ES2378056B1 - Procedimiento y dispositivo de generación de microestructuras mediante plaqueado láser así como microestructuras generadas. - Google Patents

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.

Campo de la invención

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.

Antecedentes de la invención

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, máquinaherramienta, 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 CO2, láser de Nd:YAG, láser diodo, láser de disco y láser de fibra, fundamentalmente. Se han diseñado sistemas de guiado delhaz 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.

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.

Compendio de la invención

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.

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 μm a menos de 50 μm de ancho y/o de 10 μm a 100 μm de alto;

-

un microrecubrimiento que tiene de 5 μm a menos de 50 μm de alto; y

-

una micropieza que comprende microcordones y/o microrecubrimientos como los definidos anteriormente.

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.

Breve descripción de las figuras

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.

Descripción detallada de la invención

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 μm y menos de 50 μm y/o un ancho comprendido entre 10 μm y 100 μm. 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 M2 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 μm a 100 μmde ancho. Así mismo, el procedimiento de la invención permite la obtención de microcordones de 5 μm a menos de 50 μm 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.

Fuente Láser

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 M2 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.

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, CO2, 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.

Alimentador-dosificador y transportador neumático

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, N2, 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.

Cabezal de procesamiento

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.

Otros componentes

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.

Ejemplos

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 μm sobre placas planas de acero inoxidable AISI304 (50x50 mm2) 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 μm). 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 μma40 μm.

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 μm 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 μm. 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 (17)

1. REIVINDICACIONES

   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.

2. 2.

   Procedimiento según la reivindicación 1, en donde el material piezoeléctrico es una cerámica piezoeléctrica.

3. 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 M2 comprendido entre 0,95 y 1.

4. 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.

5. 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, CO2, CO, HeCd, de vapor de cobre, de Iodo, de Argón, de Kripton o láseres químicos (HF, DF).

6. 6.

   Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende la expansión del haz láser.

7. 7.

   Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende la deposición de varios materiales precursores.

8. 8.

   Microcordón obtenido según el procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores que tiene de 5 μm a menos de 50 μm de ancho y/o de 10 μm a 100 μm de alto.

9. 9.

   Microrecubrimiento obtenido según el procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1-7 que tiene de 5 μm a menos de 50 μm de alto.

10. 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. 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.

12. 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 M2 comprendido entre 0,95 y 1.

13. 13.

    Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11-12, en donde dicho cabezal de procesamiento además comprende un sistema expansor del haz láser.

14. 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. 15.

    Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11-14 en donde el sistema alimentador-dosificador y transportador neumático comprende varios materiales piezoeléctricos.

    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

    N.º solicitud: 200900311

    ESPAÑA

    Fecha de presentación de la solicitud: 04.02.2009

    Fecha de prioridad:

    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

    51 Int. Cl. : B23K26/14 (2006.01) C23C24/10 (2006.01)

    DOCUMENTOS RELEVANTES

    Categoría

    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

    X

    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. <DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.01.020> 1-13,15

    Y

    14

    Y

    WO 2004039531 A2 (TOYSERKANI, E. et al.) 13.05.2004, resumen; página 10, último párrafo -página 11, primer párrafo; figura 1. 14

    X

    US 4644127 A (LA ROCCA) 17.02.1987, todo el documento. 1-5,7-12,15

    Y

    14

    A

    WO 2008003942 A2 (UNIVERSITY OF MANCHESTER) 10.01.2008, página 1, párrafos [1-2]; página 13 desde "Referring to figure 4" – página 14, línea 2; página 14, líneas 12-21; figura 4. 1

    A

    Varios autores. Piezoelectricity. Wikipedia, 25.01.2009 [en línea], [recuperado el 21.03.2012]. Recuperado de Internet <URL: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Piezoelectricity&oldid=266228585> 2

    A

    Varios autores. Beam parameter product. Wikipedia, 17.04.2008. [en línea], [recuperado el 14.03.2012]. Recuperado de Internet <URL: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Beam_parameter_product&oldid=206361729> 3,12

    A

    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. <DOI: 10.1016/S0030-4018(00)01118-4> 3,12

    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

    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

    Fecha de realización del informe 14.03.2012

    Examinador A. Figuera González Página 1/6

    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B23K, C23C Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de

    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXTEN, XPESP, XPESP2, Internet

    OPINIÓN ESCRITA

    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 14.03.2012

    Declaración

    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 2, 3, 7, 12, 14, 15 1, 4-6, 8-11, 13 SI NO

    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-15 SI NO

    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

    Base de la Opinión.-

    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

    OPINIÓN ESCRITA

    1. Documentos considerados.-

    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

    Documento

    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

    D01

    LUSQUIÑOS F et al. Fibre laser micro-cladding of Co-based alloys on stainless steel. SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 24.01.2009

    D02

    WO 2004039531 A2 (TOYSERKANI, E. et al.) 13.05.2004

    D03

    US 4644127 A (LA ROCCA) 17.02.1987

    D04

    WO 2008003942 A2 (UNIVERSITY OF MANCHESTER) 10.01.2008

    D05

    Varios autores. Piezoelectricity. Wikipedia 25.01.2009

    D06

    Varios autores. Beam parameter product. Wikipedia 17.04.2008

16. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

    REIVINDICACIÓN 1

    En el documento D01 se describe un procedimiento de deposición de un material sobre un sustrato mediante microplaqueado láser. Véase D01, resumen: el microplaqueado láser por inyección de polvo ha sido utilizado para producir cordones plaqueados de una aleación basada en Co con características geométricas en el rango micrométrico. Véase también D01, apartado 1. Introduction, página 1933, columna derecha: El plaqueado láser utiliza el láser como fuente de energía para aplicar una capa del material deseado en un sustrato.

    El procedimiento de microplaqueado láser del documento D01 comprende también:

    -

    El disgregar las partículas de material precursor mediante la acción de un material piezoeléctrico y el mezclar dichas partículas con un gas de arrastre formando un flujo bifásico (polvo/gas).

    Véase D01, página 1935, figura 3 y apartado 2.2.2. Precursor feeding powder: los polvos se inyectan en la zona de interacción mediante una corriente de arrastre de gas argón y un inyector sólido-gas acoplado por un tubo flexible a una tolva. Para el polvo tipo PC, que es altamente cohesivo, utiliza como ayuda ondas acústicas generadas por un actuador piezoeléctrico acoplado una tolva para mejorar la fluidez y la estabilidad de la corriente de polvo.

    -

    El focalizar el haz láser sobre la superficie del sustrato.

    Véase D01, apartado 2.2.1.Laser microcladding system, página1935: El haz láser origina se expande (x5), se colima, y se enfoca para permitir una reducción del área de enfoque.

    -

    El transportar e inyectar dicho fluido bifásico en la zona de interacción entre el haz láser y el sustrato.

    Véase D01, apartado 2.2.1.Laser microcladding system, páginas1934 y 1935 y figura 3: Una boquilla con un eje diferente del eje del láser inyecta la corriente de polvo en la zona de interacción entre el haz láser y el sustrato.

    En conclusión, el documento D01 divulga todas las características técnicas de la invención objeto de la reivindicación 1 y por lo tanto la reivindicación 1 carece de novedad de acuerdo con el artículo 6 de la Ley de Patentes 11/1986.

    Por otra parte, se presenta a continuación un razonamiento alternativo al anterior. En efecto, si no tenemos en cuenta el documento D01 publicado por los propios inventores, también se puede considerar que el documento D03 es el documento del estado de la técnica más próximo al objeto de la reivindicación 1.

    En dicho documento se presenta un método de tratamiento de piezas metálicas con adición de material mediante el uso de un láser. Mientras el material en polvo que formará la adición fluye hacia la superficie de la pieza, es irradiado por un haz láser y se produce un plaqueado (“cladding”) debido a la interfusión. Véase D03, resumen, columna 2, líneas 7 a 13 y figura 2.

    OPINIÓN ESCRITA

    El movimiento del polvo, que ocurre principalmente en forma de lecho fluido, puede controlarse y realizarse más fácilmente por medio de vibraciones ultrasónicas aplicadas a los medios de suministro y/o al recipiente del polvo. Véase D03, columna 2, líneas 31 a 35 y columna 4, líneas 32 a 41.

    Las diferencias existentes entre el objeto de la reivindicación 1 y método descrito en el documento D03 son:

    -

    En el documento D03 no se menciona el uso de material piezoeléctrico.

    No obstante, es sabido que el material piezoeléctrico excitado eléctricamente se utiliza como fuente de vibraciones y en el documento D03 si que se utilizan vibraciones para mejorar el transporte del polvo.

    Así pues, el elegir un material piezoeléctrico como fuente de vibraciones es una mera opción de diseño, obvia para el experto en la materia. Además esta opción queda ilustrada en el mismo campo de la técnica por el documento D04 en el cual se utiliza un actuador piezoeléctrico 16 que vibra conectado a un conducto de alimentación 60 que hace las veces de cabezal de suministro del polvo. Véase D04, página 13 desde "Referring to figure 4" a página 14, línea 2 y figura 4.

    -

    En el documento D03 no se menciona explícitamente la etapa de focalización del haz láser sobre el sustrato.

    No obstante para el experto en la materia es evidente que es necesario que el haz láser esté correctamente enfocado en la zona en la que se produce el plaqueado. Pero además esta necesidad está ilustrada en el documento D04, en el que se emplea un sistema óptico 32 que permite acondicionar el haz óptico. Véase D04, página 14, líneas 12 a 21 y figura 4.

    Así pues, el experto en la materia, a la vista del documento D03 hubiera llegado de forma no inventiva al objeto de la reivindicación 1 simplemente utilizando opciones de diseño ya conocidas en el estado de la técnica tal y como se ilustra, por ejemplo, por el documento D04.

    En conclusión, la reivindicación 1 carece de actividad inventiva de acuerdo con el artículo 8 de la Ley de Patentes 11/1986.

    REIVINDICACIÓN 2.

    El seleccionar un material conocido en base a una propiedad ya conocida es obvio para el experto en la materia.

    Es sabido que algunas cerámicas pueden tener propiedades piezoeléctricas. Véase D05, apartado de « materials ».

    Por lo tanto la reivindicación 2, dependiente de la reivindicación 1 que carece de novedad, no aporta ninguna característica técnica adicional que no sea evidente para el experto en la materia y en consecuencia no tiene actividad inventiva.

    REIVIDICACIÓN 3.

    Para el experto en la materia hubiera resultado evidente que para realizar el procedimiento de la invención es interesante que el láser sea de buena calidad y se consiga un área de enfoque pequeña.

    De acuerdo con el documento D06, que es la entrada de la wikipedia sobre “Beam parameter product”, se puede enfocar un láser en un área que es más pequeña cuanto menor es M2.

    Así pues, es posible que existan problemas técnicos asociados a la selección valores de M2 comprendidos entre 0,9 y 1 o que se produzca un efecto sorprendente en este rango de valores, pero al no estar descritos en la solicitud ni proporcionarse ninguna característica técnica concreta de cómo conseguir este resultado, se considera que se trata de una mera opción de diseño, obvia para el experto en la materia.

    En conclusión, la reivindicación 3, dependiente de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que carecen ya sea de novedad ya sea de actividad inventiva, no aporta ninguna característica técnicas que no sea evidente para el experto en la materia y por lo tanto carece de actividad inventiva.

    REIVINDICACIONES 4, 5 y 6.

    En el documento D01:

    -

    la potencia del láser varía entre 40 y 100W. Véase D01, página 1935, dos líneas últimas líneas antes del apartado

17. 2.2.2. Precursor powder feeding.

    -

    se menciona a título de ejemplo el uso de dos tipos de láser disponibles para uso industrial: el láser de CO2 y el láser Nd:YAG, Véase D01, página 1933, columna derecha, líneas 3 y 4.

    -

    El haz láser original es expandido. Véase D01, página 1935, columna izquierda, línea 22.

    OPINIÓN ESCRITA

    Así pues el documento D01 divulga todas las características técnicas adicionales de las reivindicaciones 4, 5 y 6 que dependen de cualquiera de las reivindicaciones anteriores y por lo tanto en particular de la reivindicación 1 que carece de novedad.

    En conclusión las reivindicaciones 4, 5 y 6 carecen a su vez de novedad.

    REIVINDICACIÓN 7.

    Para el experto en la materia hubiera resultado evidente que es interesante depositar varios materiales precursores si se desea realizar diferentes microplaqueados sobre un mismo sustrato.

    Es posible que existan problemas técnicos asociados a la implementación de esta etapa del procedimiento, pero al no estar descritos en la solicitud ni proporcionarse ninguna característica técnica concreta de cómo conseguir este resultado, se considera que se trata de una mera opción de diseño, obvia para el experto en la materia.

    Así pues la reivindicación 7, dependiente de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que carecen ya sea de novedad ya sea de actividad inventiva, no aporta ninguna característica técnicas que no sea evidente para el experto en la materia y por lo tanto carece de actividad inventiva.

    REIVINDICACIONES 8, 9 y 10.

    En el documento D01, se afirma que se pueden conseguir alturas de cordón de 15 !m y ancho de aproximadamente 45 !m (véase D01, página 1937, columna de la derecha).

    Así pues las reivindicaciones 8 a 10, que se refieren a la obtención de elementos fabricados de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, es decir por ejemplo, de acuerdo con la reivindicación 1 que carece de novedad y no aportan ninguna característica técnica que no sea ya conocida en el estado de la técnica por lo que carecen a su vez de novedad.

    REIVINDICACIONES 11, 12 y13,

    Por un razonamiento similar al expuesto para las reivindicaciones 1, 3 y 6, las reivindicaciones 11 y 13 carecen de novedad y la reivindicación 12 carece de actividad inventiva.

    REIVINDICACIÓN 14.

    En el documento D02 se describe un sistema de monitorización y control de un proceso de plaqueado por inyección de polvo en tiempo real. El sistema utiliza detectores de imagen de tipo CCD en el sistema de retroalimentación. Los detectores 20 basados en CCD monitorizan el área de proceso en la que está la zona fundida. Véase D02, resumen, página 10, último párrafo, página 11 primer párrafo y figura 1.

    Así pues el experto en la materia, enfrentado al problema técnico de monitorizar la zona fundida, hubiera incorporado los detectores de imagen de tipo CCD del documento D02 al dispositivo descrito en el documento D01, obteniéndose como resultado un dispositivo que reúne las características técnicas de la reivindicación 14.

    Así pues la reivindicación 14 que depende de una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13 que carecen de novedad o de actividad inventiva, carece a su vez de actividad inventiva.

    REIVINDICACIÓN 15

    El uso de uno o varios elementos piezoeléctricos es una mera opción de diseño obvia para el experto en la materia.

    En conclusión, la reivindicación 15, que depende cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14 que carecen de novedad y/o de actividad inventiva, carece a su vez de actividad inventiva.