ES2841915T3

ES2841915T3 - Impresión 3D en metal con precalentamiento local

Info

Publication number: ES2841915T3
Application number: ES19706711T
Authority: ES
Inventors: Jonas Galle
Original assignee: Valcun bvba
Current assignee: Valcun bvba
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2021-07-12
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: WO2019166523A1; EP3676035A1; EP3676035B1; EP3533537A1; PL3676035T3

Abstract

Un dispositivo (100, 400, 500) para la fabricación aditiva, comprendiendo el dispositivo - medios (101) para extruir material metálico en estado fluido, para depositar un producto extruido (102) sobre un cuerpo subyacente (103), - al menos una fuente de plasma (105) para proporcionar al menos un chorro de plasma (106) a una zona objetivo del cuerpo subyacente (103), para obtener una zona precalentada (104), caracterizado porque el dispositivo (100, 400, 500) está dispuesto de modo que la al menos una fuente de plasma (105) proporcione al menos un chorro de plasma térmico (106) a la zona objetivo del cuerpo subyacente (103), con una energía tal que el material subyacente se calienta cerca, a o por encima de la temperatura de fusión del material subyacente, y los medios (101) para extruir el material están adaptados para depositar un producto extruido (102) sobre la zona precalentada (104) del cuerpo subyacente (103), para mejorar la fusión entre el cuerpo subyacente y el producto extruido.

Description

DESCRIPCIÓN

Impresión 3D en metal con precalentamiento local

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de la fabricación aditiva. Más específicamente, se refiere a dispositivos y métodos de fabricación basados en extrusión y deposición, específicamente extrusión y deposición de metales.

Antecedentes de la invención

La impresión 3D y otras técnicas de fabricación aditiva permiten una gran libertad de diseño y creación de prototipos. El salto entre el proceso de diseño y la fabricación se puede reducir, porque un producto se puede producir y probar, inmediatamente después del diseño, a un coste menor que si se tuviera que configurar todo un proceso de fabricación industrial solo para la fase de prueba.

La fabricación aditiva, la creación rápida de prototipos y otras técnicas relacionadas con la impresión 3D son herramientas poderosas para el desarrollo, las pruebas y el marketing rápidos y sencillos para los pequeños fabricantes, investigadores y desarrolladores emprendedores. Sin embargo, en algunos casos sigue siendo una técnica costosa. Específicamente, la impresión 3D en metal es una técnica costosa, tanto en términos de hardware como en términos de materiales para imprimir. Los polvos metálicos requieren una alta pureza y, a menudo, son más caros que el metal no en polvo. Además, los dispositivos a menudo son difíciles y/o peligrosos de operar, lo que requiere experiencia. Por ejemplo, los láseres de alta potencia requieren un manejo cuidadoso y delicado, y representan un peligro potencial. Las técnicas también tienen problemas específicos derivados de la tecnología particular utilizada. La técnica más utilizada para la fabricación aditiva en metal es la fabricación aditiva en polvo, que adolece de importantes problemas de oxidación. Dicha técnica es lenta, ya que necesita fusionar localmente polvo metálico, punto por punto, irradiando el polvo, por ejemplo, con un láser de alta potencia (ejemplos de dicha técnica incluyen la sinterización por láser de lecho de polvo y el revestimiento por láser). Los polvos también representan un riesgo para la salud si se respiran partículas de polvo suspendidas en el aire. Además, algunas de estas técnicas son subóptimas para materiales particulares, debido a sus propiedades inherentes que son incompatibles con la tecnología particular utilizada. Por ejemplo, refiriéndonos a la fabricación por láser, si el material presenta baja absorción óptica, la eficacia de la técnica es muy baja. Este es el caso, por ejemplo, del aluminio, que por lo demás tiene propiedades muy interesantes y útiles para la industria, pero que es extremadamente difícil de procesar mediante técnicas basadas en láser, debido a su coeficiente de absorción inferior al 20%.

Otras soluciones (tal como la arcilla metálica) que están limitadas debido a la necesidad de etapas de proceso adicionales como el curado, presentan una resolución limitada y una contracción después del curado. Esto último puede provocar tensiones térmicas excesivas o incluso agrietamiento.

Sería deseable tener una solución de bajo coste tanto para el hardware como para la materia prima (por ejemplo, reduciendo la necesidad de polvo metálico) que sea capaz de proporcionar objetos con una resolución y resistencia aceptables, en un tiempo razonablemente corto.

El documento US2016/0271874 describe una impresora 3D que incluye una fuente de plasma capaz de producir plasma a una temperatura de transición vítrea, o en o alrededor de la temperatura de fusión, del material impreso. Esto permite calentar el material sobre el que se deposita el material de impresión y/o calentar el material recién depositado, pero a una temperatura lo suficientemente baja para que no se produzca deformación del material. Se utiliza para aumentar la adherencia de materiales principalmente con propiedades termoplásticas tales como cerámicas y plásticos.

El documento GB2489493 describe una impresora 3D en metal que proporciona un baño de fusión fundiendo previamente el material base con una antorcha de plasma, mientras que una segunda antorcha de plasma funde el extremo distal de un alambre de alimentación, que proporciona gotas de material sobre el baño de fusión. La precisión está limitada por el diámetro del alambre y la deformación puede convertirse en un problema debido a las temperaturas muy altas que se utilizan en el proceso.

El documento US2015/0314528 describe el precalentamiento con diodos láser para mejorar la unión entre capas, por ejemplo, incrustando fibras ópticas alrededor de una boquilla. Existen varias limitaciones sobre el tipo de material que se puede imprimir con este sistema. Por ejemplo, la temperatura de la boquilla debe ser lo suficientemente baja para que la fibra óptica no se dañe.

De manera similar, el documento US2017/0072633 describe sistemas de modelado por deposición fundida que incluyen precalentamiento por láser del sustrato antes de la extrusión del filamento que sale, usando un sistema óptico para dirigir el rayo láser al sustrato.

En cualquier caso, la potencia proporcionada por un láser o un diodo láser también es limitada, por lo que principalmente los materiales con propiedades ópticas y térmicas adecuadas se pueden precalentar adecuadamente para aumentar la unión. Si se requiere un láser que proporcione alta potencia, el sistema y el mantenimiento se vuelven muy costosos.

Compendio de la invención

Es un objeto de las realizaciones de la presente invención proporcionar una técnica de fabricación aditiva adecuada para la deposición sobre cuerpos con alta conductividad térmica, tales como metales, con buena resolución, de forma económica y segura, sin una configuración compleja.

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un dispositivo para la fabricación aditiva, comprendiendo el dispositivo medios para extruir material, por ejemplo material metálico, en estado fluido, es decir, en estado líquido o semilíquido, por ejemplo materia viscosa, para depositar un producto extruido sobre un cuerpo subyacente, y al menos una fuente de plasma para proporcionar al menos un chorro de plasma a una zona objetivo del cuerpo subyacente, para obtener una zona precalentada, en donde el dispositivo está dispuesto de manera que la al menos una fuente de plasma proporciona al menos un chorro de plasma térmico, a la zona objetivo del cuerpo subyacente, y preferiblemente solo a esa zona, con una energía tal que el material subyacente se calienta cerca de la temperatura de fusión (por ejemplo, no más del 20%, no más del 10%, no más del 5%, no más del 1 % por debajo de la temperatura de fusión), a la temperatura de fusión, o no más del 5% por encima de la temperatura de fusión del material subyacente, y los medios para extrudir el material están adaptados para depositar un producto extruido sobre la zona precalentada del cuerpo subyacente, para mejorar la fusión entre el cuerpo subyacente y el producto extruido. El chorro de plasma térmico es un chorro de plasma con temperaturas mucho más altas que el punto de fusión del material que se deposita, por ejemplo, una temperatura de al menos dos veces, como al menos cinco veces, incluso al menos seis veces la temperatura de fusión del material a ser depositado. El chorro de plasma térmico puede tener, por ejemplo, una temperatura de varios miles de grados, por ejemplo, de 5.000 °C a 15.000 °C.

Por tanto, el dispositivo está adaptado para la fabricación aditiva de materiales altamente conductores de calor, tales como, por ejemplo, los metales. El plasma térmico proporciona suficiente energía local para elevar la temperatura de dichos materiales a la temperatura requerida para mejorar la fusión.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que la zona de fusión pueda tener un tamaño similar (por ejemplo, área) como, por ejemplo, la sección transversal del producto extruido, mejorando así la resolución de impresión (por ejemplo, resolución lateral) al reducir el tamaño del baño de fusión, o incluso eliminándolo por completo, sin dejar de formar una articulación fusionada.

En realizaciones de la presente invención, la fuente de plasma es una fuente de chorro de plasma enfocado para proporcionar un chorro de plasma térmico enfocado.

Una ventaja de las formas de realización de la presente invención es que la zona precalentada se puede definir y colocar con precisión sobre el cuerpo subyacente.

En realizaciones de la presente invención, el dispositivo comprende además un depósito que incluye medios de calentamiento, para fundir material para extrusión.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que el dispositivo pueda utilizar metal en cualquier forma, tal como polvo, alambre, chatarra, planchón, etc.

En realizaciones de la presente invención, los medios para extruir material están adaptados para depositar el producto extruido sobre una zona separada físicamente de la zona donde al menos una fuente de plasma proporciona el chorro de plasma térmico, incluyendo el dispositivo además un sistema de movimiento para proporcionar la Zonazona precalentada a un lugar donde los medios para extruir material depositan el producto extruido.

En realizaciones de la presente invención, el dispositivo incluye además medios de control para controlar al menos una fuente de plasma para regular la temperatura de la zona precalentada proporcionada por el al menos un chorro de plasma térmico.

Una ventaja de las formas de realización de la presente invención es que el chorro de plasma se puede controlar para mantener una temperatura media constante de la zona precalentada a, o por debajo de, la temperatura de fusión del cuerpo subyacente. Es una ventaja que la temperatura media de la zona precalentada pueda mantenerse constante en el momento de la deposición.

En realizaciones de la presente invención, el dispositivo comprende además un medio sensor para medir un parámetro relacionado con la energía de fusión, tal como un medio para medir parámetros relacionados con la temperatura, y el medio de control comprende además un circuito de retroalimentación para controlar el chorro de plasma térmico. fuente para adaptar al menos la temperatura de la zona precalentada, en base a la medición de los medios sensores.

Una ventaja de las formas de realización de la presente invención es que el proceso de fusión se puede controlar, por ejemplo, controlando la temperatura y la disipación de calor; por ejemplo, se puede detectar la fusión si la temperatura se vuelve constante durante el calentamiento.

En algunas realizaciones que incluyen medios de control, los medios de control incluyen además un algoritmo para controlar la fuente de plasma, basado al menos en dos de:

- la relación entre la cantidad y distribución de vóxeles en el volumen vecino a la zona de fusión,

- el valor de la temperatura de fusión del material, y

- la tasa de construcción del objeto,

para limitar la zona precalentada a un área similar al área de contacto entre el producto extruido y el cuerpo subyacente.

Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que el chorro de plasma térmico se puede controlar automáticamente para evitar una transferencia de calor excesiva y reducir la fusión excesiva del metal subyacente.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para realizar la fabricación aditiva que comprende las etapas de:

extruir material, por ejemplo, metal, en un fluido, es decir, líquido o semilíquido, por ejemplo, viscoso, formando así un producto extruido,

proporcionar al menos un chorro de plasma sobre una zona objetivo de un cuerpo subyacente, formando así una zona precalentada en el cuerpo subyacente,

depositar el producto extruido sobre la zona precalentada del cuerpo subyacente, fusionando así el producto extruido con el cuerpo subyacente,

en donde proporcionar al menos un chorro de plasma comprende proporcionar al menos un chorro de plasma térmico con una energía tal que el material subyacente se calienta cerca de la temperatura de fusión (por ejemplo, no más del 20%, no más del 10%, no más del 5%, no más del 1% por debajo de la temperatura de fusión), a la temperatura de fusión, o no más del 5% por encima de la temperatura de fusión del material subyacente, y retirar el chorro de plasma térmico de la zona precalentada antes de depositar el producto extruido, para mejorar la fusión entre el cuerpo subyacente y el producto extruido.

Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que el chorro está adaptado para elevar localmente la temperatura del cuerpo subyacente a fin de mejorar la unión entre el cuerpo subyacente y el producto extruido, reduciendo la diferencia de temperatura entre el producto extruido y el cuerpo subyacente, compensando así las pérdidas de calor a través del cuerpo subyacente.

En realizaciones de la presente invención, proporcionar al menos un chorro de plasma térmico comprende poner en contacto los electrodos de una fuente de plasma, formar un arco de plasma al separar los electrodos, formando así un chorro de plasma. La distancia y la corriente variables entre los electrodos se pueden utilizar para controlar la potencia del plasma.

Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que el chorro puede recibir una energía relativamente pequeña y puede mejorarse su posicionamiento y energía, así como puede proporcionarse una mayor protección para la pistola y el cuerpo. Específicamente, se requiere un voltaje de ruptura de gas menor que en algunos sistemas de la técnica anterior.

En realizaciones de la presente invención, proporcionar al menos un chorro de plasma térmico en una zona de un cuerpo subyacente comprende proporcionar al menos un chorro de plasma térmico, para elevar localmente la temperatura del cuerpo subyacente en la zona precalentada a una temperatura media cercana a, o hasta, la temperatura de fusión del material del cuerpo subyacente. Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que el chorro está adaptado para elevar localmente la temperatura del cuerpo subyacente en una zona de sustancialmente la misma área que, por ejemplo, la sección transversal del producto extruido. La temperatura media se eleva hasta un valor que no sobrepasa la temperatura de fusión del cuerpo subyacente, pero se le acerca, por lo que la zona de fusión puede ser del mismo orden que el área de contacto entre el producto extruido y el cuerpo subyacente, reduciendo el tamaño de un baño de fusión, por ejemplo, proporcionando un baño de fusión con una anchura menor que la resolución lateral requerida, o evitando la presencia de un baño de fusión sobre el cuerpo.

En realizaciones de la presente invención, se mide un parámetro relacionado con la energía de fusión sobre el cuerpo subyacente, por ejemplo, en la zona precalentada, y se controla al menos el chorro de plasma térmico teniendo en cuenta los resultados de la medición en la zona precalentada, para mantener la temperatura media de la zona precalentada a una temperatura suficiente para permitir la fusión después de la deposición del material extruido.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que la transferencia de calor y la disipación pueden monitorearse para proporcionar una temperatura alta en la zona de fusión, mientras se evita la fusión excesiva del cuerpo subyacente, controlando la corriente, la potencia y/o la distancia del electrodo de al menos una fuente de chorro de plasma.

En realizaciones de la presente invención, el método comprende además obtener información geométrica y de vóxeles del cuerpo subyacente, por ejemplo a partir de un archivo de software, obteniendo información sobre la temperatura de fusión del cuerpo subyacente y la temperatura del filamento, y controlando el chorro de plasma térmico adaptando así la transferencia de calor teniendo en cuenta la información geométrica y de vóxeles del cuerpo subyacente, para mantener la temperatura media de la zona precalentada en o por debajo de la temperatura de fusión para reducir el baño de fusión a una anchura comparable o menor que la resolución lateral requerida, o evitar la presencia de un baño de fusión en absoluto.

Una ventaja de las formas de realización de la presente invención es que la transferencia de calor se puede controlar para controlar el tamaño y la temperatura de la zona de fusión teniendo en cuenta la información del modelo 3D, proporcionando así un algoritmo predictivo.

En realizaciones de la presente invención, la extrusión de material comprende la extrusión de metal altamente conductor del calor, proporcionando así un producto metálico altamente conductor del calor. Se prefiere el uso de materiales altamente conductores de calor que también son conductores de electricidad, tales como metales, por ejemplo, aleaciones de aluminio y cobre, porque permiten usar plasma transferido para el precalentamiento, así como para la limpieza, por ejemplo, eliminación de óxidos, una práctica común en la soldadura. En las realizaciones de la presente invención, el método comprende extruir aluminio proporcionando así un producto extruido de aluminio.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que las propiedades del metal, por ejemplo, la absorbancia óptica del aluminio, no tienen un impacto negativo en el proceso de fabricación aditiva o en la calidad de los productos obtenidos del mismo.

En realizaciones de la presente invención, proporcionar al menos un chorro de plasma térmico comprende proporcionar un chorro de plasma térmico formando así la zona precalentada, antes de depositar el producto extruido sobre la zona precalentada. En particular, se puede proporcionar un movimiento relativo continuo entre el cuerpo subyacente y el chorro de plasma térmico.

Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que se puede obtener una zona de fusión homogénea y regular.

Los aspectos particulares y preferidos de la invención se exponen en las reivindicaciones independientes y dependientes anexas. Las características de las reivindicaciones dependientes pueden combinarse con las características de las reivindicaciones independientes y con las características de otras reivindicaciones dependientes según sea apropiado y no simplemente como se establece explícitamente en las reivindicaciones.

Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes y se aclararán con referencia a la(s) realización(es) descrita(s) a continuación.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 ilustra un dispositivo de fabricación aditiva de acuerdo con realizaciones de la presente invención.

La Figura 2 y la Figura 3 ilustran realizaciones alternativas de una pistola de plasma térmico, aplicable a realizaciones de la presente invención.

La Figura 4 ilustra un dispositivo de fabricación aditiva según realizaciones de la presente invención, que incluye una unidad de control para controlar la fuente de plasma.

La Figura 5 ilustra un dispositivo de fabricación aditiva de acuerdo con realizaciones de la presente invención, que incluye una unidad de control para controlar la fuente de plasma, medios de detección de temperatura y un sistema de molino.

La Figura 6 muestra un diagrama que representa un proceso de acuerdo con realizaciones de la presente invención.

La Figura 7, la Figura 8 y la Figura 9 muestran diagramas que representan partes de un proceso de acuerdo con realizaciones de la presente invención.

La Figura 10 ilustra la extrusión de material extruido en una masa fundida que es más ancha que una dimensión correspondiente del material extruido, mientras que la Figura 11 ilustra la extrusión de material extruido en un baño de fusión que es más pequeña que la dimensión correspondiente del material extruido.

La Figura 12 ilustra la unión de producto extruido depositado sobre un cuerpo subyacente.

Los dibujos son solo esquemáticos y no limitativos. En los dibujos, el tamaño de algunos de los elementos puede estar exagerado y no estar dibujado a escala con fines ilustrativos.

Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no se interpretará como una limitación del alcance.

En los diferentes dibujos, los mismos signos de referencia se refieren a elementos iguales o análogos.

Descripción detallada de realizaciones ilustrativas

La presente invención se describirá con respecto a realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos, pero la invención no se limita a las mismas, sino únicamente a las reivindicaciones. Las dimensiones y las dimensiones relativas no corresponden a las reducciones reales de la práctica de la invención.

Los términos primero, segundo y similares en la descripción y en las reivindicaciones se utilizan para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir una secuencia, ya sea temporal, espacialmente, en clasificación o de cualquier otra manera. Debe entenderse que los términos así usados son intercambiables en circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invención descritas en este documento pueden funcionar en otras secuencias que las descritas o ilustradas en este documento.

Además, los términos superior, inferior y similares en la descripción y las reivindicaciones se utilizan con fines descriptivos y no necesariamente para describir posiciones relativas. Debe entenderse que los términos así usados son intercambiables en circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invención descritas en este documento pueden funcionar en otras orientaciones que las descritas o ilustradas en este documento.

Debe observarse que el término "que comprende", utilizado en las reivindicaciones, no debe interpretarse como restringido a los medios enumerados a continuación; no excluye otros elementos o etapas. Por tanto, debe interpretarse como una especificación de la presencia de las características, números enteros, etapas o componentes indicados como se hace referencia, pero no excluye la presencia o adición de una o más características, números enteros, etapas o componentes o grupos de los mismos. Por lo tanto, el alcance de la expresión "un dispositivo que comprende los medios A y B" no debe limitarse a dispositivos que constan únicamente de los componentes A y B. Significa que, con respecto a la presente invención, los únicos componentes relevantes del dispositivo son A y B.

La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a "una realización" significa que una característica, estructura o característica particular descrita en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la presente invención. Por tanto, las apariciones de la frase "en una realización" en varios lugares a lo largo de esta memoria descriptiva no se refieren necesariamente a la misma realización, pero pueden hacerlo. Además, las características, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada, como resultará evidente para un experto en la técnica a partir de esta descripción, en una o más realizaciones.

De manera similar, debe apreciarse que, en la descripción de las realizaciones ejemplarizante de la invención, varias características de la invención a veces se agrupan en una sola realización, figura o descripción de la misma con el fin de simplificar la divulgación y ayudar en la comprensión de uno o más de los diversos aspectos inventivos. Sin embargo, este método de divulgación no debe interpretarse como un reflejo de la intención de que la invención reivindicada requiera más características de las que se mencionan expresamente en cada reivindicación. Más bien, como reflejan las siguientes reivindicaciones, los aspectos inventivos se encuentran en menos de todas las características de una única realización descrita anteriormente. Por tanto, las reivindicaciones que siguen a la descripción detallada se incorporan expresamente en esta descripción detallada, y cada reivindicación se mantiene por sí sola como una realización separada de esta invención.

Además, aunque algunas realizaciones descritas en este documento incluyen algunas, pero no otras características incluidas en otras realizaciones, se pretende que las combinaciones de características de diferentes realizaciones estén dentro del alcance de la invención y formen diferentes realizaciones, como lo entenderán los expertos en la técnica. Por ejemplo, en las siguientes reivindicaciones, cualquiera de las realizaciones reivindicadas puede usarse en cualquier combinación.

En la descripción proporcionada en este documento, se exponen numerosos detalles específicos. Sin embargo, se entiende que las realizaciones de la invención se pueden poner en práctica sin estos detalles específicos. En otros casos, los métodos, estructuras y técnicas bien conocidos no se han mostrado con detalle para no dificultar la comprensión de esta descripción.

Cuando en realizaciones de la presente invención se hace referencia a "zona de fusión", se hace referencia a un área de un cuerpo donde el material depositado entra en contacto con él, fusionándose, formando así una unión. La fusión se obtiene cuando dos objetos se unen con al menos una fuerza predeterminada. Esto puede ocurrir, dependiendo del tipo de material, aplicación, etc., a una temperatura entre la temperatura liquidus (temperatura a la que todo el material es líquido) y la temperatura solidus (temperatura a la que todo el material es sólido). La fusión puede ocurrir bajo temperatura de fusión.

Cuando en las realizaciones de la presente invención se hace referencia a la "temperatura media" de una zona, se hace referencia al promedio de las temperaturas sobre el área de la zona. Por ejemplo, si la temperatura media de una zona de 2 mm2 es de 650 °C, la mitad de la zona puede estar a una temperatura más alta, mientras que la otra mitad puede estar a una temperatura más baja.

La presente invención se refiere a técnicas de fabricación aditiva y dispositivos utilizados para las mismas, en particular, por ejemplo, fabricación aditiva de metal, mediante una implementación especial de deposición fundida. Cuando en las realizaciones de la presente invención se hace referencia a "metal", se hace referencia a metal puro, mezclas de metales, aleaciones o compuestos metálicos. Aunque la divulgación se refiere principalmente a la fabricación aditiva de metal, la presente invención no se limita a la misma y podría aplicarse a polímeros, cerámicas, combinaciones y mezclas de metales de los mismos, etc.

Cuando en el contexto de la presente invención se menciona "material fundido" o "material fluido", se hace referencia al material en un estado en, o por encima de, la temperatura de fusión. Cuando se hace referencia a "material semifundido" o "material semifluido", se hace referencia a material por debajo de la temperatura de fusión, de modo que esté al menos parcialmente solidificado, pero aún fácilmente deformable y flexible.

Cuando en el contexto de la presente invención se hace referencia a "plasma térmico", se hace referencia al plasma a temperaturas sustancialmente más altas que la temperatura de fusión del material a depositar, por ejemplo, al menos dos veces la temperatura de fusión del material a depositar. Dichos plasmas típicamente tienen una temperatura de varios miles de grados Celsius, por lo que generalmente tanto los iones como los electrones están aproximadamente a la misma temperatura, en contraste con los plasmas no térmicos, donde los iones están típicamente a una temperatura mucho más baja que los electrones, que tiene el efecto de que la temperatura general del plasma es baja, por ejemplo, algunos cientos de grados.

Existen en el campo muchas técnicas de fabricación aditiva y creación rápida de prototipos. Por ejemplo, la deposición de filamentos fundidos (FFD) es una técnica muy popular y rápida basada en la formación de un objeto de varias capas mediante la deposición de material extruido.

FFD comprende proporcionar material extruido, que se deposita en una serie de capas de patrones bidimensionales, formando así un objeto tridimensional. El material extruido en capas debe fusionarse y unirse para obtener al menos valores aceptables de resistencia en el objeto. Si bien la fabricación y deposición de filamentos fundidos se usa ampliamente en la impresión 3D de polímeros, se usa menos en combinación con metal. Las técnicas comunes de impresión 3D de metales generalmente incluyen el calentamiento por láser, combinado con sinterización y/o revestimiento. Como alternativa al calentamiento por láser, se puede utilizar la fusión por haz de electrones. Estas técnicas proporcionan a los objetos una buena resolución y, aunque pueden proporcionar dispositivos fabricados y prototipos en una etapa temprana de producción y diseño, son relativamente lentas.

En el campo de la fabricación aditiva, la resolución es un parámetro que determina la calidad superficial del cuerpo fabricado. Cuanto mayor sea la resolución, mejor será la calidad de la superficie. La resolución también está relacionada con el grosor de la capa o la altura de la capa del cuerpo fabricado. Aunque la resolución suele ser un parámetro variable que se puede ajustar (por ejemplo, reducir) para reducir el tiempo de fabricación, cuando en las realizaciones de la presente invención se hace referencia a la resolución en altura, se hace referencia a un parámetro relacionado con el espesor de capa alcanzable por la técnica durante funcionamiento normal, por tanto, en una dirección sustancialmente normal a una superficie de un cuerpo subyacente sobre el que se deposita el material extruido. Cuanto menor sea el grosor, mejor será la resolución. Cuando en las realizaciones de la presente invención se hace referencia a la resolución lateral, se hace referencia a la anchura de la capa depositada en un plano sustancialmente paralelo a una superficie del cuerpo subyacente sobre el que se deposita el material extruido. El ancho mínimo, proporcionado por una sola pasada de fabricación, daría la máxima resolución. Las técnicas de fabricación aditiva generalmente apuntan a una gran altura y resolución lateral, mientras que al mismo tiempo proporcionan capas fuertemente adheridas. Las técnicas basadas en el revestimiento por láser o en la fusión de metal en polvo mediante el uso de haces láser o de electrones tienen una buena resolución, pero a menudo son prohibitivamente caras.

Otras técnicas, como la soldadura por arco, son asequibles y, por lo general, más rápidas que las impresoras 3D basadas en polvo, pero solo pueden proporcionar capas deficientes, lo que da como resultado piezas con baja resolución.

La presente invención resuelve estos problemas mejorando y adaptando las técnicas de FFD con el fin de proporcionar FFD de metal fiable capaz de proporcionar objetos con una resistencia aceptable y una buena resolución, por ejemplo, limitado por la geometría y las dimensiones de la salida o boquilla de los medios de extrusión, o por ejemplo la sección transversal del material extruido.

La presente invención proporciona, por un lado, una zona precalentada de la pieza a fabricar (o cuerpo subyacente), que puede incluir materiales con alta conductividad térmica, por ejemplo, metales y, por otro lado, la deposición de material extruido a alta temperatura.

La zona precalentada se convierte en la zona de fusión donde el producto extruido entra en contacto con el cuerpo subyacente. El precalentamiento compensa las pérdidas de calor a través del cuerpo subyacente, tales como las pérdidas de calor por convección y radiación, y también notablemente las pérdidas de calor por conducción a través del cuerpo subyacente. Estas pérdidas de calor (especialmente la pérdida de calor por conducción) se producirían sobre el material del producto extruido en contacto con el cuerpo subyacente si no se aplicara precalentamiento, debido a la alta conductividad térmica y la inercia térmica del cuerpo subyacente. El calor se perdería a alta velocidad y se dificultaría la fusión, reduciendo así la calidad de la unión. En la presente invención, se puede garantizar la fusión de las capas intermedias, incluso en los casos de un cuerpo subyacente que comprenda o consista en un material térmicamente conductor tal como metal, mediante la aplicación de precalentamiento.

Los chorros de plasma térmico están típicamente a temperaturas de miles de grados, que es mucho más alta que las temperaturas típicas de fusión de los materiales para la deposición, tales como los metales, por ejemplo, aluminio. En realizaciones de la presente invención, la temperatura del plasma puede ser de al menos 5000 °C, por ejemplo hasta, inclusive, 15.000 °C. Es necesario un chorro de plasma a una temperatura dentro de este intervalo de altas temperaturas para elevar la temperatura del cuerpo subyacente localmente, por ejemplo en la posición justo antes, tal como a no más de 6 mm de distancia del punto de extrusión, a una temperatura cercana a, en, o incluso ligeramente por encima de, la temperatura de fusión del material, especialmente en el caso de materiales térmicamente conductores, por ejemplo en el caso de metales con alta conductividad, que tienden a disipar rápidamente el calor por conducción.

La zona precalentada tiene un área similar al área de contacto entre el producto extruido y el cuerpo subyacente, por ejemplo, similar al área de la sección transversal del producto extruido. Esta pequeña área de alta temperatura se puede proporcionar por medio de un plasma, por ejemplo, uno o más chorros de plasma térmico de al menos una fuente de chorro de plasma enfocado.

La temperatura de la zona precalentada permite fusionar el cuerpo subyacente y el producto extruido, sin requerir una gran cantidad de baño de fusión en el cuerpo subyacente, que típicamente debilita la estructura y reduce la resolución. En algunas realizaciones, no hay ningún baño de fusión en el cuerpo subyacente. Fuera de la zona precalentada (y fuera de la zona de fusión), la temperatura desciende rápidamente a valores muy por debajo de la temperatura de fusión, dependiendo de la resistencia térmica del cuerpo subyacente (geometría, conductividad térmica, inercia). En caso de pérdida de calor en todas las direcciones (XYZ), la caída de temperatura puede ser aproximadamente proporcional a la tercera potencia de la distancia.

La Figura 10 muestra un medio de extrusión 101 (tal como un troquel) que incluye una boquilla o salida 120, que produce un material extrudido 102 con un diámetro determinado por la salida 120; puede tener el mismo diámetro que la salida, por ejemplo. En caso de que el material extruido sea líquido, la forma extruida puede ser más bien una mancha, y la resolución/diámetro se determina tanto por el diámetro de la boquilla como por la distancia entre la boquilla y el cuerpo subyacente. El dibujo más a la izquierda muestra el inicio de la extrusión, mientras que el dibujo más a la derecha muestra la sección transversal del producto depositado 102. Al principio, el producto 102 se deposita sobre un cuerpo 103, y en realizaciones de la presente invención, el cuerpo subyacente 103 puede incluir una zona precalentada 104. Cuando hay un baño de fusión amplio 121 (por ejemplo, más grande que la resolución mínima requerida (o charco) en la zona precalentada 104, el material depositado se adaptará al tamaño del baño (y, como se muestra en la vista en sección transversal del dibujo más a la derecha en la Figura 10, pierde su integridad con el resultado de que la resolución lateral será mucho más baja, y por lo tanto peor, que la resolución perseguida.

La Figura 11 muestra las mismas características que la Figura 10, excepto que al comienzo de la extrusión en el dibujo más a la izquierda, el baño de fusión 122 es más pequeño. Cuando el baño de fusión 122 es más pequeño (por ejemplo, del mismo tamaño o más pequeño que la resolución requerida), la resolución lateral mejora, y puede incluso ser muy similar o igual al diámetro de la salida 120 de los medios de extrusión 101, como se muestra en el dibujo más a la derecha de la Figura 11. La resolución de la altura se puede manipular variando el tamaño de la salida y/o el caudal másico del material extruido y/o la distancia entre la boquilla 101 y el cuerpo subyacente 103.

Sin embargo, la presencia de un baño de fusión es opcional y sus ventajas dependerán de factores tales como la temperatura requerida para una fusión completa. En algunas realizaciones de la presente invención, el material extruido depositado suministra la energía de fusión requerida por su calor latente, en caso de extrusión de líquido y temperatura más alta, de modo que la solidificación no ocurre por enfriamiento, sino más bien como transferencia a energía de fusión para una unión adecuada del material extruido sobre el cuerpo subyacente. Por lo tanto, en algunos casos, crear un baño de fusión demasiado grande sobre la pieza de trabajo y depositar metal líquido significaría que la solidificación se realiza principalmente por enfriamiento, lo que no es energéticamente eficiente y limita la velocidad de construcción.

Las realizaciones de la presente invención permiten proporcionar una pieza de trabajo fabricada, por ejemplo, una pieza de metal, de buena resolución, combinada con una buena resistencia de unión, permitiendo al mismo tiempo la automatización y alta velocidad del proceso. En algunas realizaciones, el material que se está depositando y el material del cuerpo subyacente son los mismos (excepto durante la deposición de la primera capa, donde el material se deposita sobre un material base que puede no ser el mismo que el material del producto extruido). En algunas realizaciones, ambos son metales; por ejemplo, el mismo metal. Sin embargo, la invención no se limita a ello. Por ejemplo, un cuerpo subyacente (por ejemplo, una pieza fabricada) puede estar formado parcialmente por un primer material, y el producto extruido puede ser de un segundo material. Se proporciona un chorro de plasma térmico, y está adaptado para calentar el material del cuerpo subyacente, para reducir la diferencia de temperatura entre el cuerpo subyacente y el producto extruido depositado.

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un dispositivo para la fabricación aditiva, especialmente la fabricación aditiva de materiales altamente conductores del calor tales como los metales. Cuando en el resto de la descripción se mencionan "metales", debe entenderse que significa "materiales altamente conductores de calor", que pueden incluir materiales distintos de los metales.

En lo que sigue, cuando se hace referencia a "plasma" o "chorro de plasma" (o simplemente "chorro"), se hace referencia al plasma térmico y al chorro de plasma térmico, por ejemplo, plasma y chorro de plasma a una temperatura de 5.000 °C o superior, por ejemplo, de hasta 15.000 °C.

La Figura 1 muestra un dispositivo ejemplar 100 de acuerdo con realizaciones de la presente invención. El dispositivo incluye medios 101 para extruir material altamente conductor de calor, tal como metal en estado líquido o semifluido, o medios de extrusión 101, para abreviar, que proporcionan un producto 102 extruido en estado líquido o semifluido, que puede depositarse sobre un cuerpo subyacente 103 (que puede ser un cuerpo previamente construido o una base, al inicio del proceso de fabricación, cuando se proporciona la primera capa). La zona donde el producto extruido entra en contacto con la zona subyacente se convierte en una zona de fusión.

Los medios de extrusión 101 se pueden combinar con un sistema de accionamiento 113 para impulsar el material (por ejemplo, metal) a través de una boquilla de extrusión con suficiente fuerza para extruir el material; por ejemplo, el sistema puede comprender gas a una presión controlada (por ejemplo, proporcionado por un primer sistema de presión de gas). Esto permite la extrusión sin partes móviles en contacto con el metal líquido, evitando obstrucciones. Sin embargo, la presente invención no se limita a ello, y se pueden utilizar otros sistemas, tales como un tornillo de extrusión o un pistón. Los medios de extrusión 101 proporcionan un producto extrudido 102 que muestra propiedades de flujo de plástico. Por ejemplo, el producto extruido puede ser un metal líquido o semilíquido, por ejemplo, a una temperatura por encima de su punto de fusión. En algunas realizaciones, la temperatura del producto extruido apenas alcanza el punto de fusión. En algunas realizaciones, la temperatura está cerca del punto de fusión, o incluso por debajo de él, de modo que el producto extruido presenta propiedades reológicas y fluidez. Preferiblemente, la temperatura del producto extruido supera la temperatura mínima necesaria para obtener una fusión completa entre el material depositado y el cuerpo subyacente, por ejemplo, temperatura mínima para obtener una unión con una resistencia mínima predeterminada.

El dispositivo incluye además una fuente de plasma térmico 105 adaptada para calentar el cuerpo subyacente 103 a una temperatura alta en un área muy pequeña (por ejemplo, comparable al área de contacto entre el producto extruido y el cuerpo subyacente). En algunas realizaciones de la presente invención, la fuente de plasma 105 puede ser una fuente de chorro de plasma enfocado. Aunque la presente invención también puede usar otras fuentes de plasma, por ejemplo, una fuente de microplasma, se prefiere usar una fuente que pueda producir un chorro de plasma enfocado porque se obtiene un mayor control con respecto a la colocación y localización de la zona precalentada 104 sobre el cuerpo subyacente 103. En algunas realizaciones, se puede usar una pluralidad de dichas fuentes, distribuidas alrededor de la salida de los medios de extrusión 101, mejorando la homogeneidad del calentamiento. Sin embargo, la incidencia asimétrica de plasma (por ejemplo, incidencia por una sola fuente de plasma) también puede ser ventajosa para el precalentamiento, ya que es más fácil de colocar, por lo que solo precalienta el área justo enfrente del material depositado, en la dirección del movimiento con respecto a la pieza de trabajo. El calentamiento después del depósito, por ejemplo, con otras fuentes de plasma, también podría mejorar la fusión y/o permitir el alivio de la tensión térmica inicial.

La una o más fuentes de chorro de plasma 105 proporcionan un chorro de plasma 106 enfocado sobre el cuerpo subyacente 103, con una energía tal que el material subyacente se calienta cerca, o a la temperatura de fusión, o incluso ligeramente por encima de la temperatura de fusión del material subyacente, en una zona objetivo del cuerpo subyacente, que se convierte en una zona precalentada 104. En algunas realizaciones, la fuente de plasma 105 proporciona plasma con tal energía que no se proporciona un baño de fusión, siendo el chorro de plasma un chorro de plasma térmico con una temperatura adaptada a calentar el cuerpo subyacente a altas temperaturas, por ejemplo, cerca de la temperatura de fusión del material subyacente, pero no tan alta como para producir un baño de fusión. En otras realizaciones, se proporciona un baño de fusión con un diámetro menor (por ejemplo, menos del 90%) que la resolución de impresión mínima requerida (por ejemplo, resolución lateral), por ejemplo, como en la Figura 11.

En algunas realizaciones, la fuente 105 puede proporcionar un chorro, por ejemplo, un chorro 106 enfocado de modo que la zona precalentada tenga aproximadamente el mismo diámetro que la sección transversal del producto extruido. Fuera de esta área, puede haber un gradiente de temperatura, y la temperatura del cuerpo subyacente cae rápidamente muy por debajo de la temperatura de fusión dependiendo de la resistencia térmica del cuerpo subyacente (geometría, inercia, etc.), especialmente si el material del cuerpo subyacente tiene alta conductividad térmica (que es típicamente el caso de los metales). En algunos casos, la caída de temperatura puede ser proporcional a la tercera potencia de la distancia. Por ejemplo, un área con un diámetro igual al producto extruido puede tener una temperatura entre aproximadamente 50 °C por debajo de la temperatura de fusión y la temperatura de fusión.

La zona precalentada 104 a una temperatura cercana a la temperatura de fusión incluye, o coincide sustancialmente con, la zona de fusión al entrar en contacto con el producto extruido 102. Sin embargo, es preferible que el chorro de plasma enfocado 106 no caliente el producto extruido 102 mientras se está depositando, o justo después de la deposición, para no afectar la fusión entre el producto extruido 102 y el cuerpo subyacente 103. En algunas realizaciones, la extrusión se proporciona continuamente (excepto al comienzo de una capa), por lo que el chorro de plasma no puede estar físicamente en el mismo lugar de deposición. Por lo tanto, la zona precalentada 104 se coloca debajo del producto extruido 102 que está siendo depositado por los medios de extrusión 101, o el producto extruido 102 se lleva a la zona precalentada, de modo que el producto extruido 102 se deposita sobre la zona precalentada 104, formando la zona de fusión. Por tanto, la formación de la zona precalentada precede a la deposición del producto extruido. Esto se puede realizar moviendo físicamente el cuerpo subyacente 103, que incluye la zona precalentada 104, usando, por ejemplo, un sistema de movimiento 403 como se muestra en la Figura 4 o 5. La trayectoria del chorro de plasma 106, la altura del cuerpo subyacente 103 (que puede ser adaptable por el sistema de movimiento 403) y la zona de deposición puede estar dispuesta de modo que pueda haber una pequeña distancia (por ejemplo, algunos milímetros) entre la zona donde se deposita el producto extruido 102 y la zona 104 que se precalienta mediante el chorro de plasma 106. Por ejemplo, la punta del chorro de plasma podría estar en un intervalo de 1 mm a 10 mm de distancia de la zona precalentada; la salida de los medios de extrusión se puede colocar a una distancia del cuerpo subyacente igual al espesor de una capa, de hasta 2 mm. Sin embargo, la presente invención no se limita a ello. Por ejemplo, se pueden utilizar otras distancias. Por ejemplo, el movimiento relativo de los diferentes elementos puede ser diferente, por ejemplo, la fuente de plasma 105 puede calentar la zona 104, y luego los medios de extrusión 101 pueden moverse sobre la zona precalentada 104, mientras que la posición del cuerpo 103 está fijo. En otras realizaciones alternativas, tanto el cuerpo subyacente 103 como los medios de extrusión 101 pueden moverse, de manera que el producto extruido 102 no se deposite sobre la zona 104 que está siendo calentada por el chorro de plasma 106. En algunas otras realizaciones, el chorro de plasma enfocado 106 se aplica de forma intermitente, por ejemplo, el chorro se puede apagar durante la deposición, por lo que no calienta el producto extruido.

La fusión entre el producto extruido 102 y la capa superior del cuerpo subyacente 103 es proporcionada por la transferencia de calor desde el producto extruido 102 al cuerpo subyacente. La temperatura del producto extruido 102 puede ser la misma o (en la mayoría de los casos, será) más alta que la temperatura de la zona precalentada 104. La fusión se mejora mediante el precalentamiento proporcionado por el chorro enfocado 106, que compensa la pérdida rápida de calor debido a la conducción, convección y radiación, al entrar en contacto el producto extruido 102 y el cuerpo subyacente 103. El plasma térmico puede elevar la temperatura del material calentado por plasma a un valor hasta la temperatura de fusión de dicho material incluso si el material es metal, por ejemplo, metal altamente conductor de calor. Por ejemplo, la temperatura se puede elevar a un valor de hasta 50 °C por debajo de la temperatura de fusión, para el caso de un producto de aluminio extruido a 750 °C. Sin embargo, la presente invención no se limita a ello, lo que significa que la temperatura puede ser menor si la temperatura del aluminio extruido es mayor. Esta compensación se realiza sin necesidad de fundir el cuerpo subyacente 103, o con un baño de fusión no mayor que la sección transversal del producto extruido 102 o la resolución lateral requerida. La deposición se puede localizar con una resolución lateral mínima comparable al tamaño del producto extruido 102, en lugar del tamaño de un baño de fusión, que es típicamente mayor que el diámetro del producto extruido (en algunos casos dos veces más grande que el diámetro del producto extruido, o incluso más), como se muestra en la Figura 10.

En realizaciones de la presente invención, el producto extruido 102 es un producto producido a partir de, o que incluye, metal fundido o semifundido, y el plasma enfocado calienta el cuerpo subyacente 103 hasta una temperatura cercana, pero por debajo de, su punto de fusión en un área similar al área de la sección transversal del producto extruido 102 (o el área promedio de la sección transversal del producto extruido), de modo que no haya un baño de fusión en el cuerpo subyacente 103 antes de la formación de la zona de fusión al entrar en contacto con el producto extruido 102 y el cuerpo subyacente 103. La temperatura del plasma térmico puede adaptarse de modo que la temperatura del material subyacente sea más baja para una temperatura mayor del producto extruido. La temperatura del cuerpo extruido debe estar lo suficientemente por encima de su temperatura de fusión para que el material extruido contenga suficiente energía para fusionarse con las capas subyacentes. Las limitaciones para la temperatura máxima del material extruido dependen del material de la boquilla, con el fin de reducir el riesgo de daño en la boquilla, así como de la composición del material extruido, que no debe destruirse ni crear uniones (inter)metálicas no deseadas.

En algunas realizaciones, el dispositivo incluye un depósito 107, que puede contener material fundido. El producto extruido se obtiene y se extruye a partir del material en el depósito 107. El depósito 107 puede incluir un medio de calentamiento 108 que puede calentar material (por ejemplo, metal) por encima del punto de fusión. En algunas realizaciones, el metal puede fundirse en un horno, por ejemplo, un horno de inducción, o un horno de arco eléctrico, desde el cual el producto extruido 102 puede extruirse directamente.

El dispositivo puede estar al menos parcialmente sumergido en un ambiente acondicionado 109, por ejemplo, en una atmósfera de un gas elegido con respecto al tipo de material utilizado, para proteger el producto extruido 102, el cuerpo subyacente 103 y/o el material fundido en el depósito 107. En algunas realizaciones, se usa gas inerte. En realizaciones particulares, la atmósfera puede comprender principalmente gas de Ar o N2, que está disponible comercialmente.

En los casos en los que el material a depositar es metal, el dispositivo 100 de acuerdo con las realizaciones de la presente invención tiene la ventaja de que el metal puede proporcionarse en cualquier forma, tal como en polvo, gránulos, alambre o en forma de chatarra. En algunas realizaciones, el dispositivo puede incluir un sistema 110 de alimentación para alimentar material al depósito 107, antes de fundir. Por ejemplo, el sistema de alimentación 110 puede incluir una cinta transportadora o cualquier otro mecanismo adecuado. En algunas realizaciones, como se ilustra en la Figura 1, el sistema 110 de alimentación puede alimentar alambre metálico 111 al depósito 107 desde una bobina de alambre 112, que es fácil de alimentar y controlar. Además, las bobinas de alambre están ampliamente disponibles y no presentan ningún riesgo para la salud como material de alimentación.

Otras características, tales como motores y controles de motor, control de alimentación de gas y material, sistemas de movimiento mecánico para la base y/o la extrusora y la fuente de plasma pueden incluirse en el dispositivo (no se muestra en la Figura 1, pero es bien conocido en la técnica). En realizaciones particulares, los medios de calentamiento 108 pueden incluir medios de control para proporcionar suficiente energía para fundir un metal particular, y la fuente de chorro de plasma 105 puede incluir medios de control para proporcionar plasma térmico con suficiente energía para calentar el material del cuerpo subyacente 103 (p. ej., el mismo metal que el que se está depositando) a temperaturas adecuadas, p. ej., temperaturas por debajo de la temperatura de fusión, pero lo suficientemente altas para mejorar la fusión. El control puede ser automatizado y/o incluir una interfaz de usuario para el control y la configuración manuales.

El dispositivo 100 de acuerdo con las realizaciones de la presente invención no requiere necesariamente el uso de polvo, que normalmente es caro y no está fácilmente disponible. El dispositivo permite reducir los costes de consumibles y no incluye láser. Esto reduce el coste total del dispositivo, el coste y la dificultad de operación, la necesidad de experiencia y mantenimiento.

El dispositivo 100 puede incluir además medios para proporcionar presión de gas en combinación con otras partes del dispositivo. Por ejemplo, un primer sistema de presión de gas puede aplicar un primer gas 114 al depósito 107 en combinación con los medios de extrusión 101, como un sistema de impulsión 113, mejorando opcionalmente la fusión y/o extrusión, mientras que un sistema de presión de gas de plasma 115 puede proporcionar un segundo gas 116 a la fuente de plasma 105. Todos estos gases (gas en el ambiente acondicionado 109, y/o el primer y/o el segundo gas 114, 116) pueden ser gases inertes, con el fin de reducir reacciones químicas tales como, por ejemplo, oxidación del cuerpo 103 o partes del mismo, o del producto extruido 102. Los gases pueden incluir diferentes gases, o el mismo gas. Por ejemplo, solo se puede usar argón, que está ampliamente disponible.

En algunas realizaciones, la fuente de plasma 105 puede incluir una pistola de chorro de plasma 200 no transferida, mostrada en la Figura 2. Dicha pistola incluye una antorcha de plasma 201 y una boquilla 202. La antorcha 201 y la boquilla 202 pueden conectarse a una fuente de voltaje 203 de modo que haya una diferencia de potencial entre ellos. Por ejemplo, la antorcha de plasma 201 puede ser un cátodo y la boquilla 202 un ánodo. Una corriente eléctrica 204 forma un arco entre la antorcha y la boquilla, calentando el gas 116 y generando plasma dentro de la boquilla, que se libera como el chorro de plasma 106, permitiendo un enfoque muy preciso en el área donde se depositará el producto extruido.

En otras realizaciones, la fuente de plasma incluye una pistola de chorro de plasma transferido enfocado. Dicha pistola de plasma 300, mostrada en la Figura 3, incluye una antorcha de plasma 301 conectada a una fuente de voltaje 203, de modo que la antorcha de plasma 301 actúa como cátodo, respectivamente ánodo. La fuente de voltaje 203 está además conectada al cuerpo subyacente 103, por lo que actúa como ánodo, respectivamente cátodo. En algunas realizaciones, la fuente puede incluir una boquilla 302 para controlar la salida de gas. En este caso, la corriente eléctrica 303 forma un arco entre la antorcha y el cuerpo subyacente, y el plasma se puede proporcionar a una temperatura muy alta de forma segura, con menos riesgo de dañar la boquilla o la antorcha, mientras que la boquilla aún permite un enfoque controlado del plasma.

El canal de la boquilla de plasma puede ser, por ejemplo, entre 5 y 10 veces más largo que su diámetro. Puede estar formado por ejemplo por una boquilla con una abertura de 1 mm. Sin embargo, la presente invención no se limita a estos valores, y se pueden utilizar otras geometrías que permitan generar ventajosamente un flujo completamente desarrollado, de manera que se pueda proporcionar ventajosamente un chorro recto, estable, enfocado y simétrico en la salida.

En algunas realizaciones, la dimensión lateral de la zona precalentada 104 (a una temperatura promedio cercana a la temperatura de fusión del cuerpo subyacente) debería, por ejemplo, no ser mayor que la resolución deseada y no menor que la mitad de la dimensión lateral del área de la sección transversal del producto extruido (la dimensión lateral que define la resolución lateral), con el fin de proporcionar una fusión aceptable. Para secciones donde se requiere menos resolución que el tamaño del diámetro de la boquilla, el espacio entre la boquilla 101 y la pieza de trabajo 103 se puede aumentar, dando como resultado un diámetro extruido más grande, por ejemplo, proporcionando un producto extruido 104 similar a una gota que aumenta su tamaño lateral cuando se separa de la salida 120 de los medios de extrusión 101, como resultado de la tensión superficial.

Además, se puede proporcionar control de la fusión, por ejemplo, proporcionando control de la temperatura del producto extruido 102. Además, el control de plasma puede incluirse opcionalmente, por ejemplo, incluyendo medios de control, para controlar la temperatura de la zona precalentada. En general, los medios de control permiten adaptar la transferencia de calor y la transformación de la energía térmica del producto extruido en energía de fusión.

La Figura 4 y la Figura 5 muestran una configuración en la que un medio de control 401,501 (por ejemplo, una unidad de control, unidad de procesamiento, etc.) está conectado al menos a la fuente de plasma, para ajustar la potencia y/o el enfoque del chorro de plasma, ajustando así el calor transferido al cuerpo subyacente 103. El ajuste puede basarse en algoritmos predictivos que incluyen el modelo 3D del objeto que se está fabricando, o puede basarse en la lectura directa de parámetros relacionados con la fusión, por ejemplo, la medición de la temperatura de la zona precalentada y cambios de la misma. La Figura 4 muestra un ejemplo del primero, mientras que la Figura 5 muestra un ejemplo del último.

En el dispositivo particular 400 de la Figura 4, los medios de control 401 están conectados a la fuente de plasma 105 y a la unidad de control 402 del sistema de movimiento 403 para proporcionar movimiento relativo entre la base y el cuerpo subyacente 103 y los medios de extrusión 101. En las realizaciones, el sistema de movimiento 403 puede ser un sistema de traducción, que puede proporcionar movimiento dentro de un plano para la deposición de capas de producto extruido en una trayectoria, y movimiento perpendicular a ese plano, para proporcionar capas apiladas. La traducción también puede incluir rotación. El medio de control 401 toma información con respecto a la geometría, espesor, cantidad de material necesario para la deposición, etc., de un modelo 3D del cuerpo, que es utilizado por la unidad de control 402 para controlar la trayectoria de los productos extruidos cuando se depositan capas de productos extruidos. Esta información puede usarse para anticipar el calor requerido para elevar localmente la temperatura del cuerpo subyacente 103 cerca, pero por debajo, de la temperatura de fusión en la zona precalentada 104.

En algunas realizaciones de la presente invención, los medios de control 401 de la fuente de plasma y la unidad de control 402 del sistema de movimiento 403 están integrados en el mismo módulo. Por ejemplo, pueden ser la misma unidad. Las una o más unidades de control y medios de control de acuerdo con las realizaciones de la presente invención pueden comprender controladores, unidades de procesamiento, tablas de consulta, etc.

El sistema de movimiento 403 puede incluir motores, unidades de transmisión, deslizadores, correas, etc., y puede proporcionar movimiento de los medios de extrusión 101, o del material subyacente 103 y su base, o de una combinación de ambos, en los tres ejes del espacio. El medio de control 401 obtiene la información del modelo 3D e incluye un algoritmo, por ejemplo basado en un modelo o en tablas de consulta, vinculando la cantidad y distribución de vóxeles (elementos de volumen, análogos a los píxeles en una imagen 2D) del modelo 3D con la potencia de plasma requerida, para proporcionar suficiente calor al cuerpo subyacente 103 para aumentar su temperatura suficiente para ablandar el material subyacente, o para alcanzar la temperatura de fusión pero con fusión limitada o nula, en la zona precalentada 104. El algoritmo puede tener en cuenta el grosor del cuerpo subyacente y su material, por ejemplo, lo que afecta la conductividad del calor localmente. El algoritmo también puede tener en cuenta la temperatura de fusión del material (por ejemplo, metal) que se deposita y/o en el cuerpo subyacente, la temperatura esperada del producto extruido (por ejemplo, teniendo en cuenta la pérdida de calor durante la extrusión), el caudal másico, etc. La retroalimentación también se puede incluir por medio de un sensor (no se muestra en la Figura 4), tal como un sensor de corriente de plasma, codificador, etc.

Por ejemplo, puede ser necesaria una cantidad predeterminada de energía para alcanzar solo la temperatura de fusión (o justo por debajo de la temperatura de fusión sin superarla, para limitar o evitar la formación de un baño de fusión) de un bloque grueso de material que se extiende unos pocos centímetros hacia abajo y en las direcciones X-Y laterales, pero solo en un área limitada de la misma. Esta potencia predeterminada será mayor que la potencia necesaria para obtener el mismo efecto sobre una pared delgada del cuerpo subyacente (por ejemplo, alcanzando la máxima resolución lateral). El medio de control es capaz de adaptar, con el algoritmo predictivo, la potencia de la fuente de plasma para evitar la formación de baños de fusión sobre el cuerpo subyacente. Por tanto, los medios de control pueden variar la potencia del plasma a medida que avanza la fabricación y la adición de capas, teniendo en cuenta el modelo 3D utilizado por el dispositivo para construir el objeto en el algoritmo. Esto también se explica con referencia a la Figura 9.

Opcionalmente, los medios de extrusión 101 y/o el horno 108 también pueden recibir instrucciones de los medios de control 401 para adaptar la velocidad de extrusión y/o la temperatura del material fundido en el depósito y/o la temperatura del producto extruido.

En el dispositivo particular 500 de la Figura 5, el medio de control 501 está conectado a la fuente de plasma 105 y al menos a un medio de detección 502. En algunas realizaciones, el medio de detección 502 incluye la detección de temperatura, que mide la temperatura del cuerpo subyacente. Por ejemplo, se pueden utilizar uno o más sensores de temperatura para detectar la temperatura del cuerpo subyacente 103 en al menos el área donde se deposita el producto extruido 102 (en la zona de fusión), opcionalmente en las áreas circundantes. Por ejemplo, se puede utilizar un pirómetro, pero también se pueden utilizar otros tipos (sensores IR, etc.). Sin embargo, la presente invención no se limita a ello, y se pueden usar otros medios de detección 502, por ejemplo, para obtener una medida que puede estar relacionada con la energía, tal como una medida de temperatura, o tal como por ejemplo medios para detectar la viscosidad o dureza del producto extruido y/o el cuerpo subyacente y/o su zona precalentada, absorción o cualquier otro parámetro representativo de la energía requerida para fusionar el producto extruido y el cuerpo subyacente. En realizaciones alternativas, también se puede tener en cuenta la masa y/o la capacidad calorífica del cuerpo subyacente 103.

En algunas realizaciones, la fuente de chorro de plasma 105 se puede configurar de modo que su chorro de plasma 106 pueda proporcionar energía a una zona predeterminada 104 del cuerpo subyacente 103 para aumentar su temperatura, por debajo de la temperatura de fusión del material del cuerpo subyacente 103, pero cerca de la misma. Los medios de detección 502 pueden leer la temperatura de la zona precalentada 104 y enviar la medición a los medios de control 501 que, al detectar que se va a alcanzar el límite superior de la temperatura de fusión, pueden controlar la fuente de chorro de plasma 106 de manera que el calor proporcionado por el chorro de plasma sea tal como para no superar la temperatura de fusión, preferiblemente ni siquiera alcanzarla. Además, si las mediciones de temperatura dan como resultado una temperatura inferior a un umbral inferior predeterminado, los medios de control 501 pueden controlar la fuente de plasma 105 para aumentar el calor que proporciona el chorro de plasma 106. Este umbral inferior predeterminado puede ser la temperatura de fusión o puede ser menor, por ejemplo, estimado por tablas de consulta, y/o basado en un modelo térmico y geometría del cuerpo subyacente obtenido del modelo del producto que se fabrica, y/o la energía necesaria para proporcionar uniones suficientemente fuertes, dependiendo de los materiales y aplicaciones.

En una realización, los medios de control 501 controlan la potencia del plasma cuando se detecta un cambio de comportamiento de la temperatura. Por ejemplo, cuando la temperatura deja de aumentar durante la aplicación de plasma, puede ser una indicación de que el calor proporcionado por el chorro de plasma y las pérdidas de calor están en equilibrio, por lo que los medios de control 501 pueden mantener la potencia constante o reducir la potencia de modo que se limite o evite la fusión, y/o variar otros parámetros, tales como la velocidad de deposición proporcionada por el sistema de movimiento y/o los medios de extrusión.

Las realizaciones mostradas en la Figura 4 y la Figura 5 también pueden combinarse. Por ejemplo, el sistema de movimiento 403 puede recibir instrucciones e información de los medios de control 501, por ejemplo, para reducir o aumentar el movimiento y la velocidad para mantener constante la temperatura detectada por el elemento sensor 502. Opcionalmente, los medios de control 501 pueden ser programados también para dar instrucciones a los medios de extrusión 101 (y/o al horno) para adaptar la velocidad y temperatura de extrusión, análogamente a la Figura 4.

Por ejemplo, las mediciones de temperatura se pueden tener en cuenta mediante el algoritmo de los medios de control 401 de la Figura 4, por ejemplo, como una fuente extra de información y control. Por lo tanto, además del bucle de retroalimentación de la realización de la Figura 5, los medios de control pueden incluir un algoritmo predictivo como en los medios de control de la realización de la Figura 4, y el bucle de retroalimentación y la medición de temperatura se pueden utilizar como verificación adicional y mayor control.

En algunas realizaciones, un usuario puede introducir información con respecto al material a depositar, a través de una interfaz de usuario, o por otros medios (por ejemplo, mediciones adicionales) en un medio de control. El algoritmo puede tener acceso a una tabla de consulta con temperaturas de fusión para una lista de materiales y/o diagramas de fase para compuestos tales como aleaciones. Los medios de control controlan entonces la potencia del plasma, de modo que la potencia del plasma se reduce o aumenta de acuerdo con un algoritmo predictivo, o cuando los medios sensores de temperatura miden una temperatura cercana o en la temperatura de fusión, o mediante una combinación de ambas.

Para controlar la cantidad de calor que proporciona el chorro de plasma 106, los medios de control pueden variar la activación de la fuente de plasma 105. La forma específica de hacerlo depende del tipo de pistola de plasma utilizada. Por ejemplo, se puede hacer controlando la distancia entre la pistola y el cuerpo subyacente. El enfoque también se puede controlar, pero se prefiere un calentamiento localizado. También se puede hacer controlando el voltaje y/o la corriente del plasma, por ejemplo, controlando la corriente entre los electrodos, o la cantidad de gas proporcionada, o la distancia entre los electrodos (por ejemplo, los electrodos como se muestra en Figura 2 o Figura 3), etc. Por ejemplo, la potencia del plasma puede controlarse controlando la distancia del electrodo y puede usarse ventajosamente para poner en marcha el plasma de forma controlada. La distancia se puede aumentar de forma controlada y al mismo tiempo aumentar la corriente. Así, se obtiene desde el principio un posicionamiento del plasma controlable y una energía del plasma. Los dispositivos de generación de plasma estándar (tales como los cortadores y soldadores de plasma comerciales) utilizan el principio de alta frecuencia (HF) o de inicio por contacto, que no están a favor principalmente con respecto a la interferencia electromagnética. Los principios de retracción de electrodos también se utilizan en dispositivos comerciales. Estos tienen un arranque menos controlado (y puede ser difícil controlar, solo se requiere poca potencia de plasma) pero también es posible usarlos en la presente invención. La combinación de (cambio en la distancia del electrodo y la corriente) brinda flexibilidad adicional

La precisión de la fabricación y del modelado se puede mejorar añadiendo técnicas de fresado, permitiendo obtener superficies más lisas y esquinas más definidas. El uso de técnicas de fresado suele ser difícil de integrar con los sistemas típicos de impresión de metales, por ejemplo, en el caso de los sistemas de polvo; sin embargo, en las realizaciones de la presente invención, la resistencia de la unión es lo suficientemente alta, incluso justo después de la deposición, para permitir combinar FFD con técnicas de fresado. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 5, el dispositivo puede incluir un sistema de fresado 503 integrado en el dispositivo, por ejemplo, dentro del entorno condicionado 109. Estas técnicas de fabricación aditiva pueden combinarse con técnicas de fabricación sustractiva. La flexibilidad del diseño mejora y los costes de producción se pueden reducir.

El dispositivo de la presente invención proporciona la fabricación aditiva de cuerpos y piezas que contienen metales típicamente difíciles de usar en este tipo de tecnología. Por ejemplo, estos metales pueden ser metales altamente conductores de calor. Por ejemplo, el aluminio es un material muy interesante en la industria, debido a su alta relación resistencia/peso, reciclaje, procesamiento y disponibilidad relativamente fáciles. Sin embargo, la fabricación aditiva con láseres es difícil de realizar en aluminio debido a su baja absorbancia. La presente invención permite una fabricación rápida con buena resolución, aprovechando su punto de fusión relativamente bajo. El dispositivo puede incluir medios de calentamiento 108 que proporcionan temperaturas superiores a 660 °C, y una fuente de plasma 105 que proporciona una energía suficiente para aumentar la temperatura del aluminio hasta la temperatura de fusión (550 °C-660 °C dependiendo de la aleación utilizada, por ejemplo, al menos 540 °C (dependiendo de la aleación, en un área de como máximo 1,5 mm2, dependiendo de la resolución solicitada).

Sin embargo, el uso o aplicación del dispositivo de acuerdo con las realizaciones de la presente invención no se limita al aluminio, y puede usarse para proporcionar fabricación aditiva de cuerpos, incluido cualquier otro material altamente conductor del calor, en particular otros metales, ya sean puros. o mezclados con otros elementos; por ejemplo, se puede utilizar con acero y aleaciones de acero, acero inoxidable y sus aleaciones, latón, cobre, titanio, etc. Además, la presente invención no se limita a los metales. También se pueden usar cerámicas, polímeros y similares.

En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un método para la fabricación aditiva, específicamente FFD, que incluye precalentar localmente un área del cuerpo subyacente, a una temperatura promedio justo por debajo de la temperatura de fusión del cuerpo subyacente (por ejemplo, por debajo de la temperatura de fusión del material, por ejemplo, metal, que forma el cuerpo subyacente), y proporciona un producto extruido de material líquido o semilíquido, donde el área de contacto entre el cuerpo subyacente y el producto extruido tiene sustancialmente la misma área que el área que está precalentada. El precalentamiento se puede realizar mediante plasma térmico. Uno o más chorros de plasma térmico enfocados pueden proporcionar un área tan pequeña, sin que la presente invención se limite a ellos. Normalmente, el producto extruido depositado y el cuerpo subyacente comprenden o están compuestos por el mismo material (por ejemplo, el mismo metal), pero la presente invención no se limita a ellos. El método está adaptado para que el producto extruido no se caliente preferiblemente durante la deposición o inmediatamente después, solo se precalienta la zona del cuerpo subyacente donde se depositará el producto extruido.

El método puede ser un método de fabricación aditiva de cuerpos que comprenden o consisten en metales, por ejemplo, metales altamente conductores de calor.

La Figura 6 muestra las etapas de un método ejemplarizante de la presente invención. El método incluye proporcionar 601 una columna de plasma, formando un chorro de plasma térmico enfocado, para precalentar 602 un área predeterminada (zona precalentada 104) a una temperatura promedio preferiblemente cercana, pero por debajo de, la temperatura de fusión del cuerpo subyacente 103. El área de la zona precalentada 104 puede ser comparable al área de contacto entre el producto extruido depositado y el cuerpo subyacente (zona de fusión).

El método incluye proporcionar 603 un producto extruido, por ejemplo, un producto en forma de filamento o en forma de gota de material fluido, por ejemplo, metal fundido, para realizar la deposición. Esto puede incluir una etapa previa de proporcionar 604 material fundido (por ejemplo, metal, por ejemplo, metal altamente conductor de calor, por ejemplo, aluminio). La deposición de material mediante la extrusión de un producto de dicho material tiene la ventaja de que es más rápida que, por ejemplo, la deposición por gotitas, mientras que todavía es posible proporcionar una deposición precisa. Además, no necesita etapas adicionales (como sinterización o curado) después de la formación del cuerpo, evitando los efectos de contracción, por ejemplo.

La etapa de proporcionar 604 metal fundido puede incluir proporcionar y fundir 605 chatarra o alambre, pero la presente invención puede usar cualquier otra fuente de metal tal como polvo, gránulos, etc.

El método incluye aplicar o depositar 606 el producto extruido sobre el área predeterminada posteriormente al precalentamiento 602. Por ejemplo, el producto extruido 102 puede depositarse mientras el chorro de plasma 106 está apagado. En otras realizaciones, se proporciona extrusión y deposición continua, proporcionándose el plasma sobre una zona objetivo, que se convierte así en la zona precalentada 104, y el sistema de movimiento 403 lleva la zona 104 precalentada al lugar donde el producto extruido 102 y el cuerpo subyacente 103 entrarán en contacto mientras se proporciona al plasma una zona objetivo adicional para calentar, avanzando así el calentamiento del cuerpo subyacente y la posterior deposición; o viceversa, el sistema 403 lleva el producto extruido 102 a la zona precalentada 104 mientras el plasma avanza a una zona objetivo adicional.

El método comprende proporcionar 607 una capa, formando así una capa adicional del cuerpo subyacente, por ejemplo, mediante un movimiento bidimensional proporcionado por el sistema de movimiento 403. El apilamiento se puede proporcionar mediante métodos conocidos, por ejemplo, el sistema de movimiento puede mover el cuerpo subyacente lejos de los medios de extrusión a una distancia predeterminada (por ejemplo, dependiendo del diámetro del producto extruido, orientación, etc.), y proporcionar la capa adicional. El método se repite hasta que, finalmente, el método proporciona 608 una pila de capas final.

Se pueden realizar otras etapas opcionales, tales como el fresado intermedio o final, o el tratamiento térmico para el alivio del estrés térmico para obtener las propiedades (metalúrgicas) deseadas, según la aplicación.

En algunas realizaciones, proporcionar 601 plasma comprende controlar 609 dicho plasma, con el fin de evitar el sobrecalentamiento y la formación de un baño de fusión sobre el cuerpo subyacente.

En general, el método de la presente invención se puede combinar con software estándar. Por ejemplo, se puede proporcionar un archivo 3D legible del objeto a imprimir (por ejemplo, un archivo STL). Un medio de control 401,402, 501 (ya sea externo o el mismo que la unidad de control 401, 402 que regula el sistema de movimiento para proporcionar la operación de impresión) como se muestra en la Figura 4 o 5 puede incluir un algoritmo de control de plasma, que puede estar basado en un modelo o tabla de consulta, basado en la entrada del sensor (por ejemplo, entrada de sensor de temperatura), o ambos. Por ejemplo, el algoritmo puede incluir una relación entre la cantidad de vóxeles vecinos, el grosor de la pared y la potencia de plasma requerida, basada en experimentos y/o modelos teóricos. La unidad o unidades de control pueden incluir un software de corte, para la generación de códigos de control numérico del controlador de la máquina (por ejemplo, códigos G). En algunas realizaciones de la presente invención, el software de la cortadora puede incluir parámetros adicionales tales como temperaturas, caudal másico de extrusión y/o potencia del plasma.

La unidad de control, u opcionalmente, un controlador del sistema de movimiento puede proporcionar la traducción de los códigos de control numérico del software de la cortadora (por ejemplo, los códigos G) a los comandos del motor, y también teniendo en cuenta la potencia de plasma requerida. Si la potencia de plasma requerida es alta (respectivamente baja), el movimiento puede ser más lento (respectivamente más rápido) y el caudal másico menor (respectivamente mayor), por ejemplo. Además, se puede proporcionar el control de la masa del producto extruido y/o de su temperatura.

Adicional u opcionalmente, se puede incluir detección de temperatura, formando un circuito cerrado de control del flujo de gas, potencia del plasma, caudal másico, etc.

El controlador puede proporcionar el control de los controladores de motor del sistema de movimiento, de los controladores de plasma y válvulas de gas, etc. También se puede incluir la retroalimentación del sensor, para adaptar los comandos del controlador si es necesario.

En general, se pueden agregar parámetros adicionales en los códigos al software de corte de acuerdo con las realizaciones de la presente intención. Estos parámetros incluyen temperatura, temperatura de fusión, potencia del plasma y caudal másico del producto extruido. Estos parámetros se pueden determinar mediante modelos, experimentalmente, en una tabla de consulta, etc.

La Figura 7 muestra un método ejemplarizante de controlar 709 el plasma, sin requisito de medición de temperatura. Primero, la señal de potencia de plasma requerida se determina 701 y se envía a los medios de control (que pueden estar integrados en el controlador 402 del sistema de movimiento, como se explicó anteriormente). La potencia de plasma requerida es la potencia necesaria para aumentar la temperatura cerca, pero por debajo, de la temperatura de fusión del material que forma el cuerpo subyacente. Luego, basándose en la calibración/modelado, la señal de potencia de plasma se traduce 702 a señales de control para el control real de la fuente de plasma 105, por ejemplo, variando la distancia del electrodo (y la corriente de plasma), aunque se puede usar cualquier otro método. Las señales de control se envían 703 a una unidad o unidades de control específicas, por ejemplo, a unidades de control dedicadas (por ejemplo, para el control de la distancia del electrodo) en la fuente 105. Otros codificadores y sensores para detectar la potencia del plasma generan 704 señales de retroalimentación para la unidad o unidades de control específicas en la fuente 105 o en la unidad de control 401, 501. Por ejemplo, un codificador de posición para la distancia del electrodo y/o sensor(es) de corriente proporcionan retroalimentación a las unidades de control específicas.

La Figura 8 muestra otro método ejemplarizante de controlar 809 el plasma, incluida la medición de temperatura. La señal de potencia de plasma requerida se determina 801 y se envía a la unidad de control 501; entonces la señal de potencia se traduce 802 a una señal de control, que se envía 803 a una unidad o unidades de control específicas, por ejemplo, a unidades de control dedicadas (por ejemplo, para el control de la distancia del electrodo) de la fuente 105 de forma análoga al caso anterior. Sin embargo, en este caso, la temperatura se mide a 804 °C en al menos el punto (zona de fusión) donde se depositará el producto extruido, por ejemplo, utilizando medios de detección 502. La temperatura puede medirse con un pirómetro o un sensor de infrarrojos, por ejemplo. Después, las medidas de temperatura se traducen 805 a una señal de retroalimentación de corrección (por ejemplo, la traducción puede tener lugar en los propios medios de control). Luego, la unidad de control 501, o la unidad o unidades de control específicas en la fuente 105, corrigen la potencia basándose en mediciones de temperatura en tiempo real, por ejemplo, cambiando la distancia del electrodo y la corriente de plasma.

La Figura 9 muestra otro método ejemplarizante de controlar 909 el plasma, mediante métodos predictivos. El método incluye obtener información geométrica y de vóxeles 901 del modelo 3D del cuerpo, recuperando así información 902 con respecto al cuerpo subyacente, de un archivo de software utilizado para controlar el movimiento del sistema. El método también incluye obtener información (temperatura de fusión, viscosidad, etc.) sobre el material del cuerpo subyacente y/o el material a depositar. Esto puede incluir seleccionar los materiales de una tabla de consulta, por ejemplo. Este método permite predecir cuánto calor es necesario para aumentar la temperatura, pero evitando el baño de fusión, sobre una zona del cuerpo subyacente, en tiempo real. Por tanto, se puede proporcionar el plasma requerido 904. El chorro de plasma se puede controlar de acuerdo con cualquiera de los métodos mostrados anteriormente.

Los métodos mostrados en las Figuras 7, 8 y 9 no son mutuamente excluyentes y pueden combinarse. Por ejemplo, la etapa de obtener 701,801 la señal de plasma requerida puede incluir el método descrito con referencia a la Figura 9.

El control de la temperatura del producto extruido, la temperatura de la zona precalentada, el flujo de masa, la velocidad de deposición y otros parámetros pueden elegirse con respecto al material que se está depositando y el material del cuerpo subyacente, para mejorar (por ejemplo, optimizar) la calidad de la fusión. Por ejemplo, la temperatura del producto extruido puede superar su temperatura de fusión (por lo que se proporciona un producto líquido), mientras que el plasma proporciona una zona precalentada a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión, por lo que no se proporciona un baño de fusión, o localmente a una temperatura ligeramente por encima de la temperatura de fusión, para limitar el baño de fusión a un tamaño no mayor que la resolución deseada.

La Figura 12 muestra la sección transversal de un producto extruido depositado 102 unido a un cuerpo subyacente 103. La resolución lateral se compara con la sección transversal de la zona de contacto entre el producto extruido depositado 102 y el cuerpo subyacente 103, y la sección transversal de la zona de fusión, donde la fusión real tiene lugar entre el producto depositado 102 y el cuerpo subyacente 103. En realizaciones preferidas, el control paramétrico es tal que la resolución lateral, la sección transversal de la zona de contacto y la sección transversal de la zona de fusión son lo mismo.

En algunas realizaciones, el método puede incluir una etapa de fresado de cualquiera de las capas intermedias o pila de capas. Es ventajoso que el fresado se pueda proporcionar como una etapa intermedia, durante la deposición, mejorando la flexibilidad del diseño.

La presente invención tiene aplicaciones que se extienden, pero no se limitan a, la creación de prototipos de productos metálicos, la producción en serie de componentes ligeros complicados (gracias a la habilitación de la fabricación aditiva de metales ligeros tales como el aluminio), la ingeniería metalúrgica o el diseño de motores y presión axial e incluso aplicaciones de gravedad cero.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo (100, 400, 500) para la fabricación aditiva, comprendiendo el dispositivo

- medios (101) para extruir material metálico en estado fluido, para depositar un producto extruido (102) sobre un cuerpo subyacente (103),

- al menos una fuente de plasma (105) para proporcionar al menos un chorro de plasma (106) a una zona objetivo del cuerpo subyacente (103), para obtener una zona precalentada (104),

caracterizado porque el dispositivo (100, 400, 500) está dispuesto de modo que la al menos una fuente de plasma (105) proporcione al menos un chorro de plasma térmico (106) a la zona objetivo del cuerpo subyacente (103), con una energía tal que el material subyacente se calienta cerca, a o por encima de la temperatura de fusión del material subyacente, y los medios (101) para extruir el material están adaptados para depositar un producto extruido (102) sobre la zona precalentada (104) del cuerpo subyacente (103), para mejorar la fusión entre el cuerpo subyacente y el producto extruido.

2. El dispositivo (100, 400, 500) de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la fuente de plasma (105) es una fuente de chorro de plasma enfocado para proporcionar un chorro de plasma térmico enfocado.

3. El dispositivo (100, 400, 500) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un depósito (107) que incluye un medio de calentamiento (108) para fundir material para extrusión, en el que el depósito (107) está opcionalmente adaptado para recibir y fundir chatarra.

4. El dispositivo (100, 400, 500) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio (101) para extruir material está adaptado para depositar el producto extruido (102) sobre una zona separada físicamente de la zona donde al menos una fuente de plasma (105) proporciona el chorro de plasma térmico (106), el dispositivo (100, 400, 500) incluye además un sistema de movimiento (403) para proporcionar la zona precalentada (104) a una ubicación donde el medio (101) para la extrusión de material deposita el producto extruido (102).

5. El dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además medios de control (401, 501) para controlar la al menos una fuente de plasma (105) para regular la temperatura de la zona precalentada (104) proporcionada por el al menos un chorro de plasma térmico (106).

6. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende además un medio de detección (502) para medir un parámetro relacionado con la energía de fusión, y el medio de control (501) que comprende además un circuito de retroalimentación para controlar la fuente de chorro de plasma (105) para adaptar al menos la temperatura de la zona precalentada (104), basada en la medición de los medios sensores (502).

7. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, en el que los medios de control (401, 501) incluyen además un algoritmo para controlar la fuente de plasma (105), basado al menos en dos de:

- la relación entre la cantidad y la distribución de vóxeles en el volumen cercano a la zona de fusión,

- el valor de la temperatura de fusión del material, y

- la tasa de construcción de objetos

para limitar la zona precalentada (104) a un área similar al área de contacto entre el producto extruido (102) y el cuerpo subyacente (103).

8. Un método para realizar la fabricación aditiva que comprende las etapas de:

- extruir material metálico en un estado fluido, formando así (603) un producto extruido (102),

- proporcionar (601) al menos un chorro de plasma (106) sobre una zona objetivo de un cuerpo subyacente (103), formando así una zona precalentada (104) sobre el cuerpo subyacente (103),

- depositar (606) el producto extruido (102) sobre la zona precalentada (104) del cuerpo subyacente (103), fusionando así el producto extruido (102) con el cuerpo subyacente (103),

en el que proporcionar (601) al menos un chorro de plasma (106) comprende proporcionar al menos un chorro de plasma térmico (106) con una energía tal que el material subyacente se calienta cerca, a o por encima de la temperatura de fusión del material subyacente, y eliminar el chorro de plasma térmico (106) de la zona precalentada (104) antes de depositar el producto extruido (102), para mejorar la fusión entre el cuerpo subyacente (103) y el producto extruido (102).

9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que proporcionar (601) al menos un chorro de plasma térmico comprende poner en contacto los electrodos de una fuente de plasma, formar un arco de plasma, separar los electrodos, formando así un chorro de plasma térmico.

10. El método de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, en el que proporcionar (601) al menos un chorro de plasma térmico (106) en una zona objetivo de un cuerpo subyacente (103) comprende proporcionar (601) al menos un chorro de plasma térmico (106) para elevar localmente la temperatura del cuerpo subyacente (103) en la zona precalentada (104) hasta una temperatura media cercana o superior a la temperatura de fusión del material del cuerpo subyacente (103).

11. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que comprende además medir (804) el parámetro relacionado con la energía de fusión en la zona precalentada (104) y controlar (805) al menos el chorro de plasma térmico (106) teniendo en cuenta los resultados de la medición en o cerca de la zona precalentada (104) para mantener la temperatura media de la zona precalentada (104) a o por debajo de la temperatura de fusión.

12. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, que comprende, además

- obtener (901) información geométrica y de vóxeles del cuerpo subyacente (103),

- obtener (903) información sobre la temperatura de fusión del cuerpo subyacente (103) y la temperatura del material extruido (102), y

- controlar (609, 709, 809) el chorro de plasma térmico (106) adaptando así la transferencia de calor teniendo en cuenta la información geométrica y de vóxeles del cuerpo subyacente (103), para mantener la temperatura media de la zona precalentada (104) a la temperatura de fusión o por debajo de ella para reducir el baño de fusión a una anchura comparable o menor que la resolución lateral requerida, o para evitar la presencia de un baño de fusión.

13. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en el que la extrusión de material comprende la extrusión de metal altamente conductor del calor.

14. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en el que proporcionar (601) al menos un chorro de plasma térmico comprende proporcionar (601) un chorro de plasma térmico formando así la zona precalentada, antes de depositar (606) el producto extruido sobre el zona calentada, en el que opcionalmente proporcionar (601) un chorro de plasma térmico antes de depositar (606) el producto extruido (104) comprende además proporcionar un movimiento relativo continuo entre el cuerpo subyacente (103) y el chorro de plasma térmico.

15. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que proporcionar (603) un producto extruido comprende proporcionar (604) metal fundido, opcionalmente en el que proporcionar (604) metal fundido comprende fundir (605) chatarra.