ES2564850T3

ES2564850T3 - Método y disposición para construir objetos metálicos mediante fabricación de sólidos de forma libre

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Publication number: ES2564850T3
Application number: ES12719468.6T
Authority: ES
Inventors: Ferdinand Stempfer
Original assignee: Norsk Titanium AS
Current assignee: Norsk Titanium AS
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-03-29
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2014512961A; GB2489493A; WO2012134299A2; BR112013025043A2; SG193965A1; GB2489493B; US20140061165A1; KR20140038958A; AU2012233752A1; WO2012134299A3; AU2012233752B2; EP2691197B1; US20160318130A1; GB201105433D0; US11213920B2; BR112013025043B8; CN103476523B; EA201391415A1; EA024135B1; CN103476523A

Abstract

Un método para la fabricación de un objeto tridimensional de un material metálico mediante la fabricación de sólidos de forma libre, donde el objeto se realiza por la fusión de los depósitos juntos sucesivos del material metálico sobre un sustrato de soporte, caracterizado porque el método comprende: - el empleo de un sustrato de soporte hecho de un material metálico similar al del que está hecho el objeto, y - cada depósito sucesivo se obtiene por; i) empleo de un primer plasma por arco transferido (PTA) para precalentar y formar un baño fundido en el material de base en la posición en la que el material metálico se va a depositar, ii) suministrar el material metálico que se depositará en la forma de un alambre de suministro de material metálico a una posición por encima del baño fundido, iii) empleo de un segundo plasma por arco transferido (PTA) para calentar y derretir el alambre de suministro de material metálico de tal manera que el material metálico fundido gotee en el baño fundido, y iv) mover el sustrato de soporte con relación a la posición de la primera y segunda PTA en un patrón predeterminado de manera que los depósitos sucesivos de material metálico fundido se solidifiquen y forme el objeto tridimensional.

Description

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DESCRIPCION

Metodo y disposicion para construir objetos metalicos mediante fabricacion de solidos de forma libre

Esta invencion se refiere a un metodo y una disposicion para la fabricacion de objetos mediante la fabricacion de solidos de forma libre, especialmente objetos de titanio y aleaciones de titanio.

Antecedentes

Las partes metalicas estructuradas hechas de titanio o de aleaciones de titanio se hacen convencionalmente por fundicion, forja o mecanizado a partir de un lingote. Estas tecnicas tienen la desventaja de alto uso del material del costoso metal de titanio y de grandes tiempos de espera en la fabricacion.

Objetos ffsicos totalmente densos pueden ser hechos por una tecnologfa de fabricacion conocida como prototipado rapido, fabricacion rapida, fabricacion por capas o fabricacion aditiva. Esta tecnica emplea el software de diseno asistido por ordenador (CAD) para construir primero un modelo virtual del objeto que se va a hacer, y luego transformar el modelo virtual en cortes paralelos delgados o capas, por lo general orientadas horizontalmente. El objeto ffsico puede entonces ser hecho asentando las sucesivas capas de materia prima en forma de pasta lfquido o en polvo o material en hoja que se asemeja a la forma de las capas virtuales hasta que se forma todo el objeto. Las capas se fusionan entre sf para formar un objeto denso solido. En caso de deposito de materiales solidos que se funden o se sueldan juntos, la tecnica tambien se denomina como fabricacion de solidos de forma libre.

La fabricacion de solidos de forma libre es una tecnica flexible que permite la creacion de objetos de casi cualquier forma en velocidades de produccion relativamente rapidas, por lo general vana de algunas horas a varios dfas para cada objeto. La tecnica es por lo tanto adecuada para la formacion de prototipos y series de produccion pequenas, pero menos adecuada para la produccion a gran volumen.

Estado de la tecnica

La tecnica de fabricacion por capas puede ser ampliada para incluir la deposicion de piezas de material de construccion, es decir, cada capa estructural del modelo virtual del objeto se divide en un conjunto de piezas que cuando el lado previsto se coloca al lado del otro forman la capa. Esto permite la formacion de objetos metalicos por soldadura de un alambre sobre un sustrato en franjas sucesivas que forman cada capa de acuerdo con el modelo de capas virtuales del objeto, y repitiendo el proceso para cada capa hasta que se forma todo el objeto ffsico. La precision de la tecnica de soldadura es generalmente demasiado gruesa para permitir directamente la formacion del objeto con dimensiones aceptables. El objeto formado sera generalmente considerado un objeto nuevo o pre-forma que tiene que ser mecanizado a una precision dimensional aceptable.

Taminger and Hafley [1] revelan un metodo y dispositivo para la fabricacion de piezas metalicas estructurales directamente de los datos de diseno asistido por ordenador combinado con una fabricacion de forma libre con haz de electrones (EBF). La parte estructural es construida por soldadura de capas sucesivas de un alambre de soldadura metalica que esta soldado por la energfa termica proporcionada por el haz de electrones. El proceso se muestra esquematicamente en la figura 1, que es un facsfmil de la figura 1 de [1]. El proceso EBF consiste en suministrar un alambre de metal a un bano fundido hecho y sostenido por un haz de electrones enfocado en un entorno de alto vado. El posicionamiento del alambre de haz de electrones y la soldadura se obtiene al tener el canon de haz electronico y el sistema de posicionamiento (el sustrato de soporte) articulado de forma movil a lo largo de uno o mas ejes (X, Y, Z, y la rotacion) y regular la posicion del canon de haz de electrones y el sustrato de soporte por un sistema de control de movimiento de cuatro ejes. El proceso se reivindica que es casi del 100% de eficiencia en el uso de materiales y un 95% de eficacia en el consumo de energfa. El metodo se puede emplear tanto para la deposicion de metales a granel y deposiciones mas finas detalladas, y el metodo se reivindica para obtener un efecto significativo en la reduccion de tiempo de espera y material inferior y costos de mecanizado en comparacion con el enfoque convencional de mecanizado de las piezas de metal. La tecnologfa de haz de electrones tiene la desventaja de ser dependiente de un alto vado de 10"1 Pa o menos en la camara de deposicion.

Se conoce el uso de plasma por arco para proporcionar el calor para la soldadura de materiales metalicos. Este metodo se puede emplear a presiones atmosfericas o superiores, y por lo tanto permitir un equipo de proceso mas simple y menos costoso. Uno de tales metodos es conocido como la soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW, tambien denominado como TIG) donde se forma un plasma por arco transferido entre un electrodo de tungsteno no consumible y la zona de soldadura. El plasma por arco esta generalmente protegido por un gas que se alimenta a traves del soplete de plasma que forma una cubierta de proteccion alrededor del arco. La soldadura TIG puede incluir el suministro de un alambre de metal o polvo de metal en el bano fundido o el plasma por arco como material de relleno.

De US 2010/0193480 se conoce el empleo de un soplete de soldadura TIG para construir objetos por fabricacion de solidos de forma libre (SFFF), donde se aplican capas sucesivas de material de materia prima metalica con baja ductilidad sobre un sustrato. Una corriente de plasma se crea por la activacion de un gas que fluye usando un

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electrodo de arco, el electrodo de arco que tiene una corriente de magnitud variable proporcionada al mismo. La corriente de plasma se dirige a una region objetivo predeterminado para precalentar la region objetivo predeterminado antes de la deposicion. La corriente se ajusta y el material de materia prima se introduce en la corriente de plasma para depositar la materia prima fundida en la region objetivo predeterminada. La corriente se ajusta y la materia prima fundida se enfna lentamente a una temperatura elevada, por lo general por encima de la temperatura de transicion fragil a ductil del material de materia prima, en una fase de enfriamiento para minimizar la aparicion de tensiones del material.

Otro ejemplo es US 2006/185473, que revela el uso del soplete TIG en lugar del laser costoso utilizado tradicionalmente en procesos de fabricacion de solidos de forma libre (SFFF) con suministro de titanio a un costo relativamente bajo mediante la combinacion del suministro de titanio y componentes de aleacion de una manera que reduce considerablemente el costo de las materias primas. Mas particularmente, en un aspecto, la presente invencion emplea alambre de titanio puro (CP Ti) que es de mas bajo costo que el alambre de aleacion, y combina el alambre de CP Ti con componentes de aleacion en polvo in situ en el proceso SFFF mediante la combinacion de alambre de CP Ti y los componentes de aleacion en polvo en la masa fundida del soplete de soldadura u otros haces de energfa de alta potencia. En otra realizacion, la invencion emplea material de esponja de titanio mezclado con elementos de aleacion y se forma en un alambre donde se puede utilizar en un proceso de SFFF en combinacion con un soplete de soldadura de plasma u otros haces de energfa de alta potencia para producir componentes de titanio conformado casi neto.

El metal de titanio o las aleaciones de titanio calentados por encima de 400°C pueden estar sujetas a la oxidacion al contacto con el oxfgeno. Por lo tanto, es necesario proteger la soldadura y el objeto caliente que esta siendo formado por fabricacion en capas contra el oxfgeno en la atmosfera ambiente.

Una solucion a este problema es conocida a partir de WO 2011/0198287, que revela un metodo para aumentar la velocidad de deposicion llevando a cabo la fabricacion de objetos de fabricacion de solidos de forma libre, especialmente objetos de titanio y aleacion de titanio, en una camara de reactor que esta cerrada a la atmosfera ambiente. Al hacer en la camara de deposicion el suficiente vacfo de oxfgeno, la necesidad de emplear medidas de proteccion para evitar la oxidacion de la nueva zona soldada por el oxfgeno atmosferico ambiente ya no esta presente, de tal manera que se puede proceder al proceso de soldadura a una velocidad mas grande ya que en la zona soldada se puede permitir tener una temperatura superior sin riesgo de oxidacion excesiva de la soldadura. Por ejemplo, en la produccion de objetos de titanio o aleacion de titanio, ya no hay necesidad de enfriamiento de la zona soldada por debajo de 400°C para evitar la oxidacion.

Otra solucion para aumentar la velocidad de deposicion se conoce de US 6 268 584, que revela un ensamblaje superior de deposicion que consta de las siguientes caractensticas: una serie de boquillas de salida de polvo para crear un flujo convergente de polvo a la region de deposicion, un orificio central que permite que multiples haces se centren sobre el sustrato de deposicion, y el flujo de gas coaxial para cada uno de los inyectores de polvo para concentrar la corriente de polvo de estas boquillas con el fin de proporcionar una distancia mas larga de trabajo entre la boquilla y el ensamblaje superior de deposicion. La distancia de trabajo mas larga es cntica para asegurar que las partfculas de metal fundido no esten unidas al aparato de deposicion durante el procesamiento. En particular, la invencion incluye un sistema colector disenado en el ensamblaje superior de deposicion que puede utilizar mas de un haz de laser al mismo tiempo para el proceso de deposicion. El ensamblaje superior de deposicion tambien incorpora un medio para concentrar de forma activa la corriente de polvo de cada orificio para aumentar la eficiencia de la utilizacion del material.

WO 2006/133034 revela el uso de arco metalico con gas combinado y la soldadura por laser para resolver los problemas asociados con la naturaleza reactiva de Ti y sus caractensticas de fundido que hacen que sea muy diffcil para formar productos de DMD. Las tecnicas de arco metalico con gas tienen varias desventajas que limitan seriamente su aplicacion al depositar Ti. Estos inconvenientes incluyen inestabilidades en la transferencia de metal, salpicaduras excesivas y un mal control de la forma de capa depositada, y alta entrada de calor que provoca una distorsion de secciones delgadas durante la deposicion. Tambien, un aumento de la productividad no es posible debido a la oscilacion en el punto de catodo que se produce durante la deposicion. La solucion a estos problemas de acuerdo con WO 2006/133034 es un proceso directo de deposicion de metal que comprende las etapas de proporcionar un sustrato y depositar un metal a partir de una materia prima de metal sobre el sustrato. Se genera un arco electrico entre la materia prima de metal y el sustrato y el arco se expone a la radiacion laser para formar un bano de metal fundido sobre el sustrato. El bano de metal fundido se enfna para formar una primera capa de metal solido en el sustrato.

Objetivo de la invencion

El principal objetivo de la invencion es proporcionar un dispositivo para una construccion metalica mediante la fabricacion de solidos de forma libre.

Otro objetivo de la invencion es proporcionar un metodo para la fabricacion de capas rapida de objetos en titanio o aleaciones de titanio.

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Descripcion de la invencion

La invencion se basa en la realizacion de que la velocidad de deposicion se puede aumentar mediante el suministro de material de suministro metalico en la forma de un alambre y el empleo de dos arcos transferidos de gas, un plasma por arco transferido para el calentamiento de la zona de deposicion sobre el material de base y un plasma por arco transferido para calentar y fundir el alambre de suministro.

Asf, en un primer aspecto, la presente invencion se refiere a un metodo para la fabricacion de un objeto tridimensional de un material metalico mediante la fabricacion de solidos de forma libre, donde el objeto se realiza por la fusion junto con los depositos sucesivos del material metalico sobre un sustrato de soporte,

caracterizado porque el metodo comprende:

- el empleo de un sustrato de soporte hecho de un material metalico similar al del objeto que se va a hacer, y

- cada deposito sucesivo se obtiene por;

i) el empleo de un primer plasma por arco transferido (PTA) para precalentar y formar un bano fundido en el material de base en la posicion en la que el material metalico se va a depositar,

ii) suministrar el material metalico que se depositara en la forma de un alambre a una posicion por encima del bano fundido,

iii) empleo de un segundo plasma por arco transferido (PTA) para calentar y fundir el alambre de tal manera que el material metalico fundido gotea en el bano fundido, y

iv) mover el sustrato de soporte con relacion a la posicion del primer y segundo PTA en un patron predeterminado de tal manera que los sucesivos depositos de material metalico fundido se solidifican y forma el objeto tridimensional.

En un segundo aspecto, la invencion se refiere a una disposicion para la fabricacion de un objeto tridimensional de un material metalico mediante la fabricacion de solidos de forma libre, donde la disposicion comprende:

- un soplete de soldadura con un suministrador de alambre integrado suministrando un alambre del material metalico,

- un sistema para el posicionamiento y movimiento del sustrato de soporte en relacion con el soplete de soldadura, y

- un sistema de control capaz de leer un modelo de diseno asistido por ordenador (CAD) del objeto que se va a formar y emplear el modelo CAD para regular la posicion y el movimiento del sistema de posicionamiento y moviendo el sustrato de soporte y para hacer funcionar el soplete de soldadura con suministro de alambre integrado de tal manera que un objeto ffsico se construye mediante la fusion de los depositos sucesivos del material metalico sobre el sustrato de soporte, caracterizado porque

- el sustrato de soporte esta hecho de un material metalico similar al del objeto que se va a hacer,

- el soplete de soldadura comprende

i) un primer soplete de plasma por arco transferido (PTA) conectado electricamente al material de base y

ii) un segundo soplete de plasma por arco transferido (PTA) conectado electricamente al alambre de suministro de material metalico,

- el sistema de control es capaz de operar y regular por separado el primer soplete de PTA para formar y mantener un bano fundido en el material de base en la posicion en la que el material metalico se va a depositar, y

- el sistema de control es capaz de operar y regular por separado el suministro de alambre y el segundo soplete de PTA para fundir el material metalico suministrado en una posicion de tal manera que el material metalico fundido gotee en el bano fundido.

El termino "material metalico similar" como se usa en este documento significa que el material metalico es del mismo metal o aleacion metalica como el material metalico de referencia.

El termino "material de base" tal como se utiliza en el presente documento se entiende como el material objetivo para el calor del primer soplete de PTA y en el que el bano fundido se va a formar. Este sera el sustrato de soporte al depositar la primera capa de material metalico. Cuando una o mas capas de material metalico se han depositado

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sobre el sustrato de soporte, el material de base sera la capa superior de material metalico depositado es decir que ha depositado una nueva capa de material metalico.

El termino "soplete de plasma por arco transferido" o "soplete de PTA" como se usa indistintamente en este documento significa cualquier dispositivo capaz de calentar y excitar una corriente de gas inerte al plasma por una descarga de arco electrico y luego transferir el flujo de gas de plasma incluyendo el arco electrico a traves de un orificio (boquilla) para formar una columna estrecha que se extiende fuera del orificio y transfiere el intenso calor del arco a una region objetivo. La region objetivo y de electrodo esta conectada electricamente a una fuente de energfa de corriente continua de tal manera que el electrodo del soplete de PTA se convierte en el catodo y la region de destino se convierte en el anodo. Esto asegurara que la columna de plasma incluyendo el arco electrico entregue un flujo de calor altamente concentrado a una pequena area de superficie de la region de destino con un excelente control de la extension de area y la magnitud del flujo de calor que se suministra por el soplete de PTA. Un plasma por arco transferido tiene la ventaja de proporcionar arcos estables y consistentes con poca oscilacion y buena tolerancia para las desviaciones de la longitud entre el catodo y el anodo. Por lo tanto, el soplete de PTA es apropiado tanto para la formacion de un bano fundido en el material de base y para calentar y fundir el suministro del alambre metalico. El soplete de PTA puede tener favorablemente un electrodo de tungsteno y una boquilla de cobre. Sin embargo, la invencion no esta ligada a ninguna eleccion espedfica o tipo de soplete de PTA. Cualquier dispositivo conocido o concebible capaz de funcionar, se puede aplicar como soplete de PTA.

El uso de un primer soplete de PTA controlado por separado para precalentar el material de base y formar el bano fundido y un segundo soplete de PTA por separado para fundir el alambre de suministro de material metalico ofrece la ventaja de que se hace posible aumentar el suministro de calor al suministro de alambre metalico independiente del suministro de calor al sustrato de modo que se hace posible aumentar el flujo de calor en el material de suministro sin riesgo de la creacion de un "arco de pulverizacion", que genera salpicaduras. Por lo tanto, es posible aumentar la velocidad de deposicion del material de suministro metalico fundido sin sobrecalentar simultaneamente el sustrato y sin riesgo de salpicaduras o formar un bano fundido excesivo y, por lo tanto, perder el control de la consolidacion del material depositado. Esta caractenstica se obtiene mediante la conexion de una fuente de energfa de corriente continua de tal manera que el electrodo del primer soplete de PTA convierte la polaridad negativa y el material de base convierte la polaridad positiva para definir un circuito electrico, donde la carga electrica es transferida por una descarga de arco entre el electrodo del primer soplete de PTA y el material de base, y mediante la conexion del electrodo del segundo soplete de PTA para el polo negativo de una fuente de energfa de corriente continua y el alambre de suministro de material metalico al polo positivo para formar un circuito electrico, donde la carga electrica es transferida por una descarga de arco entre el electrodo del segundo soplete de PTA y el alambre de suministro de material metalico.

El primer y segundo sopletes de PTA pueden tener favorablemente fuentes de suministro separadas y medios para la regulacion de la fuente de suministro a los respectivos sopletes. Los medios para la regulacion de la potencia pueden incluir favorablemente medios para controlar la temperatura de la zona de deposicion del material de base y medios para la regulacion de la anchura y la posicion del arco, es decir, tal como medio de deflexion de arcos magneticos. Tambien, el primer soplete de PTA empleado para formar el bano fundido en el material de base puede formar favorablemente un amplio arco, tal como, i.e. formado por un soplete de soldadura por arco de tungsteno y gas (soplete de GTAW, tambien denominado como soplete de TIG en la literatura) para formar un bano fundido en un area mas amplia de la superficie del material de base.

El termino "modelo de diseno asistido por ordenador" o "modelo CAD" como se usa indistintamente en este documento significa cualquier representacion tridimensional virtual conocida o concebible del objeto que se va a formar que se puede emplear en el sistema de control de la disposicion segun el segundo aspecto de la invencion: para regular la posicion y el movimiento del sustrato de soporte y para hacer funcionar el soplete de soldadura con suministro de alambre integrado de tal manera que un objeto ffsico se construye mediante la fusion de los depositos sucesivos de material metalico sobre el sustrato de soporte en un patron que da lugar a la construccion de un objeto ffsico de acuerdo con el modelo virtual tridimensional del objeto. Este puede ser obtenido por ejemplo mediante la formacion de un modelo en capas vectorizado virtual del modelo tridimensional por primera dividiendo el modelo virtual tridimensional en un conjunto de capas paralelas virtuales y luego dividiendo cada una de las capas paralelas en un conjunto de virtual de piezas casi unidimensional. A continuacion, el objeto ffsico puede ser formado por el acoplamiento del sistema de control para depositar y fusionar una serie de piezas casi unidimensional del material metalico suministrado sobre el sustrato de soporte en un patron de acuerdo con la primera capa del modelo de capas vectorizado virtual del objeto. A continuacion, repitiendo la secuencia para la segunda capa del objeto mediante el deposito y la fusion de una serie de piezas casi unidimensionales del material soldable sobre la capa depositada anterior en un patron de acuerdo con la segunda capa del modelo virtual en capas vectorizadas del objeto. La repeticion continua del proceso de deposicion y fusion capa por capa para cada capa sucesiva del modelo de capas vectorizado del objeto virtual hasta que se forma todo el objeto. Sin embargo, la invencion no esta ligada a cualquier modelo espedfico CAD y/o software de ordenador para ejecutar el sistema de control de la disposicion de acuerdo con la invencion, y tampoco lo es la invencion ligada a cualquier tipo espedfico de sistema de control. Cualquier sistema de control conocido o concebible (modelo-CAD, software informatico, hardware y actuadores etc.) capaz de construir objetos tridimensionales metalicos de fabricacion de solidos de forma libre se pueden emplear

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siempre que el sistema de control se ajuste para operar por separado un primer soplete de PTA para formar el bano fundido y un segundo soplete de PTA para fundir el alambre de suministro de material metalico en el bano fundido.

La velocidad de suministro (la velocidad del alambre) y el posicionamiento del alambre de suministro de material metalico pueden favorablemente ser controlados y regulados de acuerdo con el efecto del suministro de potencia al segundo soplete de PTA con el fin de asegurar que el alambre se caliente de forma continua y es derretido al alcanzar la posicion prevista por encima del bano fundido en el material de base. Esto se puede obtener mediante el uso de un soplete de soldadura por arco metalico con gas convencional (soplete-GMAW, tambien denominado soplete-MIG) como suministro de alambre sin la formacion de un arco en el soplete-MIG. Esta realizacion del suministrador de alambre tiene la ventaja de ser capaz de conectar electricamente el alambre a la fuente electrica DC del segundo soplete de PTA y tambien para colocar el alambre con mucha precision. El alambre de suministro de material metalico puede tener cualquier dimension practicamente ejecutable, tal como, i.e. 1.0 mm, 1.6 mm, 2.4 mm, etc.

El termino "material metalico" como se usa en este documento significa cualquier metal conocido o concebible o aleacion de metal que puede estar formado en un alambre y se emplea en un proceso de fabricacion de solidos de forma libre para formar un objeto tridimensional. Ejemplos de materiales apropiados incluyen, pero no se limitan a; titanio y aleaciones de titanio, tales como, por ejemplo, aleaciones de Ti-6A1-4V.

El efecto proporcionado con el primer y segundo soplete de PTA dependera del material metalico que se esta aplicando, el diametro del alambre de suministro, de las tolerancias de calor del material de base, la velocidad de deposito, etc. La invencion por lo tanto no esta vinculada a ningun periodo espedfico del suministro de potencia, pero se puede aplicar practicamente cualquier diferencia de potencial el funcionamiento cuya corriente da lugar a una operacion de funcionamiento del primer y segundo soplete de PTA. Un experto sera capaz de encontrar estos parametros mediante ensayos de prueba y error. Los experimentos realizados por el solicitante han demostrado que mediante el empleo de un alambre con un diametro de 1.6 mm hechos de grado 5 de aleacion de titanio, pueden ser construidos objetos tridimensionales con propiedades mecanicas similares a los objetos convencionales de titanio a una velocidad de deposicion de 3.7 a 3.8 kg/hora cuando el primer soplete de PTA se suministra con alrededor de 150 A y el segundo soplete de PTA con alrededor de 250 A. Se cree que las velocidades de deposicion de hasta 10 kg/hora se pueden obtener mediante la realizacion de la deposicion de SFFF de acuerdo con el primer y segundo aspecto de la invencion en un ambiente efectivamente protegido, i.e. tal como, en la camara de reaccion revelada en WO 2011/0198287. Esto es confirmado por otro experimento realizado por el solicitante con un alambre de titanio de diametro 2.4 mm, grado 5, que dio una tasa de deposicion de 9.7 kg/h, cuando el suministro del primer soplete de PTA con una corriente de aproximadamente 250 A y el segundo soplete de PTA con una corriente de alrededor de 300 A.

Como alternativa, la invencion puede incluir tambien medios para la creacion de pulsos termicos en el bano fundido con el fin de romper las tendencias para el crecimiento de las dendritas cristalinas en el bano fundido. Esta caractenstica permite la creacion de objetos metalicos con propiedades mecanicas mejoradas debido a una estructura de grano mejorado. La pulsacion termica se puede obtener mediante el empleo de un tercer generador de potencia DC que suministra una potencia DC pulsante y conecta el polo negativo del generador de potencia DC al electrodo del segundo soplete de PTA y el polo positivo al material de base para formar un circuito electrico, donde la carga electrica es transferida por una descarga de arco pulsante entre el electrodo del segundo soplete de PTA y el material de base. La descarga de arco entre el electrodo del segundo soplete de PTA y el material de base se enciende y se apaga de acuerdo con la potencia DC pulsante aplicada y de este modo formar un flujo de calor pulsante en el bano fundido en el material de base. La frecuencia de la pulsacion puede estar en el intervalo de desde 1 Hz hasta varios kHz o mas, es decir, 10 kHz.

Lista de figuras

La figura 1 es un facsfmil de la figura 1 de Taminger and Hafley [1] que muestra una vista esquematica del principio de la fabricacion de solidos de forma libre.

La figura 2 es un facsfmil de la figura 1 de US 2006/0185473 que muestra una vista esquematica del principio de plasma de arco transferido de la fabricacion de solidos de forma libre.

La figura 3 es un dibujo esquematico que muestra una vista en seccion transversal de la disposicion de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invencion.

La figura 4 es un dibujo esquematico que muestra una vista en seccion transversal de una segunda realizacion de la invencion que incluye un pulsante termico.

Ejemplo de realizaciones de la invencion

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La invencion se explicara con mayor detalle por medio de realizaciones de ejemplo. Estos ejemplos no deben interpretarse como una limitacion del alcance general de la idea de la invencion de usar dos sopletes de PTA, uno para formar el bano fundido en el material de base y uno para fundir el material de suministro.

Primera realizacion de ejemplo

La primera realizacion de ejemplo de la disposicion de acuerdo con el segundo aspecto de la invencion se muestra esquematicamente en la figura 3. La figura muestra un sustrato 1 de soporte hecho de una aleacion de Ti-6A1-4V en forma de un cuboide rectangular, sobre el que un objeto tridimensional hecho de la misma aleacion de Ti-6A1-4V se va a formar mediante la fabricacion de solidos de forma libre. La figura muestra la parte inicial del proceso de deposicion, donde se deposita la primera raya 2 de soldadura de la aleacion Ti-6A1-4V.

Un alambre 3 hecho de la aleacion Ti-6A1-4V continuamente esta siendo suministrado por un suministrador 4 de alambre que posiciona el alambre 3 de tal manera que su extremo distal se encuentra por encima del bano 5 fundido en la zona de deposicion sobre el sustrato 1 de soporte. El alambre 3 se administra a una velocidad indicada por la flecha superior en la figura que corresponde a la velocidad de calentamiento y de fusion del extremo distal de tal manera que se suministran continuamente gotitas 6 de alambre fundido al bano 5 fundido.

Un primer plasma por arco 7 transferido esta formado por un soplete 8 de PTA, que esta conectado electricamente a una fuente 9 de energfa DC, de tal manera que el electrodo 10 del soplete de PTA se convierte en el catodo y el sustrato 1 de soporte el anodo. El plasma por arco 7 transferido es continuo y se dirige a calentar y fundir el material de base (que en esta etapa del proceso SFFF es el sustrato de soporte) en el punto de deposicion de tal manera que se obtiene el bano 5 fundido. El efecto de la fuente 9 de energfa DC se regula para mantener un bano 5 fundido con un tamano constante y la extension por un sistema de control (no mostrado). El soplete 8 de PTA es un soplete de soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW) equipado con un deflector de arco magnetico (no mostrado) para controlar el tamano y la posicion del arco 8.

Un segundo plasma por arco 11 transferido esta formado por un soplete 12 de PTA, que esta conectado electricamente a una fuente 13 de energfa DC de tal manera que el electrodo 14 del soplete 12 PTA se convierte en el catodo y el alambre 3 de suministro en el anodo. El plasma por arco 11 transferido es continuo y dirigido para calentar y fundir el extremo distal del alambre 3. El efecto de la fuente 13 de energfa DC se regula para mantener una velocidad de calentamiento y de fusion de acuerdo con la velocidad de suministro del alambre de tal manera que la formacion de las gotitas 6 se programaron para mantener un goteo continuo de alambre fundido en el bano 5 fundido. El efecto proporcionado por la fuente 13 de energfa DC y la velocidad de suministro del alambre 3 que sale del suministrador 4 de alambre estan constantemente regulados y controlados por el sistema de control de tal manera que el bano 5 fundido se suministra con el alambre fundido a una velocidad que proporciona la velocidad de deposicion destinado de la aleacion Ti-6A1-4V. El sistema de control se acopla al mismo tiempo para utilizar y regular el acoplamiento de un actuador (no mostrado) que constantemente posiciona y mueve el sustrato 1 de soporte de manera que el bano fundido se encuentra en el punto de deposicion deseado como el propuesto por el modelo CAD del objeto que se va a formar. En esta etapa del proceso de SFFF, el sustrato 1 de soporte se mueve tal como se indica por la flecha inferior.

Segunda realizacion de ejemplo

La segunda realizacion de ejemplo de la invencion es la primera realizacion de ejemplo dada anteriormente, incluyendo medios adicionales para la formacion de pulsos termicos en el bano 5 fundido.

El medio para la formacion de impulsos termicos es una fuente 15 de energfa DC que esta conectada electricamente al segundo soplete 12 de PTA de tal manera que el electrodo 14 se convierte en el catodo y el sustrato 1 de soporte se convierte en el anodo. Ademas, existen medios 16 para pulsar la potencia suministrada por la fuente 15 de energfa DC de tal manera que el arco 11 junto con el calor y fusion del alambre 3, entra en el bano 5 fundido con la misma frecuencia que la fuente de energfa por impulsos y por lo tanto suministrar un flujo de calor pulsante al bano fundido. Los medios 16 pueden estar regulados por el sistema de control y proporcionan una descarga de arco pulsante en el bano fundido con una frecuencia de 1 kHz.

Referencia

1. Taminger, K. M. and Hafley, R. A., "Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net Shape Manufacturing", NATO/RTOAVT-139 Specialists' Meeting on Cost Effective Manufacture via Net Shape Processing (Amsterdam, Pafses Bajos, 2006) (NATO). pp 9-25,
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi. ntrs.nasa.gov/20080013538 2008013396.pdf

Claims

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Reivindicaciones

1. Un metodo para la fabricacion de un objeto tridimensional de un material metalico mediante la fabricacion de solidos de forma libre, donde el objeto se realiza por la fusion de los depositos juntos sucesivos del material metalico sobre un sustrato de soporte,

caracterizado porque el metodo comprende:

- el empleo de un sustrato de soporte hecho de un material metalico similar al del que esta hecho el objeto, y

- cada deposito sucesivo se obtiene por;

i) empleo de un primer plasma por arco transferido (PTA) para precalentar y formar un bano fundido en el material de base en la posicion en la que el material metalico se va a depositar,

ii) suministrar el material metalico que se depositara en la forma de un alambre de suministro de material metalico a una posicion por encima del bano fundido,

iii) empleo de un segundo plasma por arco transferido (PTA) para calentar y derretir el alambre de suministro de material metalico de tal manera que el material metalico fundido gotee en el bano fundido, y

iv) mover el sustrato de soporte con relacion a la posicion de la primera y segunda PTA en un patron predeterminado de manera que los depositos sucesivos de material metalico fundido se solidifiquen y forme el objeto tridimensional.
2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde

- el primer plasma por arco transferido esta formado por un soplete de soldadura por arco de tungsteno y gas (soplete-GTAW) conectado electricamente a una fuente de energfa de corriente continua de tal manera que el electrodo del soplete GTAW se convierte en el catodo y el material de base se convierte en el anodo, y

- el segundo plasma por arco transferido se forma por cualquier soplete convencional de plasma por arco transferido (soplete de PTA) conectado electricamente a una fuente de energfa de corriente continua de tal manera que el electrodo del soplete de PTA se convierte en el catodo y el alambre de suministro de material metalico se convierte en el anodo.
3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en donde el material metalico es titanio o aleacion de titanio.
4. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en donde la fabricacion de solidos de forma libre del objeto se obtiene por dimensiones caractensticas del objeto por:

- el empleo de una herramienta de diseno asistido por ordenador (CAD) para formar un modelo tridimensional virtual del objeto, que divide el modelo en un conjunto de capas paralelas virtuales y ademas en un conjunto de piezas unidimensionales casi virtual para cada capa en paralelo para formar un modelo en capas vectorizado virtual del objeto,

- la carga del modelo en capas vectorizado virtual del objeto en un sistema de control capaz de regular la posicion y el movimiento del sustrato de soporte, la activacion del primer y segundo soplete de plasma por arco transferido, y la activacion de un sistema de suministro de alambre que suministra el alambre de suministro del material metalico,

- acoplar el sistema de control para depositar y fusionar una serie de piezas casi unidimensionales del alambre de suministro de material metalico sobre el material de base en un patron de acuerdo con la primera capa del modelo en capas vectorizado virtual del objeto,

- formacion de la segunda capa del objeto mediante el deposito y la fusion de una serie de piezas casi unidimensionales del alambre de suministro de material metalico sobre la capa previa depositada en un patron de acuerdo con la segunda capa del modelo en capas vectorizado virtual del objeto, y

-repeticion de la deposicion y capa del proceso de fusion por capa para cada capa sucesiva del modelo de capas vectorizado virtual del objeto hasta que se forme todo el objeto.
5. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en donde el segundo plasma por arco transferido se emplea para entregar pulsos termicos a el bano fundido conectando electricamente el electrodo del soplete de plasma por arco transferido (soplete de PTA) al polo negativo de una fuente de energfa de corriente continua y el material de base para el polo positivo de la fuente de energfa de corriente continua, y para pulsar la potencia de corriente continua con una frecuencia en el intervalo de 1 Hz a 10 kHz.

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6. Una disposicion para la fabricacion de un objeto tridimensional de un material metalico mediante la fabricacion de solidos de forma libre, donde la disposicion comprende:

- un soplete de soldadura con un suministrador de alambre integrado que suministra un alambre del material metalico,

- un sistema para colocar y mover el sustrato de soporte en relacion con el soplete de soldadura, y

- un sistema de control capaz de leer un modelo de diseno asistido por ordenador (CAD) del objeto que se va a formar y emplear el modelo CAD para regular la posicion y el movimiento del sistema de posicionamiento y moviendo el sustrato de soporte y para hacer funcionar el soplete de soldadura con el suministro de alambre integrado de tal manera que un objeto ffsico se construye mediante la fusion de los depositos sucesivos del material metalico sobre el sustrato de soporte,

caracterizado porque

- el sustrato de soporte esta hecho de un material metalico similar al del objeto que se va a hacer,

- el soplete de soldadura comprende

i) un primer soplete de plasma por arco transferido (PTA) conectado electricamente al material de base y

ii) un segundo soplete de plasma por arco transferido (PTA) conectado electricamente al alambre de suministro del material metalico,

- el sistema de control es capaz de operar y regular por separado el primer soplete de PTA para formar y mantener un bano fundido en el material de base en la posicion en la que el material metalico se va a depositar, y

- el sistema de control es capaz de operar y regular por separado el alimentador de alambre y el segundo soplete de PTA para fundir el material metalico suministrado en una posicion de tal manera que el material metalico fundido gotea en el bano fundido.
7. Una disposicion de acuerdo con la reivindicacion 6,

- el primer soplete de plasma por arco transferido es un soplete de soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW- soplete), que esta conectado electricamente a una fuente de energfa de corriente continua de tal manera que el electrodo del soplete GTAW se convierte en el catodo y el material de base se convierte en el anodo, y

- el segundo soplete de plasma por arco transferido es cualquier soplete convencional de plasma por arco transferido (soplete de PTA), que esta conectado electricamente a una fuente de energfa de corriente continua de tal manera que el electrodo del soplete de PTA se convierte en el catodo y el alambre de suministro de material metalico se convierte en el anodo.
8. Una disposicion de acuerdo con la reivindicacion 6 o 7, en donde la fuente de energfa de corriente continua del soplete GTAW y del soplete de PTA son dos fuentes de alimentacion DC reguladas de forma independiente.
9. Una disposicion de acuerdo con la reivindicacion 6 o 7, en donde

- el suministrador de alambre es un soplete de MIG y

- el alambre de suministro de material metalico esta hecho de titanio o aleacion de titanio y tiene un diametro de uno de; 1.0, 1.6, y 2.4 mm.
10. Una disposicion de acuerdo con la reivindicacion 7, en donde

- el electrodo del segundo plasma por arco transferido esta conectado electricamente al polo negativo de una fuente de corriente continua y el material de base esta conectado electricamente al polo positivo de la fuente de energfa de corriente continua, y

- la potencia de la fuente de energfa de corriente continua es pulsado con una frecuencia en el intervalo de 1 Hz a 10 kHz.