (DMD): University of Michingan (1997), laser
consolidation: National Research Council of Canadá (NRC) (1998),
laser additive manufacture (LAM): AeroMet Corporation of Eden
Prairie (MTS Systems Corporation) (1998)), solid
free-form fabrication/shape deposition
manufactufing: Stanford University, Penn State, Carnegie Mellon
University (1999), laser metal forming (LMF): University of
Missouri, Swiss Federal Institute of Technology (2000), laser powder
fusion (LPF): Huffman Corporation (2001), automated laser powder
deposition (ALPD): University of Waterloo (2003), laser powder
deposition (LPD): diferentes grupos de investigación (2003), laser
rapid forming (LRF): Shanghai Jiaotong University (2003)), numerosos
grupos de investigación han propuesto su sistema experimental basado
en plaqueado láser con inyección neumática de partículas para la
generación de piezas tridimensionales funcionales en una amplia gama
de materiales y con diferentes grados de acabado superficial. Las
piezas así producidas están dotadas de propiedades mecánicas
mejoradas frente al material de partida debido a la microestructura
fina que presentan debido al proceso de solidificación rápida
inherente a este método. Esta propiedad diferencia claramente las
técnicas de fabricación rápida basadas en plaqueado láser frente a
otras técnicas de fabricación
rápida.
rápida.
No obstante, una revisión exhaustiva de los
resultados descritos en el estado de la técnica indica un límite,
hasta ahora insalvable, del tamaño del detalle geométrico y el ancho
de la pared de las piezas así generadas. La misma limitación se
observa para los recubrimientos obtenidos mediante plaqueado láser,
que superan habitualmente la centena de micrómetros en altura y
ancho del cordón. Tal limitación puede comprometer la tolerancia
dimensional de una pieza a recubrir y debido a la carga térmica
puesta en juego, establece una distancia mínima de la zona a
procesar a zonas sensibles de la pieza. Por lo tanto, existe la
necesidad creciente de desarrollar procedimientos de plaqueado que
permitan la obtención rápida de microestructuras de menor tamaño a
las descritas en el estado de la técnica.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se enfrenta al problema de
recubrir superficies con estructuras de tamaño micrométrico, es
decir, microestructuras. Dicho tamaño es imprescindible en
diferentes aplicaciones tales como cuando el material que se
pretende recubrir presenta zonas sensibles térmicamente que están
situadas cerca de la zona de procesamiento. El procedimiento, además
de proporcionar microestructuras de manera muy precisa, debe ser
rápido, sobre todo cuando implica su puesta en práctica en repetidas
ocasiones, como sucede en la generación de microrecubrimientos o
micropiezas.
Los autores de la presente invención han
encontrado sorprendentemente que es posible generar cordones (1
dimensión) de un material sobre un substrato o sobre otro cordón, de
dimensiones (ancho y alto) micrométricas y con una alta resolución
dimensional mediante la utilización de un haz láser y la inyección
neumática de partículas de tamaño micrométrico y/o nanométrico
(preferentemente de aproximadamente 50 nanómetros a aproximadamente
10 micrómetros). La aplicación repetida de dicho procedimiento
permite la obtención de microrecubrimientos (2 dimensiones) y
micropiezas (3 dimensiones) en cortos períodos de tiempo. Así mismo,
el procedimiento de la invención es aplicable a la reparación de
piezas. La presente invención también describe un dispositivo
adecuado para la puesta en práctica de dicho procedimiento.
En un primer aspecto, la invención se dirige a
un procedimiento de deposición de un material (material precursor)
sobre un sustrato mediante microplaqueado láser que comprende:
- -
- disgregar las partículas del material precursor mediante la acción de un material piezoeléctrico;
- -
- mezclar dichas partículas con un gas de arrastre formando un flujo bifásico (polvo/gas);
- -
- focalizar el haz láser sobre la superficie del sustrato; y
- -
- transportar e inyectar dicho flujo bifásico en la zona de interacción entre el haz láser y el sustrato.
\vskip1.000000\baselineskip
El tamaño de partícula del material precursor a
inyectar ha de ser muy pequeño para garantizar la completa fusión
del volumen de las partículas y la generación de un cordón de
reducidas dimensiones, homogéneo en composición y geométricamente
uniforme. Sin embargo, la disminución del tamaño de partícula por
debajo de las decenas de micrómetros provoca el mal funcionamiento
de los sistemas comerciales de alimentación neumática, puesto que
para este rango de tamaño, las partículas tienden a aglomerarse,
perdiendo sus propiedades de fluidización y capacidad de ser
arrastradas mediante un flujo gaseoso perturbando irremediablemente
la alimentación neumática de partículas. Al ser tan pequeñas, la
relación superficie/volumen de las partículas es muy grande por lo
que las fuerzas de atracción (fuerzas de Van der Waals por puentes
de hidrógeno) superan a las de rotura debido al arrastre del gas.
Para superar este inconveniente se hace necesario el aporte de una
energía que quiebre los aglomerados, separando las partículas
submicrométricas y/o nanométricas. Esta energía es de naturaleza
mecánica y la proporciona un material piezoeléctrico que hace vibrar
el depósito capilar que aloja las partículas que son separadas y
depositadas en una cámara de mezcla con el flujo de gas de
arrastre.
Este flujo bifásico (partículas más gas) es
dirigido en forma de un chorro de diámetro micrométrico
(preferentemente en el orden de los 100 a 200 micrómetros) hacia la
zona de interacción del haz láser con el substrato o pieza a
recubrir. Este haz láser debe estar focalizado sobre la superficie
para lograr una zona fundida en la superficie de dicho substrato, lo
más pequeña posible. Al inyectar el flujo bifásico directamente en
el foco del láser, se reducen las dimensiones del cordón obtenido, a
diferencia del plaqueado láser convencional en el que no se trabaja
con el haz láser focalizado sobre el substrato.
Aunque el material se deposita en forma de
cordones, el adecuado solapamiento de cordones en un plano paralelo
al substrato permite la producción de recubrimientos de igual altura
a la de dichos cordones.
Además, mediante este procedimiento es posible
la generación en un sólo paso de piezas en tres dimensiones
funcionales con composición espacial controlada y de tamaño
micrométrico, así como la reparación de defectos de piezas sin
alterar su geometría, lo que confiere a este método un atractivo
especial en el campo de la fabricación de dispositivos a pequeña
escala y sistemas microelectromecánicos (MEMS).
Son aspectos adicionales de la invención las
microestructuras obtenidas por el procedimiento de la invención. Más
concretamente, dicho procedimiento proporciona las siguientes
microestructuras:
- -
- un microcordón que tiene de 5 \mum a menos de 50 \mum de ancho y/o de 10 \mum a 100 \mum de alto;
- -
- un microrecubrimiento que tiene de 5 \mum a menos de 50 \mum de alto; y
- -
- una micropieza que comprende microcordones y/o microrecubrimientos como los definidos anteriormente.
\vskip1.000000\baselineskip
En otro aspecto, la invención se dirige a un
dispositivo para depositar un material sobre un sustrato mediante
microplaqueado láser que comprende:
- -
- un sistema alimentador-dosificador y transportador neumático de las partículas del material precursor que comprende un material piezoeléctrico; y
- -
- un cabezal de procesamiento que comprende un sistema de focalización del haz láser.
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 1: Detalle de un cordón obtenido por el
procedimiento de la invención. Sobre un substrato (1), este
procedimiento permite el depósito de un recubrimiento en forma de
cordón (2) geométricamente homogéneo a lo largo de su longitud,
cuyas dimensiones en sección recta podemos visualizarlas realizando
un corte transversal mediante el plano (3). Se denomina alto del
cordón a la distancia marcada como (4) y ancho del cordón a la
distancia (5). Los cordones obtenidos se caracterizan además por la
dilución geométrica que se determina mediante la distancia (6) y se
debe a la necesaria fusión del substrato para garantizar el enlace
metalúrgico del cordón al substrato o cordón previamente
depositado.
Figura 2: Representación de un dispositivo
experimental adecuado para la ejecución del procedimiento de la
invención. En este dispositivo se muestran los siguientes
componentes: fuente láser (7), cabezal de procesamiento (8),
alimentador-dosificador y transportador neumático
(9), sistema de posicionamiento (10), sistema de enclaustre del
sistema de posicionamiento y el cabezal de procesamiento (11),
sistema de control y monitorización (12).
Figura 3: Micrografías obtenidas mediante
microscopía electrónica de barrido de un ejemplo de cordón obtenido
por el procedimiento de la invención, a) detalle de la superficie
del cordón; b) detalle longitudinal del cordón; c) sección del
microcordón.
\vskip1.000000\baselineskip
En la presente invención el término microcordón
alude al tamaño de la estructura longitudinal depositada en el
sustrato que presenta un alto comprendido entre 5 \mum y menos de
50 \mum y/o un ancho comprendido entre 10 \mum y 100 \mum.
Aunque esta estructura formalmente es tridimensional, en la presente
invención es calificada como de unidimensional por simplificidad.
Así mismo, los microrecubrimientos y micropiezas obtenidos por la
deposición de distintos microcordones, en un plano paralelo al
sustrato y/o unos encima de otros, por simplificidad se califican
respectivamente como bi y tridimensionales.
En la presente invención fuente láser de alta
calidad de haz representa aquella que tiene un valor de factor
M^{2} comprendido entre 0,9 y 1. Véase norma ISO 11146 para
obtener mayor información en relación a la calidad de haz.
Así mismo, en la presente invención, a menos que
se especifique lo contrario, los valores de los extremos de los
rangos numéricos quedan incluidos en el ámbito de la misma.
El procedimiento de deposición de un material
precursor sobre un sustrato divulgado por la presente invención
implica disgregar las partículas del material precursor mediante la
acción de un material piezoeléctrico. A continuación estas
partículas se mezclan con un gas de arrastre formando un flujo
bifásico (polvo/gas), que es transportado e inyectado en la zona de
interacción (o zona de deposición) entre el haz láser y el sustrato,
estando dicho haz láser focalizado sobre la superficie del sustrato.
La aplicación del procedimiento descrito permite generar cordones a
una escala geométrica más reducida que con la técnica de plaqueado
láser convencional pero preserva las ventajas inherentes de la
mencionada técnica, basada en el proceso de fusión del material
precursor y una capa superficial del substrato o cordón previo y
solidificación del baño fundido. Además, la energía puesta en juego
en el procedimiento de la invención es reducida ya que está muy
localizada, lo que permite la generación de dichos cordones cerca de
componentes sensibles al calor o bien permite la reparación de
defectos de piezas sin alterar su geometría, es decir, sin
distorsión mecánica debida a las tensiones mecánicas asociadas a los
ciclos térmicos generados. Por otro lado, los microcordones
generados mediante este procedimiento son aptos para la aplicación
final sin necesidad de operaciones de
post-mecanizado gracias a un proceso de fusión y
solidificación rápida que da lugar a un fuerte enlace metalúrgico.
Por ello, el procedimiento de la invención permite la generación en
tiempo real de composiciones a medida, siendo aplicable en el campo
de la fabricación de dispositivos a pequeña escala y sistemas
microelectromecánicos (MEMS) o la generación rápida de prototipos o
piezas funcionales. Este tipo de técnicas que permiten acceder a
microestructuras tridimensionales de manera muy rápida han
incorporado el diseño CAD/CAM para controlar la deposición de las
diferentes capas, sin ser necesaria la intervención humana demandada
en los procesos convencionales.
El procedimiento descrito en la presente
invención permite la obtención de microcordones como el mostrado en
la figura 1. En particular, el procedimiento de la invención permite
la obtención de microcordones de 10 \mum a 100 \mum de ancho.
Así mismo, el procedimiento de la invención permite la obtención de
microcordones de 5 \mum a menos de 50 \mum de alto. Por
consiguiente, los microrecubrimientos obtenidos por solapamiento de
microcordones en un plano paralelo al substrato también tendrán
dicho alto. Así mismo, es posible obtener micropiezas a partir de
dichos microcordones y/o microrecubrimientos.
El procedimiento descrito en la presente
invención es aplicable a numerosos materiales, preferentemente
metálicos (como aceros, aleaciones base Co, Ni, Cr, etc.) pero
también cerámicos o plásticos, sobre sustratos de diferente
naturaleza, preferentemente metales y cerámicas. Por tanto, los
biomateriales constituyen una posible aplicación del procedimiento
de la invención.
En la figura 2 se muestra una realización
particular de un dispositivo experimental adecuado para llevar a
cabo el procedimiento de la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
La fuente láser (7) se utiliza como fuente de
energía para generar un baño fundido sobre el sustrato (o sobre un
cordón previamente depositado). La puesta en práctica del
procedimiento de la invención preferiblemente requiere un tamaño
mínimo del haz láser sobre el sustrato (o sobre un cordón
previamente depositado), del orden de la longitud de onda del haz
láser (límite de difracción). Los equipos láser disponibles al no
ser sistemas ideales están lejos de este límite y permiten focalizar
el haz hasta diámetros del orden de decenas de micrómetros. Una gran
focalización es conveniente para generar un baño fundido de
reducidas dimensiones y por tanto microcordones de tamaño
micrométrico una vez depositadas las partículas de material
precursor.
Preferentemente, la fuente láser es de alta
calidad de haz, es decir con un valor de M^{2} comprendido entre
0,9 y 1, más preferentemente entre 0,95 y 1. En una realización
particular, la fuente láser tiene una calidad de haz próxima a
1.
Preferentemente, la fuente láser tiene una
potencia media del orden de las decenas de watios. En una
realización particular, la potencia de la fuente láser seleccionada
debe estar comprendida en el rango de 10 a 100 W, preferentemente es
aproximadamente 40 W.
\newpage
En función de los materiales a procesar se
seleccionará la longitud de onda adecuada y el modo de
funcionamiento (continuo o pulsado). Hoy en día, están disponibles
en el mercado diferentes fuentes láser que cumplen estos requisitos
y que pueden ser empleados en el procedimiento de la invención:
Nd:YAG, Nd:vidrio, Nd:vanadato, Er:YAG, diodo, fibra, disco,
CO_{2}, CO, HeCd, de vapor de cobre, de Iodo, de Argón, de Kripton
o láseres químicos (HF, DF). Entre estos láseres que pueden operar
bajo el procedimiento propuesto, los que operan en el visible e
infrarrojo cercano son los más adecuados puesto que permiten una
mayor focalización y proporcionan una potencia media suficiente para
llevar a cabo el proceso de microplaqueado láser.
\vskip1.000000\baselineskip
El sistema
alimentador-dosificador y transportador neumático
(9) conduce las partículas del material precursor hacia el cabezal
de procesamiento para ser inyectadas en el baño fundido generado por
el haz láser sobre el sustrato (o sobre un cordón previamente
depositado). Como se ha comentado anteriormente, es preferible que
el baño fundido tenga dimensiones muy pequeñas. Puesto que dicho
tamaño será de pocas decenas de micrómetros, el tamaño de partícula
del material precursor a inyectar ha de ser inferior a ese orden
para garantizar la completa fusión de las partículas y la generación
de un cordón homogéneo en composición y geométricamente
uniforme.
El transporte del material precursor de manera
neumática es más ventajoso frente a otros sistemas como el arrastre
por gravedad. Así por ejemplo, permite reducir el aporte de material
hasta 1000 veces, ya que se pueden utilizar flujos másicos muy
bajos, de incluso 0,9-10 miligramos/segundo, frente
a los gramos/segundo necesarios en los sistemas de plaqueado
convencionales. Por otra parte, la longitud de transporte es mayor y
se puede modificar la dirección del flujo a diferencia del
transporte por gravedad. Además, es posible modificar la velocidad
del flujo, cosa imposible en el transporte por gravedad. No
obstante, tal como se ha comentado, el arrastre de partículas con un
gas (flujo bifásico) es incompatible con partículas de pequeño
tamaño ya que se aglomeran. Por ello, este sistema neumático dispone
de un material piezoeléctrico que rompe dichos aglomerados.
Convenientemente, el sistema
alimentador-dosificador y transportador neumático
consta de un almacén calefactado de las partículas, que son
introducidas en un capilar hasta alcanzar una altura crítica en el
mismo. Este capilar es excitado mediante un material piezoeléctrico,
tal como una cerámica piezoeléctrica, que genera una onda
ultrasónica que deshace los aglomerados de las partículas y permite
su dosificación controlada y uniforme. Este sistema no precisa de
obturador para detener la dosificación de las partículas puesto que
ésta se interrumpe tan pronto se deja de alimentar la cerámica. El
flujo másico del material precursor depende fundamentalmente de la
onda ultrasónica que conduce las paredes del capilar que aloja el
material precursor. La naturaleza de dicha onda es gobernada por la
amplitud y frecuencia de la señal eléctrica que acomete el material
piezoeléctrico.
En una cámara de mezcla se introduce este flujo
másico en una corriente de gas de arrastre, para obtener un flujo
bifásico. Este gas es preferiblemente inerte, tal como Ar, He, Ne,
N_{2}, o una combinación de los mismos.
Un sistema de transporte neumático conduce dicho
flujo bifásico desde la cámara de mezcla hacia el cabezal de
procesamiento para ser inyectado en el baño fundido generado por el
haz láser. Preferentemente, en la zona de interacción se suministra
además un flujo de gas inerte que previene la oxidación de los
productos generados durante la formación del cordón.
En otra realización particular, este sistema
dispone de varios dosificadores ultrasónicos que proporcionan flujos
másicos independientes en valor y en material, de modo que son
mezclados en un mezclador mecánico de palas que uniformiza la
composición del flujo másico del material compuesto. En este
sentido, el sistema de alimentación puede estar constituido por
varios depósitos de material precursor que reciben la acción de los
respectivos materiales piezoeléctricos, un mezclador mecánico de los
flujos másicos de materiales precursores y una única cámara de
mezcla con el flujo de arrastre, de modo que, manipulando cada señal
eléctrica (amplitud y frecuencia) que alimenta la cerámica, se puede
regular individualmente la cantidad de materiales precursores que se
mezclan y por tanto es factible generar una aleación a medida en
tiempo real dentro de la misma capa que está procesando el láser.
También es posible crecer cordones encima de otros variando la
composición de cada cordón y así generar estructuras
tridimensionales con diferentes propiedades en cada capa. Mediante
esta técnica se podría obtener por ejemplo un material duro en el
exterior para evitar el desgaste y más elástico en el interior. La
naturaleza del control de flujo másico de cada componente de la
mezcla del material precursor hace el sistema fácilmente controlable
y automatizable.
Por tanto, el sistema
alimentador-dosificador y transportador neumático
del dispositivo destaca por su sencillez de diseño, robustez,
autonomía, modularidad y facilidad para su integración en un sistema
automático de fabricación.
\vskip1.000000\baselineskip
Además de la fuente láser anteriormente descrita
se pueden utilizar sistemas adicionales para garantizar un tamaño
mínimo del haz sobre el substrato (o sobre un cordón previamente
depositado) del orden de magnitud de la longitud de onda del haz
láser (límite de difracción). El cabezal de procesamiento (8) tiene
como función, además de transformar ópticamente el haz láser para
conseguir que la superficie de interacción
láser-sustrato sea mínima, la inyección del material
precursor en forma de flujo bifásico.
El cabezal de procesamiento dispone de un
sistema de focalización del haz láser adecuado. Según una
realización preferente, el cabezal de procesamiento dispone además
de un sistema expansor del haz láser en la entrada de la lente
focalizadora. El sistema óptico de focalización puede estar
compuesto por lentes y/o espejos y convenientemente dispone además
de una ventana que lo proteje frente a posibles salpicaduras o humos
derivados del proceso. Los materiales de estos elementos ópticos son
adecuados a la longitud de onda del láser seleccionado.
El haz láser deber ser guiado hasta el cabezal
de procesamiento. En particular, el sistema de guiado del haz, por
espejos, por fibra óptica o por otro medio, debe perturbar lo menos
posible a la distribución espacial de la energía del haz láser, esto
es, es conveniente que no altere el modo del haz láser a su salida
de la fuente láser.
El cabezal de procesamiento recibe el flujo
bifásico que ha de ser inyectado en el baño fundido generado en el
substrato o cordón a procesar. Dicho cabezal puede permitir la
inyección coaxial del flujo bifásico con respecto al haz láser o
bien una inyección lateral o combinación de varias de éstas para
dotarlas de un carácter coaxial. En este proceso es necesaria una
adecuada configuración geométrica de los inyectores con respecto al
haz láser sobre el baño fundido para controlar el tiempo de
interacción entre el flujo bifásico y el haz láser durante el vuelo
de las partículas hasta su incorporación al baño fundido. Para tal
fin, es necesario regular la inclinación de los inyectores si la
inyección es lateral y la distancia entre el punto central de
impacto del flujo bifásico y el centro del baño fundido del
substrato. En caso de ser inyección coaxial es necesario regular la
distancia axial de los cuerpos que conducen el flujo bifásico y el
haz láser. En todo caso, para obtener cordones de dimensiones
micrométricas, entre 5 y menos de 50 micrómetros de altura y entre
10 y 100 micrómetros de anchura, es necesario inyectar el flujo
bifásico de polvos directamente en la zona de interacción entre el
haz láser y el substrato, estando el haz láser focalizado justo
sobre la superficie del substrato.
El cabezal de procesamiento puede disponer
además de un sistema de monitorización del baño fundido mediante un
sistema óptico y una cámara electrónica.
\vskip1.000000\baselineskip
Un sistema de posicionamiento (10) permite
generar un movimiento relativo entre el substrato o cordón
previamente depositado y el cordón actual del procesamiento. Dicho
sistema genera el movimiento en dos ejes para seguir la trayectoria
de la capa actual de procesamiento. Un tercer movimiento en altura
es preciso cuando se pretende reparar piezas o generar piezas en
tres dimensiones. El movimiento relativo generado por un sistema de
posicionamiento de resolución micrométrica garantiza
posicionamientos y desplazamientos con la alta precisión
requerida.
Se puede precisar además de un sistema (11) que
enclaustre el sistema de posicionamiento (10) y el cabezal de
procesamiento (8) y mantenga una atmósfera controlada durante el
procesamiento para evitar reacciones incontroladas entre el material
que se genera en el baño fundido y los gases presentes en el
ambiente.
Finalmente, los diferentes sistemas del
dispositivo que controlan los parámetros de procesamiento durante el
mecanizado láser pueden ser regulados por un sistema de control y
monitorización (12), basado en ordenador o autómata, que monitoriza
las variables de proceso que son enviadas por los sensores de
proceso. Por ejemplo, dicho ordenador puede interpretar las
trayectorias especificadas electrónicamente para la generación del
cordón actual actuando sobre el sistema de posicionamiento y regular
la potencia del haz láser según las propiedades del baño fundido
capturadas por la cámara electrónica.
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento de la presente invención ha
sido empleado para producir microcordones de una superaleación
basada en cobalto (Sandvik Osprey; UK) con un tamaño de partícula de
10 \mum sobre placas planas de acero inoxidable AISI304 (50x50
mm^{2}) de 10 mm de grosor. Con el fin de delimitar perfectamente
las características geométricas de los cordones depositados, las
placas muestran una superficie altamente pulida (Ra <0,5 \mum).
La siguiente tabla muestra la composición química del sustrato AISI
304 y el material precursor (valor nominal y valor obtenido mediante
caracterización por fluorescencia de rayos X).
La fuente láser empleada fue un láser de fibra
de Yb:YAG monomodo con 45 W de potencia media del haz láser. El haz
original fue expandido (x5), colimado y focalizado reduciendo el
punto focal de 150 \mum a 40 \mum.
El material precursor fue inyectado en la zona
de interacción por medio de una corriente de argón y un inyector
gas-sólido acoplado mediante una conducción flexible
a una tolva. La configuración de dicho inyector consistía en una
boquilla axial, una tolva vertical en el extremo y un material
piezoeléctrico acoplado a dicha tolva para generar ondas acústicas y
mejorar la fluidez y estabilidad del flujo másico. El diámetro de
este flujo másico en la zona de interacción se redujo a 180 \mum
usando un microinyector. Así mismo, el flujo másico se mantuvo
constante a aproximadamente 2 mg/s y la velocidad del sustrato fue
de 2.8 mm/s.
En la figura 3 se muestra un microcordón
obtenido mediante el procedimiento de la invención utilizando los
parámetros de procesamiento anteriores: un láser de fibra de Yb:YAG,
para los siguientes parámetros de procesamiento: 45 W de potencia
media del haz láser, velocidad del substrato de 2.8 mm/s, flujo
másico de partículas 2 mg/s con un tamaño medio de partícula de 10
\mum. En la figura 3 a, la micrografía obtenida mediante
microscopía electrónica de barrido muestra un detalle de la
superficie del cordón obtenido. En la figura 3b se aprecia una mayor
longitud del cordón corroborando su uniformidad a lo largo de su
longitud y en la figura 3 c se aprecia en sección recta el
microcordón de ancho 45 micrómetros y altura 15 micrómetros.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza
de la presente invención, así como una forma de llevarla a la
práctica, sólo queda añadir que en su conjunto y partes que la
componen es posible introducir cambios de forma, materiales y de
disposición siempre y cuando dichas alteraciones no varíen
sustancialmente dicha invención.
Claims (15)
1. Procedimiento de deposición de un material
sobre un sustrato mediante microplaqueado láser que comprende:
- -
- disgregar las partículas del material precursor mediante la acción de un material piezoeléctrico;
- -
- mezclar dichas partículas con un gas de arrastre formando un flujo bifásico (polvo/gas);
- -
- focalizar el haz láser sobre la superficie del sustrato; y
- -
- transportar e inyectar dicho flujo bifásico en la zona de interacción entre el haz láser y el sustrato.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
donde el material piezoeléctrico es una cerámica piezoeléctrica.
3. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde la fuente láser empleada en el
microplaqueado es un láser de alta calidad de haz, preferentemente
con un valor de M^{2} comprendido entre 0,95 y 1.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde la potencia de la fuente láser
empleada en el microplaqueado está comprendida en el rango de 10 a
100 W, preferentemente es aproximadamente
40 W.
40 W.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde la fuente láser empleada en el
microplaqueado se selecciona entre Nd:YAG, Nd:vidrio, Nd:vanadato,
Er:YAG, diodo, fibra, disco, CO_{2}, CO, HeCd, de vapor de cobre,
de Iodo, de Argón, de Kripton o láseres químicos (HF, DF).
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que además comprende la expansión del
haz láser.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores que comprende la deposición de varios
materiales precursores.
8. Microcordón obtenido según el procedimiento
definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores que tiene
de 5 \mum a menos de 50 \mum de ancho y/o de 10 \mum a 100
\mum de alto.
9. Microrecubrimiento obtenido según el
procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones
1-7 que tiene de 5 \mum a menos de 50 \mum de
alto.
10. Micropieza obtenida según el procedimiento
definido en cualquiera de las reivindicaciones 1-7
que comprende microcordones y/o microrecubrimientos como los
definidos en las reivindicaciones 8 y 9.
11. Dispositivo para depositar un material sobre
un sustrato mediante microplaqueado láser que comprende:
- -
- un sistema alimentador-dosificador y transportador neumático de las partículas del material precursor que comprende un material piezoeléctrico; y
- -
- un cabezal de procesamiento que comprende un sistema de focalización del haz láser.
\vskip1.000000\baselineskip
12. Dispositivo según la reivindicación 11, en
donde la fuente láser empleada en el microplaqueado es un láser de
alta calidad de haz, preferentemente con un valor de M^{2}
comprendido entre 0,95 y 1.
13. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 11-12, en donde dicho cabezal de
procesamiento además comprende un sistema expansor del haz
láser.
14. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 11-13, en donde el cabezal de
procesamiento además comprende un sensor basado en cámara
electrónica para evaluación en tiempo real del baño fundido.
15. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 11-14 en donde el sistema
alimentador-dosificador y transportador neumático
comprende varios materiales piezoeléctricos.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200900311A ES2378056B1 (es) | 2009-02-04 | 2009-02-04 | Procedimiento y dispositivo de generación de microestructuras mediante plaqueado láser así como microestructuras generadas. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200900311A ES2378056B1 (es) | 2009-02-04 | 2009-02-04 | Procedimiento y dispositivo de generación de microestructuras mediante plaqueado láser así como microestructuras generadas. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2378056A1 true ES2378056A1 (es) | 2012-04-04 |
| ES2378056B1 ES2378056B1 (es) | 2013-01-28 |
Family
ID=45842550
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200900311A Active ES2378056B1 (es) | 2009-02-04 | 2009-02-04 | Procedimiento y dispositivo de generación de microestructuras mediante plaqueado láser así como microestructuras generadas. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2378056B1 (es) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4644127A (en) * | 1984-08-20 | 1987-02-17 | Fiat Auto S.P.A. | Method of carrying out a treatment on metal pieces with the addition of an added material and with the use of a power laser |
| WO2004039531A2 (en) * | 2002-10-31 | 2004-05-13 | Ehsan Toyserkani | System and method for closed-loop control of laser cladding by powder injection |
| WO2008003942A2 (en) * | 2006-07-01 | 2008-01-10 | The University Of Manchester | Powder delivery apparatus |
-
2009
- 2009-02-04 ES ES200900311A patent/ES2378056B1/es active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4644127A (en) * | 1984-08-20 | 1987-02-17 | Fiat Auto S.P.A. | Method of carrying out a treatment on metal pieces with the addition of an added material and with the use of a power laser |
| WO2004039531A2 (en) * | 2002-10-31 | 2004-05-13 | Ehsan Toyserkani | System and method for closed-loop control of laser cladding by powder injection |
| WO2008003942A2 (en) * | 2006-07-01 | 2008-01-10 | The University Of Manchester | Powder delivery apparatus |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| LUSQUIÑOS F et al. Fibre laser micro-cladding of Co-based alloys on stainless steel. SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, 24 de enero de 2009. Vol. 203, No. 14 , Páginas: 1933 - 1940. * |
| Varios autores. Beam parameter product. Wikipedia, 17/04/2008. [en línea], [recuperado el 2012-03-14]. Recuperado de Internet * |
| Varios autores. Piezoelectricity. Wikipedia, 25/01/2009 [en línea], [recuperado el 2012-03-21]. Recuperado de Internet * |
| ZHOU, G. et al. Semiconductor laser with beam quality factor M2<1. OPTICS COMMUNICATIONS, 15 de enero de 2001, Vol. 187 , No. 4-6 , Páginas: 395 - 399. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2378056B1 (es) | 2013-01-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Singh et al. | A comprehensive review of the methods and mechanisms for powder feedstock handling in directed energy deposition | |
| Jhabvala et al. | An innovative method to build support structures with a pulsed laser in the selective laser melting process | |
| Chueh et al. | Additive manufacturing of hybrid metal/polymer objects via multiple-material laser powder bed fusion | |
| US6391251B1 (en) | Forming structures from CAD solid models | |
| Kaierle et al. | Review on laser deposition welding: from micro to macro | |
| CN103521769B (zh) | 一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法 | |
| US10046394B2 (en) | Method for manufacturing overhanging material by pulsed, voxel-wise buildup | |
| Shi et al. | Laser metal deposition with spatial variable orientation based on hollow-laser beam with internal powder feeding technology | |
| US20050133527A1 (en) | Powder feeder for material deposition systems | |
| JP6553102B2 (ja) | ダイオードレーザファイバーアレイを用いたレーザ粉体床溶融結合付加製造における凝固制御法 | |
| JP5981474B2 (ja) | ノズル装置、積層造形装置及び積層造形物の製造方法 | |
| Brueckner et al. | Process characteristics in high-precision laser metal deposition using wire and powder | |
| US20200030916A1 (en) | Laser-assisted additive manufacturing | |
| Riveiro et al. | Laser additive manufacturing processes for near net shape components | |
| Volpp | Behavior of powder particles on melt pool surfaces | |
| US20220305559A1 (en) | Liquid metal ejection printing | |
| Kotoban et al. | Possibility of multi-material laser cladding fabrication of nickel alloy and stainless steel | |
| Volpp et al. | Powder particle attachment mechanisms onto liquid material | |
| ES2378056A1 (es) | Procedimiento y dispositivo de generación de microestructuras mediante plaqueado láser así como microestructuras generadas. | |
| Barragan et al. | Observations on Laser Additive Manufacturing (LAM) in Terms of Directed Energy Deposition (DED) with Metal Powder Feedstock. | |
| Kumar | Deposition process | |
| Kumar et al. | Beam based solid deposition process | |
| Tumkur et al. | Metal Additive Manufacturing using complex beam shaping | |
| Joshi et al. | Laser assisted rapid manufacturing technique for the manufacturing of functionally graded materials | |
| Babkin et al. | High-speed laser direct deposition technology: theoretical aspects, experimental researches, analysis of structure, and properties of metallic products |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2378056 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20130128 |