ES2830762A1 - Metodo y aparato para desbarbar piezas de trabajo - Google Patents

Abstract

Método y aparato para desbarbar piezas de trabajo. Los ejemplos se refieren a un método y un aparato para desbarbar piezas de trabajo, teniendo las piezas de trabajo al menos un área de superficie con al menos una rebaba a desbarbar. El método comprende generar un haz láser mediante una fuente láser, que se proyecta sobre el área de superficie, con el fin de producir un punto láser en el área de superficie y generar un movimiento relativo entre el área de superficie y el punto láser a lo largo de una línea de rebaba definida por la al menos una rebaba de tal manera que el punto láser se proyecte subsecuentemente sobre diferentes partes de la al menos una rebaba. Durante dicho movimiento relativo, el método comprende además escanear repetidamente el haz láser con el fin de proyectar el punto láser oscilante con un patrón bidimensional sobre la al menos una rebaba a lo largo de la línea de rebaba.

Description

DESCRIPCIÓN

MÉTODO Y APARATO PARA DESBARBAR PIEZAS DE TRABAJO

CAMPO TÉCNICO

En general, la presente invención se refiere al procesamiento láser de materiales. En particular, la presente invención se refiere a un método y un aparato para desbarbar piezas de trabajo usando un haz láser que se proyecta y oscila sobre las piezas de trabajo, en el que las piezas de trabajo pueden haberse fabricado previamente por cualquier proceso que genere rebabas en las piezas de trabajo, tal como la fundición de metales, los procesos de fabricación de forja o corte con oxígeno, entre otros.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Algunas operaciones de fabricación generan rebabas en las piezas de trabajo fabricadas debido al propio proceso de fabricación. Las operaciones de fabricación de forja, las operaciones de fabricación de corte con oxígeno y las operaciones de fundición de metales, tal como la fundición por gravedad, la fundición a alta presión, la fundición por espuma perdida, la fundición por cera perdida y la fundición en arena, pueden requerir una operación de recorte o vaciado seguido de una etapa de desbarbado de finalización con el fin de eliminar el exceso de material y las rebabas generadas durante el proceso de fabricación.

Por ejemplo, en los procesos de fabricación mediante fundición de metales, el llenado y la solidificación del metal fundido en el interior del molde pueden generar algunas rebabas en la pieza de trabajo resultante. En tal caso, el material en exceso a eliminar se localiza normalmente junto a la línea de cierre del molde y en los puntos de conexión entre los canales a través de los que fluye el líquido y la cavidad del propio molde. Después del recorte de troquel, pueden aparecer diferentes tipos de rebabas en función de su causa (espacios libres del eyector, agujeros no completamente recortados, grietas por fatiga térmica en el troquel, líneas divididas, etc.). Las rebabas pueden aparecer tanto en los bordes de la pieza de trabajo como en lugares localizados fuera de los bordes, y pueden tener diferentes geometrías, espesores o longitudes.

Con respecto a las operaciones de recorte y desbarbado, el uso de prensas de corte es común para cortar bordes afilados, rebabas o incluso piezas más gruesas como canales de mazarota y bebederos generados en la pieza de trabajo. Esto puede implicar el uso de costosos sistemas de herramientas, ya que los troqueles y las herramientas de corte tienen que fabricarse específicamente para cada geometría de pieza de trabajo en particular. A veces, dada la complejidad de la pieza de trabajo, el corte es impreciso y genera desviaciones geométricas no deseadas, especialmente a medida que las herramientas se desgastan. Las zonas afectadas por el calor no deseadas pueden ser otro subproducto de los procesos de corte. Como resultado, es necesario agregar nuevas operaciones como inspección, revisión y desbarbado manual con sierras y/o herramientas abrasivas, lo que implica un coste adicional en el proceso de producción.

Además, en función de la geometría de la pieza de trabajo, puede haber rebabas que no sean accesibles para el troquel de corte. En estos casos, se necesita una operación adicional para terminar la pieza de trabajo. Aunque el fresado robotizado es común en las instalaciones modernas, el desbarbado manual todavía está presente en la mayoría de las líneas de producción.

Debido a este trabajo manual, la repetitividad de las piezas de trabajo resultantes puede verse afectada, así como la eficacia y el rendimiento general de la línea de producción. Además de esto, un proceso de desbarbado defectuoso puede provocar dificultades durante el proceso de ensamblaje de la pieza de trabajo o incluso fallos durante el servicio.

Los documentos del estado de la técnica CN106862775 A, CN104289815 A y US2015014289 A1 describen diferentes enfoques para métodos y aparatos de desbarbado por láser que son costosos, requieren mucho tiempo y cuya configuración no les permite adaptarse a piezas de trabajo con diferentes formas y geometrías.

Los problemas mencionados asociados con las operaciones de desbarbado de la pieza de trabajo afectan severamente a la calidad del producto resultante y aumentan su coste final debido a los varios procesos a los que se somete a la pieza de trabajo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención usa dispositivos de escaneo, por ejemplo, escáneres con velocidades de escaneo que varían de aproximadamente 0,1 KHz a 100 KHz, que son capaces de desviar o proyectar un haz láser en una pieza de trabajo, produciendo un punto láser oscilante y generando patrones bidimensionales (2D) sobre las rebabas de las piezas de trabajo con el fin de eliminarlas. Estos dispositivos de escaneo pueden ser escáneres galvanométricos que tienen espejos galvanométricos, escáneres poligonales, que tienen espejos poligonales, o incluso un espejo unido a un dispositivo piezoeléctrico, etc., y pueden tener una velocidad de escaneo que puede variar de 0 a 60000 rpm o incluso más. De esta manera, las líneas de rebaba pueden cubrirse de manera segura y completa con un patrón 2D, generado por el punto láser oscilante, y tales figuras mencionadas anteriormente pueden barrerse sobre todas las posiciones predefinidas en la pieza de trabajo donde podrían estar presentes las rebabas, independientemente de la geometría de la pieza de trabajo. Tal y como se usa en el presente documento, una "línea de rebaba” puede referirse a la línea o la trayectoria, recta o curva, que cubre sustancialmente la unión de todos los segmentos que conectan las diferentes porciones de rebaba en la pieza de trabajo. Esta línea de rebaba puede no coincidir completamente con las porciones de rebaba en sí mismas, pero coincide sustancialmente con las porciones de rebaba a lo largo de toda su longitud.

Un primer objeto de la invención es un método para desbarbar piezas de trabajo, teniendo las piezas de trabajo al menos un área de superficie con la al menos una rebaba a desbarbar. Estas piezas de trabajo pueden fabricarse de un metal, por ejemplo, hierro, aluminio, magnesio, cobalto, cobre, plomo, níquel, estaño, titanio, zinc, etc., polímeros, resinas, materiales compuestos o cualquier combinación de los mismos. En función del material del que se fabrique la pieza de trabajo y, por lo tanto, del material de las rebabas, algunos de los parámetros de desbarbado, tal como la longitud de onda, la velocidad de escaneo o la potencia de la fuente de láser, entre otros, pueden variar para no dañar la pieza de trabajo durante la operación de desbarbado. Las piezas de trabajo pueden haberse fabricado anteriormente por cualquier proceso que genere rebabas en las piezas de trabajo, tal como procesos de fabricación de fundición de metales, forja o corte con oxígeno, entre otros. El método comprende proyectar un haz láser, generado por una fuente de láser, sobre la al menos un área de superficie de la pieza de trabajo con las rebabas a desbarbar, con el fin de producir un punto láser en el área de superficie. El método también comprende generar un movimiento relativo entre el área de superficie de la pieza de trabajo y el haz láser a lo largo de una línea de rebaba definida por la al menos una rebaba de tal manera que el punto láser se proyecte subsecuentemente sobre diferentes partes de la al menos una rebaba. El movimiento relativo entre el área de superficie y el haz láser puede realizarse mediante un cabezal de desbarbado fijo, el cabezal de desbarbado comprende al menos el dispositivo de escaneo que escanea o hace oscilar el haz láser y, por lo tanto, el punto láser sobre la pieza de trabajo, y una cama o lecho, al que está unida la pieza de trabajo, que es móvil en relación con el cabezal. Como alternativa, este movimiento relativo puede realizarse fijando la cama y moviendo el cabezal en relación con la cama o teniendo un cabezal y una cama que puedan moverse uno en relación con otro. Por lo tanto, al menos uno de entre el cabezal y el lecho pueden motorizarse para realizar el movimiento relativo entre el área de superficie de la pieza de trabajo y el haz láser oscilante.

Durante el movimiento relativo entre el área de superficie de la pieza de trabajo y la fuente láser, el método comprende además escanear repetidamente (es decir, hacer oscilar) el haz láser con el fin de proyectar el punto láser oscilante con un patrón 2D sobre la al menos una rebaba a lo largo de la línea de rebaba. El patrón 2D generado puede estar contenido en un plano 2D que puede definirse mediante dos direcciones mutuamente perpendiculares. Este patrón 2D puede obtenerse desviando el haz láser en una sucesión de segmentos o trayectorias superpuestos rectos, que pueden ubicarse a lo largo de la primera dirección y en la segunda dirección de las dos direcciones mutuamente perpendiculares, incluidas las direcciones entre estas dos direcciones, en otras palabras, incluidas las direcciones que son oblicuas a las direcciones primera y segunda, de tal manera que pueden generarse diferentes trayectorias.

En algunas realizaciones, la distribución de potencia espacial de la fuente láser puede ser gaussiana. La distribución de potencia 2D del láser oscilante puede ser homogénea. Tal y como se usa en el presente documento, la expresión "distribución de potencia 2D" se refiere a la manera en que la energía o la potencia emitida por el haz láser se distribuye sobre el punto láser efectivo, por ejemplo, durante un barrido u oscilación del haz a lo largo del patrón 2D.

En algunas realizaciones, el patrón 2D comprende al menos una de: trayectorias o líneas rectas o curvas que cubren la línea de rebaba, un conjunto de líneas sustancialmente paralelas entre sí y sustancialmente perpendiculares a la línea de rebaba, líneas en zigzag que cubren sustancialmente la línea de rebaba, líneas oscilantes que rodean sustancialmente la línea de rebaba, figuras de Lissajous que sustancialmente sobre la línea de rebaba, un barrido en anillo sustancialmente sobre la línea de rebaba o cualquier otro patrón que pueda estar contenido en dicho plano 2D.

En algunas realizaciones, puede recibirse un modelo tridimensional (3D), por ejemplo, un modelo CAD, de la pieza de trabajo, definiendo dicho modelo 3D la geometría y las superficies de la pieza de trabajo y la geometría y las localizaciones de las rebabas que puede presentar la pieza de trabajo. Por ejemplo, el modelo 3D puede recibirse por una unidad de control del aparato para desbarbar piezas de trabajo a través de, por ejemplo, una conexión WiFi, Bluetooth o Ethernet, entre otros protocolos de comunicación.

En algunas otras realizaciones, la pieza de trabajo puede escanearse (un escaneo de la pieza de trabajo que es diferente del escaneo del haz láser) y puede generarse un modelo 3D de la pieza de trabajo basándose en los resultados del escaneo. Este modelo 3D generado puede definir la geometría y las superficies de la pieza de trabajo y la geometría y las localizaciones de las rebabas que puede presentar la pieza de trabajo. Esta etapa de escaneo puede realizarse para cada una de las piezas de trabajo que se van a desbarbar o puede realizarse para una pieza y usarse para desbarbar el resto de las piezas de trabajo cuando estas piezas de trabajo son todas idénticas y se han fabricado, por ejemplo, mediante un proceso de fabricación repetitivo. Debido al desgaste de los moldes usados para fabricar las piezas de trabajo, la geometría, el tamaño y la localización de las rebabas pueden variar con el tiempo. En este caso, puede ser útil realizar el escaneo de cada una de las piezas de trabajo a desbarbar.

La etapa de escaneo puede realizarse mediante un escáner 3D, por ejemplo, un escáner 3D de luz estructurada, independiente del aparato para desbarbar piezas de trabajo en el que el modelo 3D obtenido puede enviarse a la unidad de control del aparato para desbarbar piezas de trabajo mediante conexiones inalámbricas, por ejemplo, conexiones GPRS, 3G, 4G, WiFi o Bluetooth, etc., o cables, por ejemplo, cables Ethernet. Como alternativa, la etapa de escaneo puede realizarse mediante un escáner 3D, por ejemplo, un escáner 3D de luz estructurada, acoplado al aparato para desbarbar piezas de trabajo y que se gestiona por la unidad de control del aparato, de tal manera que la pieza de trabajo se escanea en primer lugar por el escáner 3D y a continuación se desbarba. En tal ejemplo, el dispositivo de escaneo puede estar directamente acoplado al cabezal del aparato para desbarbar piezas de trabajo o puede ser un dispositivo localizado en la proximidad del aparato y acoplado comunicativamente a la unidad de control del aparato para desbarbar piezas de trabajo.

Este modelo 3D, ya sea que se reciba desde un dispositivo exterior o se genere in situ, puede cargarse en la unidad de control del aparato de tal manera que la unidad de control pueda determinar las superficies en las que van a estar presentes las rebabas y las líneas de rebaba asociadas a las rebabas predichas basándose en dicho modelo 3D.

En algunas realizaciones, la al menos una rebaba se desbarba de la pieza de trabajo refundiendo o fusionando dicha rebaba con la fuente láser. Esta fuente láser puede ser capaz de entregar un haz láser con una potencia, una frecuencia y duraciones de pulso de emisión lo suficientemente largas como para fundir la rebaba. A modo de ejemplo, esta fuente láser puede funcionar en modo continuo y con duraciones de pulso largas (superiores a microsegundos). En tales realizaciones, la fuente láser puede seleccionarse de un grupo que comprende: una fuente de láser de onda continua, una fuente de láser pulsada de milisegundos y una fuente de láser pulsada de microsegundos, entre otros.

En algunas otras realizaciones, la al menos una rebaba se desbarba de la pieza de trabajo extirpando la rebaba con una fuente láser. Esta fuente de láser puede extirpar mediante ablación la rebaba, es decir, puede proporcionar un haz láser con duraciones de pulso lo suficientemente cortas como para extirpar mediante ablación la rebaba en lugar de fusionarla. A modo de ejemplo, esta fuente láser puede funcionar en un modo no continuo y con duraciones de pulso cortas (inferiores a microsegundos). En tales realizaciones, la fuente de láser puede seleccionarse de un grupo que comprende: una fuente de láser pulsado de nanosegundos, una fuente de láser pulsado de picosegundos y una fuente de láser pulsado de femtosegundos, entre otros. En algunas realizaciones, se proyecta un gas de proceso hacia la al menos una rebaba durante la operación de desbarbado de la rebaba. El gas de proceso protege la zona de interacción entre el haz láser y la pieza de trabajo y evita la oxidación de dicha zona de interacción. Además, este gas de proceso expulsa el metal líquido y separa efectivamente las rebabas de la pieza de trabajo cuando el material se elimina por fusión. A modo de ejemplo, el gas de proceso puede seleccionarse de un grupo que comprende argón, helio y nitrógeno, entre otros.

Basándose en algunos parámetros predefinidos de la pieza de trabajo, tal como el material de la pieza de trabajo, los requisitos de calidad de la pieza de trabajo resultante, etc., y algunos parámetros relacionados con el proceso de fabricación de la pieza de trabajo, tal como, el espesor máximo de la rebaba, la longitud máxima de la rebaba, etc. puede seleccionarse la fuente láser para desbarbar la pieza de trabajo que puede montarse en el aparato. Por ejemplo, para el desbarbado remoto mediante refundición con o sin gas de proceso, puede montarse una fuente de láser de onda continua, de mili o microsegundos en el aparato. Como alternativa, para el desbarbado remoto por extirpación mediante ablación con o sin gas de proceso, puede montarse una fuente de láser de nano, pico o femtosegundos en el aparato. A modo de ejemplo, cuando la rebaba tiene una altura máxima o un espesor máximo superior a 100 micrómetros, puede seleccionarse una fuente láser configurada para fundir la rebaba, mientras que cuando la rebaba tiene una altura máxima o un espesor máximo inferior a 100 micrómetros, entonces puede elegirse una fuente láser configurada para extirpar mediante ablación la rebaba.

En algunas realizaciones, la operación de desbarbado puede repetirse sobre la al menos una rebaba hasta la eliminación completa de la al menos una rebaba.

Un segundo objeto de la invención es un aparato para desbarbar una pieza de trabajo. La pieza de trabajo tiene al menos un área de superficie con al menos una rebaba a desbarbar. El aparato comprende una fuente láser configurada para generar un haz láser que se proyecta sobre la al menos un área de superficie, con el fin de producir un punto láser en el área de superficie y medios para generar un movimiento relativo entre el área de superficie de la pieza de trabajo y el haz láser a lo largo de una línea de rebaba definida por la al menos una rebaba de tal manera que el punto láser se proyecte subsecuentemente sobre diferentes partes de la al menos una rebaba. El aparato comprende además un sistema óptico de guiado que comprende un dispositivo de escaneo que está configurado para, durante dicho movimiento relativo, escanear repetidamente el haz láser con el fin de proyectar el punto láser oscilante con un patrón 2D sobre la al menos una rebaba a lo largo de la línea de rebaba.

En algunas realizaciones, el sistema óptico de guiado puede comprender el dispositivo de escaneo, una unidad de colimación y una unidad de enfoque. El dispositivo de escaneo puede ser un escáner galvanométrico que tiene espejos galvanométricos, un escáner poligonal que tiene espejos poligonales, o incluso un escáner piezoeléctrico que tiene un espejo unido a un dispositivo piezoeléctrico, etc., entre otros, que está configurado para modificar la orientación, entendiéndose dicha orientación como el ángulo entre la normal a la superficie y el eje óptico (cuando los espejos del escáner apuntan al centro del campo óptico del escáner) del haz láser proyectado sobre la pieza de trabajo. El dispositivo de escaneo está configurado además para generar las figuras o patrones a barrer sobre las líneas de rebaba modificando la orientación del punto láser oscilante proyectado.

La fuente láser puede comprender un resonador para generar la radiación láser y un medio láser que puede ser una fibra activa, YAG, Erbio, CO² o un diodo, entre otros.

El sistema óptico de guiado puede comprender una fibra óptica o un conjunto de espejos capaces de guiar el haz láser a la unidad de colimación formada por lentes de colimación para colimar la radiación láser generada en el resonador. A su vez, el dispositivo de escaneo orienta el haz láser por medio de diversos espejos, y la unidad de enfoque está formada por al menos una lente de enfoque (por ejemplo, lente f-theta, f-theta lente telecéntrica, etc.) para enfocar el haz láser oscilante sobre la pieza de trabajo.

En algunas realizaciones, el aparato comprende medios para recibir un modelo 3D de la pieza de trabajo, definiendo el modelo 3D la al menos una rebaba en la al menos un área de superficie de la pieza de trabajo. Los medios para recibir el modelo 3D pueden ser una conexión Ethernet, WiFi, Bluetooth, etc., o cualquier otro medio para conectar local o remotamente el aparato con el dispositivo desde el que se recibe el modelo 3D.

En algunas otras realizaciones, el aparato comprende medios para escanear la pieza de trabajo y generar un modelo 3D de la pieza de trabajo, definiendo el modelo 3D la al menos una rebaba en la al menos un área de superficie de la pieza de trabajo. Los medios para escanear la pieza de trabajo pueden ser un escáner 3D, por ejemplo, un escáner 3D de luz estructurada, configurado para escanear la pieza de trabajo y generar un modelo 3D de la pieza de trabajo. Este escáner 3D puede estar integrado en el aparato o puede ser un dispositivo exterior acoplado comunicativamente al aparato.

En ambos casos, el aparato también comprende una unidad de control, que puede ser un sistema basado en microprocesador que tiene un dispositivo de memoria en el que puede almacenarse el modelo 3D, en el que la unidad de control puede gestionar el modelo 3D y determinar las superficies en las que las rebabas van a estar presentes y las líneas de rebaba asociadas a las rebabas predichas basándose en dicho modelo 3D.

En algunas realizaciones, la fuente láser se selecciona de un grupo que comprende: una fuente de láser de onda continua, una fuente de láser pulsado de milisegundos y una fuente de láser pulsado de microsegundos. En tales realizaciones, la fuente láser está configurada para desbarbar la al menos una rebaba refundiendo o fusionando la al menos una rebaba. Por ejemplo, la fuente láser puede configurarse para funcionar con una longitud de onda entre 350 y 1500 nm, una densidad de potencia superior a 0,5 kW/mm2 para piezas de trabajo fabricadas de aleaciones de aluminio, con una calidad de haz entre 0,35 y 4 mm * mrad y con un tiempo de interacción superior a 4 ms.

En algunas otras realizaciones, la fuente láser se selecciona de un grupo que comprende: una fuente de láser pulsado de nanosegundos, una fuente de láser pulsado de picosegundos y una fuente de láser pulsado de femtosegundos. En tales realizaciones, la fuente de láser está configurada para extirpar mediante ablación la al menos una rebaba. Por ejemplo, la fuente láser puede configurarse para tener duraciones de pulso inferiores a 500 ns, y más preferentemente entre 100 fs y 500 ns, una longitud de onda entre 350 y 1500 nm, una energía por pulso de 0,1-5 mJ y una frecuencia de repetición de pulso de 1-100000 kHz.

En algunas realizaciones, el aparato comprende una boquilla localizada en la proximidad de la fuente láser configurada para proyectar un gas de proceso hacia la al menos una rebaba durante la operación de desbarbado. El uso de este gas de proceso durante la operación de desbarbado aumenta la calidad de la pieza de trabajo resultante, ya que el gas de proceso protege la zona de interacción entre la fuente láser y la pieza de trabajo, evita la oxidación de esta zona de interacción en la pieza de trabajo y expulsa el metal líquido y separa efectivamente las rebabas de la pieza de trabajo cuando el material se elimina por fusión. Preferentemente, esta boquilla puede colocarse después del sistema de lentes de enfoque. La boquilla puede tener una forma de cono en su extremo para guiar el gas de proceso a la zona de interacción y una abertura de al menos 5 mm de diámetro para proporcionar suficiente espacio libre para los patrones 2D de desbarbado.

En algunas realizaciones, la fuente láser y el sistema óptico de guiado que comprende el dispositivo de escaneo pueden montarse en el cabezal de un brazo articulado o un sistema robótico o una máquina de control numérico por ordenador (CNC) que da como resultado una solución más flexible, ya que puede moverse libremente para procesar las rebabas en diferentes superficies de la pieza de trabajo. En tales realizaciones, el robot o la máquina CNC permite colocar el cabezal de escaneo frente a la línea de rebaba y reposicionarlo a lo largo de todas las localizaciones predefinidas donde podrían existir rebabas. Por lo tanto, el cabezal puede moverse en relación con la cama o lecho a la que está acoplada la pieza de trabajo con el fin de alcanzar con el haz láser todas las superficies de la pieza de trabajo.

En algunas otras realizaciones, la fuente láser y el sistema óptico de guiado pueden estar acoplados a un cabezal fijo del aparato y la cama o lecho sobre el que se acopla la pieza de trabajo puede motorizarse y tener al menos 3 grados de libertad con el fin de mover la pieza en relación con el cabezal fijo. En tales realizaciones, la cama o lecho se mueve en relación con el cabezal con el fin de alcanzar con el haz láser todas las superficies de la pieza de trabajo.

Como alternativa, el cabezal del aparato puede ser el cabezal de un robot o de una máquina de control numérico por ordenador (CNC) con al menos 3 ejes y la cama puede motorizarse y tener al menos 3 grados de libertad, de tal manera que el cabezal y el lecho se muevan uno en relación con otro.

En algunas realizaciones, el dispositivo de escaneo está configurado para modificar la orientación del haz láser generado por la fuente láser para producir un patrón 2D, en el que dicho patrón 2D comprende al menos uno de: unas trayectorias o líneas rectas o curvas que cubren la línea de rebaba, un conjunto de líneas sustancialmente paralelas entre sí y sustancialmente perpendiculares a la línea de rebaba, unas líneas en zigzag que cubren sustancialmente la línea de rebaba, unas líneas de oscilación que rodean sustancialmente la línea de rebaba, una figura de Lissajous sustancialmente sobre la línea de rebaba, un barrido en anillo sustancialmente sobre la línea de rebaba o cualquier otro patrón de escaneo que pueda estar contenido en dicho plano 2D.

Preferentemente, el patrón 2D puede ser unas trayectorias o líneas rectas o curvas que cubren la línea de rebaba, un conjunto de líneas sustancialmente paralelas entre sí y sustancialmente perpendiculares a la línea de rebaba o unas líneas en zigzag que cubren sustancialmente la línea de rebaba ya que son más fáciles de generar por el dispositivo de escaneo.

Las siguientes ventajas sustanciales sobre los métodos y los dispositivos de la técnica anterior están entre los logrados con el método y el aparato para desbarbar las piezas de trabajo descritas en el presente documento: la presente invención proporciona una mayor flexibilidad y control del proceso de desbarbado, debido a la forma en que el haz de láser oscilante se proyecta sobre las rebabas con un patrón 2D. También ahorra costes en herramientas y mano de obra y reduce el desgaste de la herramienta en comparación con los procesos de desbarbado conocidos. Además, se proporciona un método de desbarbado que es fácil de automatizar y que mejora la repetitividad del proceso de desbarbado al mismo tiempo que simplifica las cadenas del proceso de producción de piezas de trabajo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de la descripción e ilustran una realización de la invención, que no debería interpretarse como una restricción del alcance de la invención, sino solo como un ejemplo de cómo puede realizarse la invención.

Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de una pieza de trabajo de ejemplo con algunas rebabas.

La figura 2 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de un patrón en zigzag o bidireccional sobre una línea de rebaba en una pieza de trabajo.

La figura 3 muestra diferentes ejemplos de patrones 2D a lo largo de las líneas de rebaba correspondientes.

La figura 4 muestra un ejemplo de aparato para desbarbar piezas de trabajo.

La figura 5 muestra una vista detallada de un ejemplo de cabezal de desbarbado con una boquilla para expulsar un gas de proceso.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de pieza de trabajo 100 con algunas rebabas 101-102 sobre la misma. La pieza de trabajo 100, que tiene una geometría de bloque rectangular, puede haberse fabricado por cualquier proceso que genere rebabas 101-102 en la pieza de trabajo 100, tales como procesos de fabricación de fundición de metales, forja o corte con oxígeno, entre otros. La pieza de trabajo 100 presenta unas rebabas fuera del borde 101 en su superficie superior y unas rebabas de borde 102 en uno de sus bordes largos.

Las rebabas 101-102 pueden tener diferentes longitudes, espesores y geometrías. Dichas rebabas 101-102 pueden ser líneas rectas o líneas curvas y cualquier combinación de las mismas. Por ejemplo, el espesor de las rebabas 101-102 puede ser de alrededor de 0,1-0,5 mm.

Mientras que la pieza de trabajo 100 de la figura 1 tiene una geometría de bloque rectangular con 6 superficies planas y rectangulares, la pieza de trabajo 100 puede tener cualquier otra geometría y cualquier otro número de superficies en las que puedan estar presentes las rebabas. Además, mientras que la pieza de trabajo 100 muestra unas rebabas específicas 101-102, la pieza de trabajo 100 puede tener cualquier número de rebabas con cualquier geometría, espesor y longitud y en cualquiera de sus superficies.

La figura 2 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de un patrón en zigzag o bidireccional 200 sobre una línea de rebaba 201 en una pieza de trabajo 202.

La pieza de trabajo 202 es una lámina fabricada de un metal, por ejemplo, hierro, aluminio, magnesio, cobalto, cobre, plomo, níquel, estaño, titanio, zinc, etc., o cualquier aleación de estos metales. La pieza de trabajo también puede estar fabricada de un polímero, resina, material compuesto, compuesto reforzado con vidrio o compuesto reforzado con fibra. La línea de rebaba 201 cubre sustancialmente la rebaba 203 en la superficie superior 204 de la pieza de trabajo 202. Mientras que en la figura 2 la línea de rebaba 201 coincide completamente con la longitud de la rebaba sustancialmente recta 203, la línea de rebaba 201 no necesariamente tiene que coincidir con la rebaba en su totalidad, especialmente cuando dicha rebaba tiene formas irregulares, es decir, cuando las rebabas presentan discontinuidades, no tienen geometrías completamente rectas o cuando la geometría de la rebaba es demasiado compleja para que el cabezal del aparato siga completamente su geometría. En tales casos, la unidad de control del aparato para desbarbar las piezas de trabajo puede realizar una interpolación de diferentes puntos seleccionados de la rebaba irregular y calcular la línea de rebaba que garantizará que el haz láser oscilante con su patrón 2D pasará por toda la rebaba. El haz láser oscilante 205, generado por la fuente láser (no mostrada en esta figura) y escaneado por el escáner del sistema óptico de guiado (no mostrado), se proyecta sobre la pieza de trabajo 202 como un punto láser oscilante 206.

En tal ejemplo, la pieza de trabajo 202 se mueve en una dirección 207 que es paralela al eje longitudinal de la pieza de trabajo 200 mientras la fuente láser, y por lo tanto el cabezal del aparato, está fijo. De esta manera, el haz láser 205 se mueve sobre la superficie superior 204 de la pieza de trabajo 202 en la dirección opuesta 208 en relación con la dirección de desplazamiento 207 de la pieza de trabajo 202. Como alternativa, el cabezal puede moverse en relación con la pieza de trabajo o, el cabezal y la pieza de trabajo pueden moverse uno en relación con el otro.

El movimiento de la pieza de trabajo en relación con el cabezal del aparato, el movimiento del cabezal del aparato en relación con la pieza de trabajo o el movimiento de la pieza de trabajo y el cabezal del aparato uno en relación con el otro, serán especialmente útiles cuando el campo de trabajo del escáner, por ejemplo, 50 x 50 mm o 100 x 100 mm, no sea lo suficientemente grande como para cubrir toda la línea de rebaba. En tales casos, la combinación del área cubierta por el campo de trabajo del escáner con el movimiento del aparato y la pieza de trabajo uno en relación con otro, garantiza que se procesen las rebabas, independientemente de su localización y geometría.

Las figuras 3A-E muestran diferentes ejemplos de patrones 2D a lo largo de sus correspondientes líneas de rebaba 300.

El desplazamiento del punto láser, en relación con el área de interfaz, que es el área de interacción del haz láser oscilante sobre la superficie de la pieza de trabajo, se realiza de acuerdo con una pista que puede comprender partes rectas y/o curvas, y/o partes en uno o más planos.

La figura 3A muestra un patrón 2D específico que comprende una pluralidad de líneas rectas 301 sobre la línea de rebaba 300, que son equidistantes y están dispuestas sustancialmente paralelas entre sí. Como alternativa, la pluralidad de líneas pueden ser líneas curvas o una combinación de líneas rectas y curvas. En lugar de distribuirse homogéneamente sobre la línea de rebaba 300, dichas líneas 301 pueden localizarse a diferentes distancias entre sí definiendo una distribución heterogénea de las líneas 301 sobre la línea de rebaba 300. La distancia entre las líneas adyacentes 301 puede depender del espesor de las rebabas a desbarbar, de tal manera que los patrones 2D con menor distancia entre líneas adyacentes pueden usarse para rebabas de mayor espesor y viceversa.

La figura 3B muestra un patrón en zigzag o bidireccional específico que comprende una pluralidad de líneas rectas 301 sobre la línea de rebaba 300, con dos orientaciones inclinadas diferentes en relación con la línea de rebaba 300.

La longitud de las líneas 301 y la inclinación de dichas líneas 301 en relación con la línea de rebaba 300 pueden depender del espesor de la rebaba a desbarbar, de tal manera que los patrones 2D con líneas más cortas 301 y una mayor inclinación de las líneas 301 en relación con la línea de rebaba 300 pueden usarse para rebabas de mayor espesor y viceversa.

Los patrones 2D mostrados en las figuras 3A y 3B pueden ser especialmente útiles para eliminar rebabas delgadas, por ejemplo, las rebabas con una altura o espesor de menos de 100 micrómetros.

La figura 3C muestra un patrón 2D en espiral específico que comprende una sola línea curva o una combinación de una pluralidad de líneas curvas que forman una línea en espiral 301 sobre la línea de rebaba 300.

La anchura de oscilación (w) y el intervalo entre las ondas periódicas (d) de la línea en espiral 301 pueden depender del espesor de la rebaba a desbarbar, de tal manera que puedan usarse patrones 2D con mayores anchuras de oscilación e intervalos más pequeños entre las ondas periódicas para las rebabas de mayor espesor y viceversa

La figura 3D muestra un patrón 2D específico en la forma de una figura de Lissajous que comprende una sola línea curva o una combinación de una pluralidad de líneas curvas que forman la figura de Lissajous 301 sobre la línea de rebaba 300.

La figura 3E muestra un patrón 2D específico en la forma de una figura de circunferencia que comprende una sola línea curva o una combinación de una pluralidad de líneas curvas que forman la circunferencia 301 sobre la línea de rebaba 300.

Mientras que las figuras 3A-E muestran cinco ejemplos de patrones 2D, la presente invención no se limita a tales ejemplos. De hecho, el método y el aparato para desbarbar piezas de trabajo descritos en el presente documento, puede usar cualquier otro patrón 2D que pueda garantizar que las rebabas en las piezas de trabajo se barran completamente por el haz láser proyectado por la fuente láser.

Los patrones 2D mostrados en las figuras 3C-3E pueden ser especialmente útiles para eliminar rebabas con alturas de espesores superiores a 100 micrómetros.

La figura 4 muestra un ejemplo de aparato 400 para desbarbar piezas de trabajo. Debería entenderse que el aparato 400 representado en la figura 4 puede incluir unos componentes adicionales y que algunos de los componentes descritos en el presente documento pueden eliminarse y/o modificarse sin alejarse del alcance del aparato 400.

El aparato 400 comprende una fuente láser (no mostrada en esta figura) que está configurada para generar el haz láser 401 que se proyecta sobre la superficie superior 402 de la pieza de trabajo 403 a desbarbar. La fuente láser incluye un resonador para generar la radiación láser y el medio láser puede ser una fibra activa, YAG, Erbio, CO² o un diodo, entre otros. El aparato 400 comprende además medios para generar un movimiento relativo (no mostrado en esta figura) entre la pieza de trabajo 402 y la fuente láser a lo largo de una línea de rebaba 404 definida por la rebaba a desbarbar. Los medios para generar el movimiento relativo pueden ser una cama o lecho motorizado sobre el que se coloca la pieza de trabajo 402 o un cabezal móvil al que se acopla el aparato 400. El aparato 400 comprende además un escáner configurado para, durante dicho movimiento relativo, escanear repetidamente el haz láser 401 con el fin de proyectar un punto láser oscilante 405 con un patrón 2D 406 formado por un conjunto de líneas rectas y paralelas sobre la rebaba y a lo largo de la línea de rebaba 404.

El patrón 2D 406 proyectado sobre la pieza de trabajo 402 combinado con el movimiento relativo de la pieza de trabajo 402 y el haz láser 401 permiten que el punto láser oscilante 405 cubra completamente la línea de rebaba 404.

El sistema óptico de guiado comprende el escáner y una lente de escaneo de colimación 407, por ejemplo, una lente f-theta, para colimar la radiación generada en el resonador de la fuente láser sobre el punto láser 405. El escáner comprende además dos espejos galvanométricos independientes 408 acoplados a dos galvanómetros 409 respectivos que están configurados para mover los espejos galvanométricos 408 para orientar el haz láser 401 con el fin de generar el patrón 2D 406. El escáner puede comprender además unas lentes de enfoque, por ejemplo, lentes f-theta, f-theta lente telecéntrica, etc., localizadas en diferentes puntos de la trayectoria del haz láser para enfocar dicho haz láser 401 hacia el siguiente elemento del sistema óptico de guiado en su camino hacia la pieza de trabajo 402.

El aparato también comprende una unidad de control (no mostrada), que puede ser un sistema basado en microprocesador que tiene un dispositivo de memoria en el que se almacena el modelo 3D de la pieza de trabajo. Basándose en dicho modelo 3D, la unidad de control determina las superficies de la pieza de trabajo 402 en las que van a estar presentes las rebabas y las líneas de rebaba asociadas a las rebabas predichas. Esta unidad de control está configurada además para gestionar los medios para generar el movimiento relativo entre la pieza de trabajo 402 y la fuente láser y para gestionar el sistema óptico de guiado con el fin de generar el patrón oscilante 2D basándose en el modelo 3D de la pieza de trabajo.

La figura 5 muestra una vista detallada de un ejemplo de un cabezal de desbarbado 500 con una boquilla para expulsar un gas de proceso. Debería entenderse que el cabezal 500 representado en la figura 5 puede incluir unos componentes adicionales y que algunos de los componentes descritos en el presente documento pueden eliminarse y/o modificarse sin alejarse del alcance del cabezal 500.

El cabezal de desbarbado 500 comprende una boquilla 501 formada por una parte cónica 502 y una parte troncocónica 503. Una lente de escaneo de colimación 504 está localizada dentro de la boquilla 501 de tal manera que dicha lente de escaneo de colimación 504 separa el espacio interior 505 definido por la parte cónica 502 del espacio interior 506 definido por la parte troncocónica 503 de la boquilla 501. La lente de escaneo de colimación 504 también estrecha el haz láser 507 que viene a través de la parte cónica 502 de tal manera que el haz láser se enfoca en un punto láser 508 sobre la pieza de trabajo 509. La parte troncocónica 503 de la boquilla 501 comprende una entrada 510 a través de la que un gas de proceso 511, tal como argón, helio o nitrógeno, entre otros, es alimentado en el espacio interior 506 de la parte troncocónica 503. Dicho gas de proceso 511 sale de la boquilla 501 a través de la abertura 512 hacia la rebaba 513 durante la operación de desbarbado. El gas de proceso 511 puede proporcionarse desde un depósito (no mostrado) a través del tubo flexible 513 hacia la boquilla 501. La abertura 512 tiene una abertura de al menos 5 mm de diámetro para proporcionar suficiente espacio libre para que el haz láser oscilante 507 realice el patrón 2D 514 a lo largo de la línea de rebaba 515. El uso de este gas de proceso 511 durante la operación de desbarbado aumenta la calidad de la pieza de trabajo resultante, ya que el gas de proceso protege la zona de interacción entre la fuente de láser y la pieza de trabajo, evita su oxidación y expulsa el metal líquido y separa efectivamente la rebaba de la pieza de trabajo cuando el material se elimina por fusión.

En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tal como "que comprende”, etc.) no deberían entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deberían interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo que se describe y define puede incluir más elementos, etapas, etc.

La invención obviamente no se limita a las realizaciones específicas descritas en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que pueda considerarse por cualquier experto en la materia (por ejemplo, en lo que respecta a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método para desbarbar una pieza de trabajo, teniendo la pieza de trabajo al menos un área de superficie con al menos una rebaba a desbarbar, comprendiendo el método:

proyectar un haz láser desde una fuente láser sobre la al menos un área de superficie, produciendo un punto láser en el área de superficie;

generar un movimiento relativo entre el área de superficie y la fuente láser a lo largo de una línea de rebaba definida por la al menos una rebaba de tal manera que el punto láser se proyecte subsecuentemente sobre diferentes partes de la al menos una rebaba; y

durante dicho movimiento relativo, escanear repetidamente el haz láser proyectando el punto láser oscilante con un patrón bidimensional sobre la al menos una rebaba a lo largo de la línea de rebaba.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:

recibir un modelo 3D de la pieza de trabajo, definiendo el modelo 3D la al menos una rebaba en la al menos un área de superficie de la pieza de trabajo; o

escanear la pieza de trabajo y generar un modelo 3D de la pieza de trabajo, definiendo el modelo 3D las líneas de rebaba en la al menos un área de superficie de la pieza de trabajo.

3. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende desbarbar la al menos una rebaba refundiendo la al menos una rebaba, seleccionando la fuente láser de un grupo que comprende: una fuente de láser de onda continua, una fuente de láser pulsado de milisegundos y una fuente de láser pulsado de microsegundos.

4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende desbarbar la al menos una rebaba extirpando mediante ablación la al menos una rebaba, seleccionándose la fuente láser de un grupo que comprende: una fuente de láser pulsado de nanosegundos, una fuente de láser pulsado de picosegundos y una fuente de láser pulsado de femtosegundos.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 3 o 4, que comprende proyectar un gas de proceso hacia la al menos una rebaba durante la operación de desbarbado de la al menos una rebaba.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el patrón bidimensional comprende al menos uno de:

un conjunto de líneas sustancialmente paralelas entre sí y sustancialmente perpendiculares a la línea de rebaba;

unas líneas en zigzag que cubren sustancialmente la línea de rebaba;

una línea de oscilación sustancialmente sobre la línea de rebaba;

una figura de Lissajous sustancialmente sobre la línea de rebaba; y

un barrido en anillo sustancialmente sobre la línea de rebaba.

7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende repetir la operación de desbarbado sobre la al menos una rebaba hasta la eliminación completa de la al menos una rebaba.

8. Un aparato para desbarbar una pieza de trabajo, teniendo la pieza de trabajo al menos un área de superficie con al menos una rebaba a desbarbar, comprendiendo el aparato:

una fuente láser configurada para generar un haz láser que se proyecta sobre la al menos un área de superficie, produciendo un punto láser en el área de superficie;

medios para generar un movimiento relativo entre el área de superficie y la fuente láser a lo largo de una línea de rebaba definida por la al menos una rebaba de tal manera que el punto láser se proyecte subsecuentemente sobre diferentes partes de la al menos una rebaba; y

un sistema óptico de guiado que comprende un dispositivo de escaneo que está configurado para, durante dicho movimiento relativo, escanear repetidamente el haz láser proyectando el punto láser oscilante con un patrón bidimensional sobre la al menos una rebaba a lo largo de la línea de rebaba.

9. El aparato de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el sistema óptico de guiado comprende el dispositivo de escaneo, una unidad de colimación y una unidad de enfoque.

10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el dispositivo de escaneo es un escáner seleccionado de un grupo que comprende escáneres galvanométricos, escáneres piezoeléctricos y escáneres poligonales.

11. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:

medios para recibir un modelo 3D de la pieza de trabajo, definiendo el modelo 3D la al menos una rebaba en la al menos un área de superficie de la pieza de trabajo; o

medios para escanear la pieza de trabajo y generar un modelo 3D de la pieza de trabajo, definiendo el modelo 3D las líneas de rebaba en la al menos un área de superficie de la pieza de trabajo.

12. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente láser se selecciona de un grupo que comprende: una fuente de láser de onda continua, una fuente de láser pulsado de milisegundos y una fuente de láser pulsado de microsegundos, y la fuente láser está configurada para desbarbar la al menos una rebaba refundiendo la al menos una rebaba.

13. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 8-12, en el que la fuente láser se selecciona de un grupo que comprende: una fuente de láser pulsado de nanosegundos, una fuente de láser pulsado de picosegundos y una fuente de láser pulsado de femtosegundos, y la fuente láser está configurada para extirpar por ablación la al menos una rebaba.

14. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una boquilla localizada en proximidad a la fuente láser, estando la boquilla configurada para proyectar un gas de proceso hacia la al menos una rebaba durante la operación de desbarbado.

15. El aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el patrón bidimensional comprende al menos uno de:

un conjunto de líneas sustancialmente paralelas entre sí y sustancialmente perpendiculares a la línea de rebaba;

unas líneas en zigzag que cubren sustancialmente la línea de rebaba;

una línea de oscilación sustancialmente sobre la línea de rebaba;

una figura de Lissajous sustancialmente sobre la línea de rebaba; y

un barrido en anillo sustancialmente sobre la línea de rebaba.