ES2652507B1

ES2652507B1 - Procedimiento de reconstruccion fotografica en fabricacion aditiva por fusion de polvo metalico

Info

Publication number: ES2652507B1
Application number: ES201631060A
Authority: ES
Inventors: Villalobos Fernando Monge
Original assignee: De Valle Ruiz Manuel Benito
Current assignee: De Valle Ruiz Manuel Benito
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2019-04-01
Anticipated expiration: 2036-08-01
Also published as: DE102017112917A1; GB2555171A; GB201711790D0; ES2652507A1; FR3054461A1

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de reconstrucción fotográfica en fabricación aditiva por fusión de polvo metálico.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención ahora propugnada proporciona un procedimiento para llevar a cabo la reconstrucción virtual de la dimensión real de una pieza fabricada de forma aditiva por fusión de polvo metálico, mediante el análisis de sucesivas fotografías tomadas de cada capa de la fabricación de la misma.

La presente invención se encuadra dentro del campo de la tecnología de fabricación aditiva por fusión de polvo metálico, en concreto proporcionando un método de comprobación dimensional y de poros en tiempo real sobre el propio proceso de fabricación.

Antecedentes del estado de la técnica

Uno de los problemas que presenta la tecnología de fabricación aditiva por “fusión de polvo metálico” (Powder Bed Fusion” / también llamada “Selective Laser Melting”), es que la pieza real fabricada y obtenida difiere en sus dimensiones respecto a la pieza programada (modelo digital 3D CAD del cual parte). Esto es debido, entre otras razones, a las deformaciones térmicas que sufre la pieza mientras se está fabricando, como consecuencia de su propia exposición a la fuente térmica que, de forma sucesiva, funde el polvo metálico.

Así, para conocer las dimensiones reales de la pieza fabricada y determinar su verdadera geometría, se hace necesaria su posterior medición, la cual se consigue tras un proceso costoso en personal, material y sobre todo, tiempo.

Este proceso se inicia con los siguientes pasos previos:

1. Finalización del proceso de fabricación.

2. Tiempo de espera asociado al enfriamiento de la cámara.

3. Extracción de la pieza de la cámara una vez la temperatura en la cámara haya bajado lo suficiente para poder manipularla.

4. Retirada los soportes empleados para la fabricación de la pieza.

5. Limpieza de la propia pieza retirando el polvo metálico residual que se ha acumulado en su superficie y/o cavidades.

Únicamente tras realizar estos procesos, todos costosos en tiempo, se puede proceder a medir la pieza, haciendo uso de equipos específicos de medición tridimensional tales como calibres, micrómetros, equipos de medición por coordenadas, scanner 3D, etc....

Otro de los problemas asociados a las técnicas de fabricación aditiva, especialmente la de metales, es que el material resultante de la fabricación presenta poros en su interior. En consecuencia, al no ser 100% denso, sus capacidades mecánicas se ven mermadas.

Atendiendo al estado de la técnica, actualmente, para determinar la porosidad de una pieza que se está fabricando, es necesario analizar la misma una vez se ha concluido su proceso de fabricación, lo cual prolonga los tiempos de proceso hasta obtener resultados, pues los referidos análisis sólo se pueden acometer una vez se hayan concluido las siguientes fases:

1. Finalización del proceso de fabricación.

2. Enfriamiento de la cámara.

3. Extracción de la pieza.

4. Retirada de los soportes.

5. Limpieza de la pieza.

Adicionalmente, los análisis metalográficos de las piezas son además costosos ya que o son destructivos al requerir el corte de la pieza para analizar la porosidad en cada una de sus secciones, o bien son imprecisos como a modo de ejemplo el método de Arquímedes de sumergimiento de la pieza en un fluido, o bien excesivamente caros como el uso de los rayos X.

Atendiendo al uso de las técnicas de fotografías en fabricación aditiva por fusión de polvo metálico, es habitual que el estado de la técnica plantee la realización de fotografías dentro de la cámara de procesamiento durante la fabricación, con el único fin de evaluar la homogeneidad de la capa de polvo aportada por el dispensador de polvo, por lo que cada fotografía se toma en el momento en que la capa de polvo metálico cubre cada sección de la pieza, ocultando en consecuencia su geometría.

Sin embargo, el Procedimiento de reconstrucción fotográfica en fabricación aditiva por fusión de polvo metálico proporciona respecto al estado de la técnica un método basado en la realización de una fotografía en alta resolución por cada sección construida de la pieza en el momento posterior a la solidificación pero antes de llevar a cabo el aporte de la siguiente capa de polvo que la recubra, que se procesarán en tiempo real y permitirá, mediante un algoritmo informático de superposición de capas, el generar o reconstruir el modelo tridimensional de la pieza real fabricada, que es diferente a la geometría programada y aporta las siguientes información:

1. Dimensiones reales de la pieza fabricada sin necesidad de medir la pieza real o emplear los tiempos asociados a su medición.

2. Tamaño y distribución de los poros en el volumen interior de la pieza, sin necesidad de llevar a cabo el análisis metalográfico posterior de la pieza.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

A modo explicación del Procedimiento de reconstrucción fotográfica en fabricación aditiva por fusión de polvo metálico, el mismo consiste en un método o procedimiento iterativo que se despliega teniendo en cuenta la siguiente secuencia;

1. Realización de, al menos una fotografía de alta resolución a cada capa, tras el procesado mediante exposición a fuente de calor y solidificación por cada una de las etapas.

2. Almacenamiento de cada fotografía en el disco duro del calculador de la máquina así como exportación de la misma a la correspondiente estación de trabajo.

3. Estación de trabajo en el que se despliega el correspondiente algoritmo de tratamiento de imágenes, consistente en la superposición de capas cuya geometría en planta es proporcionada por las respectivas imágenes tomadas en etapas sucesivas mientras que su altura es la que se fija en el control del proceso. Así, el algoritmo añade digitalmente una fotografía encima de otra correspondiente a la etapa anterior, dándole un espesor o altura igual a la fijada en el control. De este modo el modelo digital estará formado por tantas capas digitales como capas reales hayan resultado del proceso de fabricación aditiva.

Una vez acabe de procesarse la pieza a fabricar, mediante la correspondiente exposición y solidificación de la última capa o incluso a medida que se está llevando a cabo el proceso de fabricación según etapas sucesivas, el sistema proporciona el modelo tridimensional de la pieza real obtenida por superposición de fotografías así como la información de la distribución exacta, tamaños y forma de los poros.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista en alzado del proceso de fabricación aditiva por fusión de polvo metálico.

Figura 2.- Muestra una vista en planta del proceso de fabricación aditiva por fusión de polvo metálico.

Figura 3.- Muestra una fotografía de la capa n.

Figura 4.-Muestra la reconstrucción digital de la pieza haciendo uso del método de “Reconstrucción fotográfica en fabricación aditiva por fusión de polvo metálico”.

En las citadas figuras se pueden destacar los siguientes elementos constituyentes:

1. Fuente de calor.

2. Haz de luz que activa el calentamiento del polvo metálico.

3. Polvo metálico.

4. Capa de fabricación n° 1.

5. Capa de fabricación n° 2.

6. Capa de fabricación n° n.

7. Cámara fotográfica.

EJEMPLO DE REALIZACIÓN PREFERENTE APOYADO EN FIGURAS

A la vista de la figuras 1-4 puede observarse, a modo de ejemplo de realización preferente del Procedimiento de reconstrucción fotográfica en fabricación aditiva por fusión de polvo metálico, como el mismo se despliega como apoyo a la tecnología de fabricación aditiva por exposición de la capa de polvo al foco de calor, con la consecuente fusión de la capa de polvo y posterior e inmediata solidificación para cada una de las etapas de fabricación en base a la siguiente secuencia;

1. Toma de fotografía de la última capa solidificada.

2. Almacenamiento de la fotografía en el disco duro interno de la máquina.

3. Envío de la fotografía por red interna desde el disco duro de la máquina hasta el disco duro de un ordenador externo para proceder al procesamiento de la imagen.

4. Procesamiento de imagen mediante conversión de la fotografía a nube de puntos y triangulación de nube de puntos para obtener un fichero “STL” o análogo con el que poder trabajar geométricamente, es decir, un fichero geométrico plano bidimensional.

5. Asignación al fichero geométrico plano bidimensional de un espesor igual al espesor de capa de procesado de la máquina, a modo de ejemplo 30 micrómetros.

6. Generación de un fichero geométrico tridimensional resultado de dotar de espesor al fichero geométrico plano bidimensional, proporcionando ya la correspondiente “capa digital” del sólido que se está procesando en la máquina.

7. Adición de esta "capa digital" a la "capa digital" de la anterior iteración

8. Repetición iterativa de la secuencia descrita para cada una de las capas en las que se divide el proceso de fabricación, hasta finalizar el proceso en la última capa "capa u”.

Así, a partir de la secuencia descrita, el resultado de la superposición de las sucesivas "capas digitales", desde la capa 1 hasta la capa u, constituye el "solido 3D digital" que reproduce con total precisión el sólido que se está procesando.

No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.

La técnica de fabricación aditiva empleada, de fotografía, el número de fotografías asociada a cada etapa de fabricación, o la propia programación en base a la cual se despliegue el algoritmo que proporciona la reproducción digital, serán susceptibles de modificación siempre y cuando ello no suponga una alteración a la esencialidad del invento.

Los términos en que se ha escrito esta memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Procedimiento de reconstrucción fotográfica en fabricación aditiva por fusión de polvo metálico, mediante exposición de la capa de polvo a un foco de calor, con fusión de la capa de polvo y posterior e inmediata solidificación, caracterizado por proporcionar un método iterativo que se despliega teniendo en cuenta la siguiente secuencia:

A. Realización por una cámara fotográfica de, al menos, una fotografía de alta resolución a cada capa y por cada sección construida de la pieza en el momento posterior a la solidificación, pero antes de llevar a cabo el aporte de la siguiente capa de polvo que la recubra, tras el procesado mediante exposición a la fuente de calor; y así, sucesivamente, por cada una de las etapas de fabricación.

B. Almacenamiento de cada fotografía en el disco duro del calculador de la máquina así como exportación de la misma a la correspondiente estación de trabajo.

C. Estación de trabajo en el que se despliega el correspondiente algoritmo de tratamiento de imágenes, consistente en la superposición de capas digitales cuya geometría en planta es proporcionada por las respectivas imágenes tomadas en etapas sucesivas, mientras que su altura es la que se fija en el control del proceso hasta conformar un modelo digital formado por tantas capas digitales como capas reales hayan resultado en el proceso de fabricación aditiva hasta proporcionar un modelo tridimensional de la pieza real obtenida por superposición de fotografías, así como la información de la distribución exacta, tamaños y forma de los poros.