ES2906100T3 - Máquina de funcionamiento por láser para la fabricación aditiva mediante tratamiento térmico por láser, en particular mediante fusión, y procedimiento correspondiente - Google Patents

Abstract

Máquina de funcionamiento por láser (10) para la fabricación aditiva de objetos, mediante un proceso de tratamiento térmico por láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, que comprende una estructura de movimiento (11), que es móvil en un espacio de trabajo (100) que comprende una superficie de trabajo (110), funcionando dicha máquina (10) según un primer sistema de ejes de movimiento (X, Y, Z) cartesiano y estando configurada para soportar un elemento móvil (12) que comprende una pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo que va a tratarse térmicamente, un sustrato de trabajo (100, 110) y un conjunto láser óptico (20) para transmitir un haz láser (L) para formar un punto láser (S) focalizado en dicho sustrato de trabajo (100, 110) con el fin de llevar a cabo tratamiento térmico con dichos polvos, en la que dicho elemento móvil (12) comprende: una parte superior (12a) asociada de manera fija a dicha estructura de movimiento (11), comprendiendo dicho conjunto láser óptico (20) unos medios de exploración óptica (21) para posicionar dicho punto láser (S) en el espacio de trabajo (100), que funcionan según un respectivo conjunto de ejes de movimiento (α, θ, ω), que comprende dos ejes de rotación (θ, ω) del eje (I) del haz láser (L) incidente sobre la superficie de trabajo (110), que son perpendiculares entre sí, y un eje de traslación (α) del punto láser (S) a lo largo de dicho eje (I), y que está definido en dicha parte superior (12a); una parte inferior (12b), que comprende un conducto (12e) en un extremo del cual, que desemboca en la superficie de trabajo (110), está dispuesto un armazón portaherramientas (30), sobre el cual están dispuestas dicha pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo, estando dichas boquillas (34) dispuestas sobre dicho armazón (30) de tal manera que unos ejes longitudinales (U) de las mismas formen un ángulo de inclinación (β) con respecto a dicho eje vertical (I) de tal manera que unos chorros (PJ) de dichas boquillas (34) se intersecan en un punto de deposición de polvo (PD), estando dicha parte inferior (12b) configurada para hacer girar dicho armazón (30) alrededor de un eje de armazón (ζ) paralelo a un eje vertical (Z) de dicho primer sistema de ejes cartesianos (X, Y, Z), estando dicho conjunto láser óptico (20) definido en el elemento móvil (12) de manera que envíe el haz láser (L) sobre la superficie de trabajo (110) que pasa dentro de un perímetro definido por dicha pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo, estando dicho conjunto óptico (20) configurado para enviar el haz láser (L) a través de dicho conducto (12e) y posteriormente dentro del perímetro de las boquillas (34), comprendiendo dicha máquina de funcionamiento por láser (10) una unidad de control numérico (60) configurada para gestionar el control de accionadores de la estructura de movimiento (11), del sistema óptico (20), así como de un accionador que acciona la rotación alrededor del eje de armazón (ζ) del armazón (30), estando dicha unidad (60) configurada para controlar dichos accionadores de dicho elemento móvil (12) para mover dicho armazón portaherramientas de una manera móvil con respecto a dicho conjunto óptico (20), haciendo girar dicho armazón (30) de tal manera que todos los ejes (U) de las boquillas 34, o su proyección sobre la superficie de trabajo (110), en todo momento no intercepten una dirección de avance (D) de un segmento de trabajo (WB).

Description

DESCRIPCIÓN

Máquina de funcionamiento por láser para la fabricación aditiva mediante tratamiento térmico por láser, en particular mediante fusión, y procedimiento correspondiente

Campo técnico

La presente divulgación se refiere a una máquina de funcionamiento por láser para la fabricación aditiva de objetos mediante un proceso de tratamiento térmico por láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, que comprende una estructura de movimiento, que es móvil en un espacio de trabajo que comprende una superficie de trabajo, funcionando dicha máquina según un primer sistema de ejes de movimiento cartesiano y estando configurada para soportar un elemento móvil que comprende una o más boquillas para emitir chorros de polvo que van a ser tratados térmicamente, un sustrato de trabajo y un conjunto láser óptico para transmitir un haz láser para formar un punto láser focalizado en dicho sustrato de trabajo con el fin de llevar a cabo tratamiento térmico con dichos polvos.

Pueden aplicarse diversas formas de realización al control térmico del perfil de fusión y a la orientación simultánea de las boquillas.

Antecedentes tecnológicos

El procedimiento de fabricación aditiva mediante fusión por láser consiste en la deposición de capas sucesivas de polvos metálicos que van a ser tratados térmicamente, mediante fusión o bien mediante un tratamiento térmico similar a alta temperatura tal como sinterización, para formar formas geométricas complejas. Diversos sectores de fabricación, tales como el sector del automóvil y el sector aeroespacial, están teniendo en cuenta estos procedimientos para la producción de objetos complejos de grandes dimensiones realizados de metal o aleaciones de metal. Las técnicas de crecimiento actualmente utilizadas, en particular las que conllevan deposición de polvos metálicos y posterior fusión por láser, presentan límites con respecto a las características de los objetos producidos (falta de uniformidad, porosidad, presencia de microfracturas que alteran las características de resistencia, etc.).

La tecnología de deposición de polvo de metal es una evolución de la tecnología utilizada para revestimiento con metal. Una boquilla de revestimiento alineada con el haz de una máquina de láser suministra el chorro de polvo metálico necesario para la fusión.

En el procedimiento anterior de fusión de polvos metálicos, gradientes de temperatura no controlados que se establecen entre la zona en la que ya se ha llevado a cabo la fusión (fase de calentamiento posterior), cuya temperatura está disminuyendo con respecto a una temperatura de fusión, la zona en la que está llevándose a cabo la fusión (fase de fusión), que está a la temperatura de fusión, y la zona en la que todavía tiene que llevarse a cabo la fusión (fase de calentamiento previo), que está una vez más a una temperatura inferior a la temperatura de fusión, pueden provocar una peor calidad de la deposición en cuanto a la uniformidad y porosidad, pero, sobre todo, formación de microfracturas y grietas provocadas por un alivio no controlado de los esfuerzos generados en el procedimiento. En general, el procedimiento de fabricación aditiva, al llevar a la fusión el material en el baño fundido, determina un cambio de fase (fusión) en el estado del material. Generalmente, la fase fundida presenta un volumen mayor que la fase sólida de modo que, en la etapa de solidificación, hay una contracción del material, lo cual determina, entre otras cosas, el inicio de deformaciones y esfuerzos. Cuando el material ya no resiste estos esfuerzos, se generan fracturas y las consiguientes grietas. Por tanto, las consecuencias pueden ser tanto de un tipo estético como de un tipo estructural (mayor fragilidad, desviación con respecto a las características establecidas en la fase de diseño).

Los tratamientos de precalentamiento y poscalentamiento posterior tienen el propósito de permitir que el material alivie los esfuerzos para reducir los esfuerzos internos (y, por tanto, las deformaciones), así como para prevenir fracturas. Por tanto, un control del perfil de energía aplicado a las fases de calentamiento previo, fusión y calentamiento posterior con el fin de minimizar estos gradientes de temperatura mejora la calidad del procedimiento. Sin embargo, este control, que puede obtenerse mediante perfiles de variación de los parámetros de dirección, focalización y potencia del haz de fusión por láser, es difícil de implementar en máquinas conocidas. A partir del documento WO 2015/181772 A1, presentado a nombre del presente solicitante, se conoce una máquina de fabricación aditiva que utiliza un armazón de boquilla, que permite el paso del haz láser dentro del mismo. Por tanto, el haz láser puede desplazarse dentro del armazón, permitiendo diferentes modalidades de utilización y perfiles de energía. Sin embargo, la libertad de establecer los perfiles de energía del haz láser con respecto a las zonas de calentamiento previo y calentamiento posterior está limitada por la presencia del armazón y las boquillas, lo cual no permite la orientación del haz láser en todas las posiciones. Puede haber interferencia tanto con la boquilla como con el chorro de polvo. Además, este tipo de limitación significa que la posición y orientación relativas entre la trayectoria de deposición y las boquillas cambian en función de la posición a lo largo del propio recorrido, y esto puede afectar a la propia deposición, en cuanto a la cantidad y la calidad.

Evidentemente, también pueden derivarse riesgos de intercepción de las boquillas a partir de otros tipos de proceso de tratamiento térmico y de control de los recorridos, además de los tratamientos de calentamiento previo y calentamiento posterior descritos en la presente memoria.

Objetivo y sumario

Las formas de realización descritas en la presente memoria tienen el propósito de mejorar los métodos y sistemas según la técnica anterior, tal como se comentó anteriormente.

Diversas formas de realización alcanzan el objetivo anterior gracias a una máquina de funcionamiento por láser para fabricación aditiva de objetos mediante tratamiento térmico por láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, presentando la máquina las características mencionadas en las siguientes reivindicaciones. Diversas formas de realización también se refieren a un procedimiento correspondiente para la fabricación aditiva de objetos mediante tratamiento térmico por láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión.

Las reivindicaciones forman una parte integrante de las enseñanzas técnicas proporcionadas en la presente memoria con respecto a la invención.

Breve descripción de las figuras

A continuación, se describirán diversas formas de realización, meramente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de una máquina de funcionamiento por láser;

- la figura 2 es una vista en perspectiva de un elemento móvil de la máquina de la figura 1;

- la figura 3 es una vista lateral del elemento móvil de la figura 2;

- la figura 4 es una vista en planta desde arriba del elemento móvil de la figura 2;

- la figura 5 es una vista en perspectiva de un detalle de la parte inferior del elemento móvil de la figura 2; - la figura 6 es una vista en planta desde abajo del detalle de la figura 5;

- las figuras 7A y 7B muestran el detalle de la figura 5 en dos posiciones de funcionamiento diferentes; - las figuras 8A y 8B representan un primer tipo de segmento de trabajo realizado por la máquina de funcionamiento de la figura 1;

- la figura 9 representa un segundo tipo de segmento de trabajo realizado por la máquina de funcionamiento de la figura 1;

- la figura 10 representa unos recorridos de trabajo seguidos por la máquina de funcionamiento de la figura 1; y

- la figura 11 representa una arquitectura de control de la máquina de funcionamiento descrita en la presente memoria.

Descripción detallada

En la siguiente descripción, se ilustran numerosos detalles específicos con el fin de permitir una máxima comprensión de las realizaciones proporcionadas a modo de ejemplo. Las formas de realización pueden implementarse con o sin detalles específicos o bien con otros procedimientos, componentes, materiales, etc. En otras circunstancias, estructuras, materiales u operaciones que se conocen bien no se muestran o se describen en detalle de modo que no se oculten diversos aspectos de las realizaciones. La referencia, en el transcurso de la presente descripción, a “ la forma de realización” o “una forma de realización” indica que un rasgo, estructura o característica particular descrito en relación con la realización está comprendido en al menos una realización. Por tanto, expresiones tales como “en una forma de realización” o “en la forma de realización” que pueden presentarse en diversos puntos de la presente descripción no se refieren necesariamente a una misma forma de realización. Además, los rasgos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera conveniente en una o más realizaciones.

Los términos y referencias se proporcionan en la presente memoria simplemente por conveniencia para el lector y no definen el alcance de protección o el alcance de las formas de realización.

En resumen, la máquina de funcionamiento por láser propuesta comprende una estructura de movimiento, que es móvil en un espacio de trabajo que comprende una superficie de trabajo, funcionando la máquina según un primer sistema de ejes de movimiento cartesiano y estando configurada para soportar un elemento móvil que comprende una pluralidad de boquillas para emitir unos chorros de polvo que van a ser tratados térmicamente, en particular mediante fusión, un sustrato de trabajo y un conjunto láser óptico para transmitir un haz láser para formar un punto láser focalizado en dicho sustrato de trabajo con el fin de llevar a cabo tratamiento térmico de dichos polvos, en particular fundirlos, en la que el elemento móvil comprende: una parte superior asociada de manera fija a la estructura de movimiento, estando el conjunto láser óptico definido en la parte superior; y una parte inferior, que puede girar alrededor de un eje paralelo a un eje vertical del primer sistema de ejes cartesianos, en la que está definido un armazón portaherramientas, en el que están dispuestas dichas una o más boquillas para emitir chorros de polvo, estando el conjunto láser óptico definido en el elemento móvil para dirigir el haz láser sobre la superficie de trabajo que pasa dentro de un perímetro definido por la pluralidad anteriormente mencionada de boquillas para emitir chorros de polvo.

Por consiguiente, la figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de una forma de realización de la máquina de funcionamiento por láser, designada en su conjunto por el número de referencia 10, que comprende una estructura de movimiento 11, diseñada para desplazar un soporte 11d, asociado de manera fija a la cual hay un elemento móvil 12, que puede moverse a lo largo de una primera pluralidad de ejes, específicamente tres ejes cartesianos X, Y, Z.

Con este propósito, la estructura de movimiento 11 comprende una estructura de guía 11a, que a su vez comprende una base 11m y, sobre la parte superior, unos carriles 11h, que se extienden a lo largo del eje horizontal X. Sobre los carriles 11h está ubicado un elemento deslizante 11c, que está libre para deslizarse en la dirección del eje X. Descansando sobre el elemento deslizante 11c está un extremo de una viga en voladizo 11b que se extiende en una dirección horizontal, a lo largo del eje Y, ortogonal al eje X. El extremo superior de la viga 11b está establecido en voladizo y está asociado, de una manera deslizante a lo largo del eje Y, al elemento deslizante 11 c, sobre el cual descansa. El otro extremo libre de la viga 11b presenta un soporte 11k con una guía vertical 11j, a lo largo de la cual se desliza el soporte 11d que porta el elemento móvil 12, accionado por un motor 11f, a lo largo del eje Z ortogonal al plano XY, y, por tanto, vertical.

El movimiento de la viga 11b con respecto al elemento deslizante 11c y el movimiento del elemento deslizante 11 c con respecto a la estructura de guía 11a también se obtienen mediante motores, que, sin embargo, no se muestran en la figura 1.

Tal como se ilustra en la figura 1, como resultado de la configuración anterior, el desplazamiento del elemento móvil 12 se produce dentro de un espacio de trabajo 100, básicamente un paralelepípedo, cuyas dimensiones están definidas por el recorrido del elemento móvil 12 a lo largo de los ejes horizontales X e Y, y el eje vertical Z. Además, en la figura 1 se designa mediante 110 una superficie de trabajo que corresponde básicamente a la cara inferior del espacio de trabajo 100. Esta superficie de trabajo 110 es la superficie, o sustrato de trabajo, empezando a partir de la cual, tal como se describe a continuación, se someten a tratamiento térmico las secciones de un objeto que va a obtenerse de una manera aditiva a altas temperaturas, específicamente, en el ejemplo preferido descrito en la presente memoria, mediante fusión. En formas de realización variantes, el tratamiento térmico puede ser sinterización. Debe observarse que, en realizaciones variantes, sobre la superficie de trabajo 110, entendida como la superficie plana, por ejemplo, de un banco de trabajo, está presente un sustrato sobre el cual se depositan los polvos y se lleva a cabo la fusión, o bien un elemento sobre el cual se hace crecer una estructura de metal mediante el procedimiento aditivo descrito en la presente memoria. Por tanto, en general por “superficie de trabajo” se entiende la superficie, a la altura de la cual se lleva a cabo el procedimiento, concretamente, la superficie o bien del sustrato en el que se depositan los polvos o bien del elemento en el que se lleva a cabo el crecimiento aditivo.

Alternativamente, la estructura de movimiento 11 puede ser, por ejemplo, de tipo portal.

El elemento móvil 12, tal como se ilustra mejor a continuación, comprende un conjunto láser óptico 20 y unas boquillas 34 para inyectar polvo que va a fundirse. Por consiguiente, la máquina 10 incluye, por ejemplo, una catenaria, no mostrada en la figura 1, que comprende cables de fibra óptica, que se conectan en particular a un cableado 50 del elemento móvil 12, para transmitir la radiación que se origina a partir de una fuente de radiación láser, que está ubicada de manera remota con respecto al elemento móvil 12, a los componentes en el elemento móvil 12 y al interior de un conjunto láser óptico 20, mostrado en la figura 3, que comprende un conjunto de colimación adaptativa y un dispositivo de exploración óptica. En diversas formas de realización, el elemento móvil 12 puede incluir la propia fuente de láser.

La catenaria anteriormente mencionada también puede suministrar posiblemente gas de soporte, tal como argón o nitrógeno, para el procedimiento de fusión. La catenaria comprende unos conductos para suministrar los polvos de fusión a partir de dispositivos de suministro respectivos definidos de manera remota con respecto a la máquina 10. Además, la catenaria comprende cables de control eléctrico y posibles tuberías de suministro de refrigerante.

El elemento móvil 12 se representa en la figura 2 en vista en perspectiva a una escala ampliada. El elemento móvil 12 comprende una parte superior 12a, que aloja sustancialmente el conjunto láser óptico 20. De hecho, conectado a la parte superior 12a está el cableado 50, que comprende en su interior una fibra óptica que porta un haz láser L emitido por una fuente de láser establecida de manera remota y, por tanto, no mostrada en la figura 2.

El cableado 50 entra en un cuerpo en forma de caja 12c, que está establecido en la pared superior de un cuerpo en forma de caja adicional 12d.

El cuerpo en forma de caja 12c, tal como puede observarse más claramente en la figura 3, que muestra el elemento móvil 12 en vista lateral y con algunos componentes ópticos que se han hecho visibles, aloja un conjunto de colimación adaptativa 22, que recibe el haz láser L a lo largo de un eje paralelo al eje vertical Z.

El cuerpo en forma de caja 12d aloja unos medios de exploración óptica 21, que orientan el haz láser L en la salida desde la parte superior 12a.

A continuación, el elemento móvil 12 comprende una parte inferior 12b, establecida por debajo de la parte superior 12a y asociada a la misma, en particular asociada, a través de una pared de techo de la misma, a una pared de fondo del cuerpo en forma de caja 12d que aloja los medios de exploración óptica 21.

La parte inferior 12b comprende un conducto 12e que pasa a través de la misma, cuyo eje principal es paralelo al eje vertical Z, pero escalonado en el plano horizontal XY con respecto al eje del conjunto de colimación adaptativa 22. El conducto 12e, que está preferentemente presurizado, presenta una forma tubular y está asociado, en un extremo abierto del mismo, al cuerpo en forma de caja 12b a través de un sistema de accionamiento giratorio 12f, asociado a unos motores de accionamiento (no mostrados en la figura), lo cual permite la rotación del conducto 12e alrededor de su propio eje.

El otro extremo del conducto 12e, que está abierto (al menos desde un punto de vista óptico en la medida en que, para mantener la presurización, puede establecerse un elemento de cierre estanco a los fluidos transparente a la longitud de onda de la radiación láser) y desemboca en la zona de trabajo 100, está conectado de una manera fija a una herramienta final representada por una pluralidad de boquillas 34 para emitir polvo que va a fundirse que están montadas sobre un armazón portaherramientas 30. El armazón portaherramientas 30 está asociado de manera fija al extremo abierto anterior del conducto 12e.

Tal como puede observarse más claramente en la figura 5, que muestra una vista en perspectiva de la parte terminal del conducto 12e, que una vez más hace que sean visibles los componentes ópticos contenidos en el mismo, y del armazón portaherramientas 30, este último presenta la forma de un anillo circular de modo que define un perímetro que, por consiguiente, presenta la forma de una circunferencia que identifica un área circular de paso dentro del mismo. Las boquillas 34, en el ejemplo descrito en la presente memoria, están en un número de cuatro, cada una establecida formando un ángulo de 90° con respecto a las adyacentes a lo largo de la circunferencia del armazón portaherramientas 30. El armazón portaherramientas 30 está posicionado en paralelo a la superficie de trabajo 110, es decir, su perímetro y su área son paralelos al plano XY.

Las boquillas 34 están dispuestas, con respecto a un eje vertical paralelo al eje Z que une el anillo del armazón 30 a la superficie de trabajo 110, con unos ejes de emisión de boquilla longitudinales U propios inclinados hacia un eje de inyección I que pasa a través del centro de la circunferencia definida por el armazón 30, formando, es decir, un ángulo de inclinación p agudo con el eje I de modo que los ejes de boquilla U se intersecan en un punto de deposición de polvo PD. Según una forma de realización preferida, una o más de las boquillas 34 anteriores son una boquilla para pulverizar gas de soporte. Según otra forma de realización preferida, una o más de las boquillas 34 son una boquilla para pulverizar polvos que van a fundirse que están rodeados por un gas de protección.

Tal como se mencionó, las figuras 3 y 4 muestran una vista lateral y una vista en planta desde arriba, respectivamente, del elemento móvil 12 y del conjunto láser óptico 20, en las que los componentes ópticos dentro de la parte superior 12a y la parte inferior 12b están destacados.

En la vista lateral de la figura 3, en la que el eje X apunta en una dirección que sale del plano de la figura, puede observarse cómo el cuerpo en forma de caja 12d comprende dentro del mismo el dispositivo de exploración óptica 21, que transmite y enfoca una radiación láser L para formar un punto láser S en el espacio de trabajo 100, procediendo la radiación láser L de un elemento de colimación adaptativa 22 que permite la variación del diámetro y punto de focalización de dicho punto láser S empezando a partir de una radiación láser, con características de potencia adecuadas para la fusión, que se transmite por una fuente de láser remota a través de la fibra óptica en el cableado 50 o, alternativamente, a través de una cadena óptica o una fuente de radiación láser ubicada conjuntamente en el elemento móvil 12. Aguas abajo del colimador adaptativo 22, a lo largo de un eje vertical de propagación de la radiación láser L, un espejo estacionario 23 desvía la radiación láser L de manera perpendicular, es decir, en una dirección horizontal. El espejo 23 presenta preferiblemente características de selectividad de frecuencia, es decir, es, por ejemplo, un espejo dicroico, para llevar a cabo la monitorización de la radiación no reflejada, procedente de la fuente o de la zona de trabajo 110. En particular, la radiación reflejada generada por el baño fundido (designado con PM en la figura 8A) durante el procesamiento sigue el recorrido óptico hacia atrás.

El espejo dicroico selecciona algunas frecuencias, permitiendo que lo atraviesen, y las envía hacia un elemento o sistema de monitorización (no mostrado). El dispositivo de exploración óptica 21 está constituido por dos espejos de orientación móviles 24 y 25, que se accionan mediante accionadores galvanométricos respectivos (no mostrados en la figura) para obtener la rotación de los dos espejos y, por tanto, del haz láser L desviado por los mismos, a lo largo de dos ejes de rotación mutuamente perpendiculares, es decir, un primer eje de rotación 0 correspondiente a la rotación a lo largo del eje longitudinal del espejo 24, y un segundo eje de rotación w para el espejo 25 perpendicular al espejo 24 y paralelo al eje X, tal como puede observarse en la figura 4. Moviendo los espejos de orientación 24 y 25 a lo largo de los ejes anteriores, es posible desplazar el haz con respecto a un eje de incidencia normal I de la radiación láser L, por ejemplo, hasta las direcciones de límite I1, I2 (eje w) mostradas en la figura 3. Pueden identificarse direcciones de límite correspondientes para el eje 0, de modo que, de esta manera, el haz láser L se desplaza dentro de un espacio cónico definido por las direcciones de límite anteriormente mencionadas, y el punto láser S se desplaza sobre la superficie de trabajo 110 en las direcciones X e Y. Dado que el punto láser S, como resultado de los ejes de rotación 0 yw , se moverá de manera más precisa a lo largo de una tapa esférica, mediante la acción de control del elemento de colimación adaptativa 22 es posible compensar esto desplazando el punto de focalización (desplazamiento lineal a), es decir, el punto láser S, para obtener desplazamientos del mismo en una superficie plana. Es evidente que el elemento de colimación adaptativa 22 permite además el desplazamiento del punto láser focalizado S a lo largo del eje Z también de una manera independiente del efecto de los ejes de rotación 0 y w.

Además, en la vista de la figura 3 puede verse el armazón 30 que soporta las boquillas 34 y el conducto presurizado 12e dentro del cual pasa el haz láser L. El armazón 30 anteriormente mencionado, tal como se mencionó, se mueve según una rotación alrededor del eje de armazón vertical Z, paralelo al eje Z, y a través del centro de la circunferencia definida por las boquillas 34, mediante un accionador (no mostrado en la figura). En general, el eje de armazón Z coincide con el eje de incidencia normal I. En la forma de realización proporcionada a modo de ejemplo, el conducto presurizado 12e está fijado con respecto al armazón 30, y el conducto 12e y el armazón 30 rotan de manera fija con respecto a la parte superior 12a, que, en vez de eso, está fijada con respecto al soporte 11d; es decir, es móvil únicamente a lo largo de la primera pluralidad de ejes de movimiento X, Y, Z del sistema de movimiento 11. Esto significa que el conjunto óptico 20 también es móvil únicamente a lo largo de la primera pluralidad de ejes de movimiento X, Y, Z del sistema de movimiento 11. En una forma de realización alternativa, el conducto presurizado 12e está fijado con respecto a la parte superior 12a, mientras que el armazón 30 está asociado al extremo inferior del conducto 12e de una manera giratoria alrededor del eje longitudinal del conducto 12e, que corresponde al eje de inercia vertical principal del armazón, si se entiende como un disco o anillo. En este caso, pueden estar dispuestos medios de accionamiento dentro del conducto 12 para hacer girar el armazón 30.

Según un aspecto adicional de la solución descrita en la presente memoria, los ejes longitudinales U de las boquillas 34, que corresponden a la dirección de inyección del polvo, pueden variar su propio ángulo de inclinación p mediante la acción de accionadores y mecanismos cinemáticos respectivos. La forma de realización mostrada en la figura 5 proporciona que la variación de la inclinación de las boquillas 34 se lleva a cabo mediante un mecanismo cinemático que comprende dos armazones.

Un primer armazón está representado por el armazón 30, al que están fijadas las boquillas 34 de una manera giratoria mediante pernos de rotación 35. En particular, los pernos de rotación 35 están fijados en el armazón 30 para poder girar alrededor de un eje sustancialmente tangencial al perímetro del armazón 30 para hacer variar únicamente el ángulo de inclinación p con respecto al eje I. Los pernos de rotación 35 están fijados a las boquillas 34 en una posición, por ejemplo, a media distancia a lo largo de su longitud, al armazón 30. Las boquillas 34 comprenden además ranuras pasantes 37 de forma oblonga, cuyo eje principal está alineado con el eje de boquilla U, de tal manera que se permite que un perno 36 que se desliza en una respectiva ranura 37 se desplace a lo largo del eje U de la boquilla 34.

Un segundo armazón 31, una vez más circular y con un diámetro mayor que el del armazón 30, está establecido por encima del armazón 30 de una manera concéntrica. El segundo armazón 31 comprende, en su perímetro exterior, asientos 38, es decir, muescas a lo largo del perímetro, para alojar las boquillas 34. En las muescas 38, están dispuestos los pernos 36, de tal manera que estos también pueden girar alrededor de un eje sustancialmente tangencial al perímetro del segundo armazón 31. Dado que los pernos 36 se enganchan con las ranuras 37 de unas respectivas boquillas 34, moviendo, a lo largo de un eje vertical, el segundo armazón 31 con respecto al armazón 30, mediante un accionador accionado por un respectivo motor (no visible en las figuras), se provoca el deslizamiento de los pernos 36 en las ranuras 37, con la variación simultánea del ángulo de inclinación p de las boquillas 34, tal como puede observarse en las figuras 7A y 7B.

En particular, en la figura 7A el segundo armazón 31 está en una posición descendida, determinando por tanto un ángulo de inclinación p más ancho, concretamente, de 30°. Las partes de extremo inferior de las boquillas 34 están más cerca unas de otras en el plano horizontal XY, dejando un paso de menor área para el haz láser L, y los chorros de polvo PJ se encuentran en un punto de deposición de polvo PD más cerca del armazón 30 y de menor tamaño. De hecho, el chorro de polvo PJ no es perfectamente cilíndrico, sino que presenta una forma cónica en la salida desde la boquilla 34, de modo que, cuanto más lejos del armazón 30 se encuentran los chorros, mayor es el diámetro del punto de polvo, correspondiente al punto de deposición de polvo PD, que se forma y define por los chorros. Debe observarse que en la presente memoria se hace referencia a “punto de deposición de polvo PD”, pero este último presenta un área con un tamaño que, tal como acaba de mencionarse, puede hacerse variar. Aumentando tanto la dimensión del punto de polvo como la velocidad de flujo de polvo, de manera conjunta con un aumento del diámetro del haz láser, es posible aumentar la capacidad de deposición en el tiempo, es decir, el rendimiento. En vez de eso, reduciendo las dimensiones del punto de polvo, el punto láser y la velocidad de flujo de polvo, se mejora la precisión del procedimiento y la calidad de superficie del producto, claramente a costa del rendimiento. Por tanto, la solución global permite flexibilidad y adaptabilidad de procedimiento según los requisitos del producto final. En la figura 7B, el segundo armazón 31 se ha llevado a una posición superior, provocando por tanto la rotación de las boquillas 34 alrededor de los pernos 35 y 36 respectivos y determinando un ángulo de inclinación p más pequeño, concretamente un ángulo de 20°. Las partes de extremo inferior de las boquillas 34 están más alejadas unas de otras en el plano horizontal XY, dejando un paso de mayor área para el haz láser L, y los chorros de polvo PJ se encuentran en un punto de deposición de polvo PD, o punto, más alejado del armazón 30.

Es evidente que son posibles diversas formas de realización para el mecanismo cinemático que hace variar el ángulo de inclinación p. En una forma de realización simplificada, por ejemplo, solo está presente el armazón 30, que provoca la rotación, mediante accionadores respectivos, de los pernos 35, una vez más dispuestos según ejes tangenciales al perímetro del armazón 30 de modo que las boquillas 34 rotan únicamente alrededor del eje de los pernos 35.

La figura 6 es una vista en planta desde abajo del mecanismo cinemático que comprende los armazones 30 y 31, en la que pueden apreciarse mejor las posiciones de los pernos 35 y 36. Entre las partes de extremo inferior de las boquillas 34, en la prolongación de los ejes de boquilla U respectivos, aparece el punto de deposición de polvo PD.

Por tanto, el sistema descrito hasta ahora permite llevar a cabo movimientos con las boquillas 34, en particular una rotación de las mismas alrededor del eje Z y una variación de su ángulo de inclinación p con respecto al eje de incidencia normal I, que permiten desplazamientos de las boquillas 34 adicionales a los impuestos por el sistema de movimiento 11.

Puede observarse que la máquina de funcionamiento descrita también puede estar configurada para llevar a cabo únicamente los movimientos en las boquillas 34, mediante una rotación alrededor del eje Z sin una variación de su ángulo de inclinación p; es decir, puede funcionar con boquillas fijas.

La posibilidad de inclinar las boquillas 34 y, por tanto, los chorros de deposición de polvo PJ, se utiliza no solo para prevenir la interferencia con el haz láser, sino también para evitar obstáculos presentes en el espacio de trabajo, tales como herramientas en las que está creciendo la pieza de trabajo o partes que ya se han hecho crecer, para hacer variar la forma del punto de polvo y hacer variar la altura del punto de deposición de polvo PD con el fin de realizar correcciones, por ejemplo según un control de bucle cerrado, con respecto a los comandos conferidos por un denominado programa de piezas, o conjunto de instrucciones, tal como se describe más completamente a continuación.

La figura 6 muestra, además, con una línea discontinua en la medida en que se encuentra en el plano de la superficie de trabajo 110, una zona de trabajo sustancialmente cuadrada 120, que está inscrita dentro del armazón 30. En la misma están definidos segmentos WB de un recorrido de trabajo, es decir, segmentos que sigue el punto láser S con el fin de llevar a cabo las fases de fusión, precalentamiento y poscalentamiento, tal como se describe más completamente a continuación con referencia a la figura 8.

Tal como puede observarse, por WB se designa en la figura 6 un segmento de trabajo, alineado en una dirección de avance D, con respecto a la cual la proyección de los ejes de boquilla U en el plano de la superficie de trabajo 110 está fijada a 45°. Cuando las boquillas 34 están dispuestas de esta manera con respecto a los segmentos de trabajo WB, no hay ninguna posibilidad de que el punto S se encuentre con los chorros de polvo o las boquillas 34 que emiten los chorros. En la figura, también se indica una segunda dirección de avance D ortogonal a la primera, con la que los ejes de boquilla U también forman un ángulo de 45°.

Por tanto, la máquina descrita hasta ahora permite una mejora del control de los perfiles de energía aplicados en las tres fases de calentamiento previo, fusión y calentamiento posterior.

En la figura 8A, se ilustra un segmento de trabajo WB, en el que el haz láser L (es decir, su punto S) controlado por el conjunto óptico 20 describe una trayectoria de láser interna en zigzag lp. En este caso, por “trayectoria de láser interna lp” se entiende una trayectoria descrita por el punto láser S dentro del segmento de trabajo WB. Entonces, el segmento de trabajo WB corresponde a un segmento de un recorrido de fusión por láser LP, tal como se describe más completamente con referencia a la figura 10. La trayectoria de láser interna lp puede ser un recorrido en zigzag, como en la figura 8A, o un recorrido que sigue el segmento de trabajo, como en la figura 9. En general, la trayectoria de láser interna lp, en la que por “trayectoria” quiere decirse las coordenadas cinemáticas que describen, en el tiempo, el movimiento del punto láser S, con el fin de llevar a cabo, además de la fusión, precalentamiento y poscalentamiento, se mueve en el tiempo hacia atrás y hacia delante a lo largo del recorrido de la trayectoria.

En la figura 8A, el segmento de trabajo WB está asociado a una dirección de avance D del elemento móvil 12, que se encuentra en el plano de la superficie de trabajo 110 y es la dirección en la que avanza un baño fundido PM de deposición del material fundido. A lo largo del segmento de trabajo WB anterior está definida una posición d a lo largo del segmento de trabajo WB. Tal como puede observarse en la figura 8A, también se representa un diagrama que reproduce gráficamente una energía de trabajo E, es decir, la energía asociada con el punto láser S, en función de la posición d. El eje de la posición d está alineado con la dirección de avance D del segmento WB, de modo que es posible indicar, en el eje de la posición d, posiciones d1, d2, d3, d4 entre las cuales están definidas las fases precalentamiento FP (intervalo d1-d2), fusión FS (intervalo d2-d3) y poscalentamiento FR (intervalo d3-d4).

En la figura 8A, se ilustran esquemáticamente los cuatro chorros de polvo PJ, alineados con los ejes de boquilla U. Tal como puede observarse, los chorros están inclinados 45° con respecto a la dirección de avance D de modo que el punto láser S, siempre que se mueva dentro del segmento de trabajo WB, no puede interceptarlos.

Tal como puede observarse en la figura 8A, la energía de trabajo E, es decir, la energía del punto láser L, se hace variar en función de la posición d a lo largo del segmento de trabajo WB. La energía de trabajo E es alta y constante en la fase de fusión FS, mientras que es baja y creciente en la fase de calentamiento previo FP, y baja y decreciente en la fase de calentamiento posterior FR. El perfil de energía se determina basándose en las características del material que va a fundirse y, en cualquier caso, llevando a cabo un control del gradiente de temperatura generado según lo que se requiere por el procedimiento tecnológico que va a implementarse. La dirección de avance D del procedimiento de trabajo se representa opuesta a la dirección en la que el punto S sigue la trayectoria interna lp, aunque, en general, el láser S en otros intervalos de tiempo invierte su movimiento, moviéndose hacia atrás, y, por tanto, en la dirección de avance D. En formas de realización variantes, se realizan varias pasadas hacia delante y hacia atrás a lo largo de un mismo segmento de precalentamiento, fusión y poscalentamiento.

En vez de eso, en la figura 8B se ilustra el segmento de trabajo WB en dos instantes sucesivos t y t -1, así como los dos baños fundidos respectivos PM(t) y PM(t -1). Tal como puede observarse, el segmento de trabajo WB, con las fases respectivas de calentamiento previo, fusión y calentamiento posterior, avanza en la dirección de avance D.

En la figura 9, se representa un segmento de trabajo WB' que utiliza un punto láser S con una anchura que es la misma que la anchura de los propios segmentos de trabajo WB' y, por tanto, coincide con el diámetro del baño fundido PM. Por consiguiente, es necesario hacer que el diámetro del baño fundido PM y la dimensión lateral del segmento de trabajo WB, es decir, el segmento de precalentamiento y poscalentamiento, coincidan con el diámetro de focalización del punto láser S inclinando en consecuencia los ejes U de las boquillas 34 y ajustando los parámetros de colimación del punto láser S, mediante el adaptador 22.

La figura 9 también muestra, de una manera similar a la figura 8A, el perfil de la energía de trabajo E en función de la posición d, para el segmento de trabajo WB' que utiliza un punto láser S con una anchura igual a la del propio segmento de trabajo WB mostrado en la misma figura. En este caso, la trayectoria interna lp proporciona que el punto láser realiza una secuencia dada de desplazamientos a lo largo del eje de la dirección de avance D. En general, se proporciona que la trayectoria interna lp puede consistir en movimientos hacia delante y hacia atrás a lo largo del eje de la dirección de avance, incluso varias veces, haciendo variar la energía suministrada en cada pasada. Además, el baño fundido PM puede desplazarse de manera progresiva a lo largo del segmento de trabajo WB haciendo variar la contribución de energía entre las pasadas.

En las figuras 8 y 9, se ilustran los segmentos de trabajo WB o WB', dentro de los cuales, en general, se desplaza el punto de deposición de polvo PD de manera lineal en la dirección de avance D, trazada por el sistema de movimiento 11 que acciona el armazón 30. La posición en el plano horizontal del punto de deposición de polvo PD no varía con las rotaciones alrededor del eje de armazón Z y, por tanto, depende únicamente del movimiento horizontal de la estructura de movimiento 11. Dentro de los tramos WB o WB', tal como se mencionó, se describen trayectorias internas lp del punto láser L para realizar las fases de calentamiento previo, fusión y calentamiento posterior. Esto se aplica, en general, a los segmentos de trabajo WB, que corresponden a la suma de las tres zonas de calentamiento previo, fusión y calentamiento posterior, que son cortas y presentan una dirección de avance D. La suma de estos segmentos de trabajo WB, WB1, WB2, ... que pueden presentar una dirección de avance D que cambia con el tiempo, determina recorridos de trabajo, que siguen el recorrido de deposición de polvo. Tal como se muestra en la figura 10, dado un recorrido de trabajo para obtener una sección dada de un objeto mediante fusión, está previsto definir un recorrido de emisión de polvo PP y un recorrido de fusión LP del punto láser S focalizado sobre la superficie de trabajo 110. En particular, según lo que se indica en la figura 10, el recorrido de emisión de polvo PP y el recorrido de fusión por láser LP, en diversas formas de realización, son sustancialmente congruentes desde un punto de vista de las coordenadas espaciales. El recorrido de fusión por láser LP y el recorrido de emisión de polvo PP pueden seguirse simultáneamente por el armazón 30 y por el dispositivo de exploración óptica 20; es decir, el punto láser S y el punto de deposición PD están alineados, cruzándose en un punto de trabajo. Sin embargo, para llevar a cabo también el precalentamiento y poscalentamiento, se proporciona que el punto láser S se controla para seguir, según la trayectoria interna Ip, con un avance dado y un retardo dado que corresponden a las posiciones d representadas en los diagramas de las figuras 8 y 9, el recorrido de fusión por láser LP y el recorrido de emisión de polvo PP, respectivamente.

La figura 11 muestra un diagrama de principio de la arquitectura de una unidad de control numérico 60 para gestionar el control de los accionadores, es decir, de los motores de la estructura de movimiento 11 que mueven los ejes X, Y, Z del elemento móvil 12, de los motores que mueven el sistema óptico 20, es decir, el accionador galvanométrico para mover los ejes de rotación 0 y w y el adaptador 22 que controla el eje de traslación a del punto de focalización, por tanto de la posición vertical del punto S, así como del motor que acciona la rotación alrededor del eje de armazón Z del armazón 30 y/o los motores que controlan la variación del ángulo de inclinación p. La unidad 60 comprende dos ordenadores personales 61 y 62. El ordenador personal 61 funciona como interfaz de usuario para enviar instrucciones y comandos al segundo ordenador personal 62, que comprende preferiblemente un sistema operativo 62a asociado a extensiones en tiempo real 62b para la gestión de la máquina. El sistema operativo puede ser, por ejemplo, de tipo Linux o WinCE, u obtenerse mediante soluciones patentadas. Por tanto, el ordenador personal 62 suministra las trayectorias que van a seguirse a una placa de servocontrol 63 de un tipo PCI DSP para el control de los accionadores.

En el ordenador personal 62 y en la placa de servocontrol 63, se implementan procedimientos de gestión de los ejes de la máquina de láser 10, en particular para la gestión de los ejes mencionados anteriormente, X, Y, Z, a, 0, w, Z, P, tal como se describirá en más detalle a continuación.

La unidad de control numérico 60, según procedimientos conocidos en sí mismos en la técnica, genera un conjunto de instrucciones P, correspondientes a un denominado programa de piezas, para una máquina “virtual” con especificaciones dadas de aceleración y velocidad. Este conjunto de instrucciones P procede del ordenador personal 51 y se origina mediante un programa proporcionado expresamente, para definir las trayectorias y los movimientos de la máquina sin conexión. A esta última se le aplica una función de interpolación, que, basándose en el conjunto de instrucciones P, genera una trayectoria para la máquina de funcionamiento. Esta trayectoria de la máquina de funcionamiento corresponde a las coordenadas cinemáticas que describen en el tiempo el movimiento de un punto de la máquina de funcionamiento, por ejemplo, una junta o un punto central de la herramienta (TCP). Esta interpolación funciona en respuesta a un código preparatorio, o código G, enviado dentro del conjunto de instrucciones P. La operación de interpolación es implementa mediante software dentro del ordenador personal 62.

Debe observarse que, además, en la máquina de funcionamiento por láser descrita, la unidad 60 está configurada para enviar comandos adicionales referentes, por ejemplo, a la velocidad de flujo de los chorros de polvo que van a fundirse, la velocidad de flujo del gas de soporte, las características de la radiación láser (potencia; modo: continuo, pulsado, etc.; frecuencia y ciclo de trabajo posibles; forma del perfil de radiación: gaussiana, sombrero de copa, etc.) y las características del haz láser (diámetro, focalización, etc.). Estos comandos pueden estar asociados con el conjunto de instrucciones P de modo que se emiten en puntos dados y en instantes dados definidos por la trayectoria de la máquina de funcionamiento.

Los comandos referentes a las características de la radiación láser y las características del haz láser pueden controlarse para regular el perfil térmico, por ejemplo, haciendo variar la potencia y/o el diámetro y/o la focalización del punto láser en los segmentos de trabajo W b del recorrido.

En este caso, se indica una vez más que, por trayectoria definida según ejes dados quiere decirse, por ejemplo, una función de variables cinemáticas que corresponden a dichos ejes. A los ejes X, Y, Z están asociadas variables cinemáticas lineales correspondientes (desplazamientos, velocidades, aceleraciones), así como al eje de traslación a, que determina el desplazamiento de la focalización del haz láser L, mientras que a los ejes de rotación 0, w, Z, p están asociadas variables cinemáticas angulares correspondientes (ángulos de rotación, velocidades angulares y aceleraciones angulares).

Las formas de realización descritas de la máquina 10 permiten ventajosamente aprovechar la velocidad y las propiedades de control focal del conjunto óptico 20 para suministrar energía sobre la zona en la que ya se ha llevado a cabo el tratamiento térmico por láser, en particular la zona de fusión, y la zona en la que se llevará a cabo el tratamiento térmico por láser.

La fuente de láser, el dispositivo de exploración óptica 21 y el colimador adaptativo 22 controlan la energía aplicada sobre el segmento de recorrido para la fase antes de la fusión, es decir, de calentamiento previo, y para la fase tras la fusión, es decir, de calentamiento posterior. Dado que las variaciones de recorrido de fusión pueden conducir a la situación en la que el láser durante el calentamiento previo y el calentamiento posterior intercepta los chorros de polvo antes del punto de deposición de polvo PD, o, incluso peor, intercepta las boquillas 34, con la máquina descrita se proporciona hacer girar el armazón 30 con el fin de seguir el recorrido de fusión por láser LP, formado por una pluralidad de segmentos de trabajo WBi, para hacer que las partes que van a someterse a calentamiento previo y calentamiento posterior estén siempre accesibles para apuntarse por el haz láser L y el punto de focalización S correspondiente, tal como se muestra en la figura 6.

Básicamente, según lo que se ha descrito, se proporciona utilizar la máquina de funcionamiento por láser 10 para fabricación aditiva de objetos mediante fusión por láser siguiendo las siguientes etapas:

definir un recorrido de emisión de polvo PP para emitir, a través de dichas boquillas 34 en dicho armazón 30, polvos de un material que va a fundirse sobre la superficie de trabajo 110 según un recorrido de emisión de polvo PP;

definir un recorrido de fusión por láser LP para enviar, a través de dicho conjunto óptico 20, un punto focalizado S de un haz láser L según un recorrido de fusión por láser LP sobre los polvos emitidos según dicho recorrido de emisión de polvo PP para realizar la fusión de los mismos, comprendiendo dicho recorrido de fusión por láser LP el desplazamiento, según la trayectoria interna lp, de dicho punto S también para preceder, en una fase de calentamiento previo FP, o seguir, en una fase de calentamiento posterior FR, al punto de deposición de polvo PD; y

controlar unos accionadores de la máquina de funcionamiento por láser que están asociados con ejes de la máquina a través de la unidad de control numérico 60 y un módulo de servocontrol 63, para describir trayectorias mediante unos respectivos ejes con el fin de seguir dicho recorrido de fusión por láser LP y recorrido de emisión de polvo PP, en el que:

dicha operación de controlar accionadores comprende un modo de funcionamiento en el que dichos accionadores de dicho elemento móvil 12 se controlan para mover dicho armazón portaherramientas de una manera móvil con respecto a dicho conjunto óptico 20, haciéndolo girar al menos alrededor del eje de armazón vertical Z para evitar que la posición de las boquillas 34 intercepte el punto láser S controlado según el recorrido de fusión por láser LP y la trayectoria interna lp.

En particular, la operación de controlar accionadores proporciona hacer girar dicho armazón 30 de tal manera que todos los ejes U de las boquillas 34, o su proyección sobre la superficie de trabajo 110, en todo momento no interceptan la dirección de avance D del segmento de trabajo y, por tanto, los ejes U anteriormente mencionados o su proyección forman un ángulo mayor de cero con respecto a la dirección de avance D. El ángulo mínimo de los ejes U o su proyección depende del tamaño de las boquillas 34 y los chorros de polvo PJ y debe ser de tal manera que el haz láser no interfiere con los mismos. La condición óptima que determina el ángulo entre las boquillas 34 y la dirección D que va a utilizarse es que la bisectriz del ángulo formado por las propias boquillas debe ser tangencial al recorrido de fusión por láser LP y, por tanto, a la dirección D.

En particular, en el caso del armazón 30 con cuatro boquillas 34, en todo momento los ejes de boquilla U forman un ángulo de 45° con respecto a la dirección de avance D. En el caso de dos boquillas 34, los ejes pueden mantenerse a 90°, mientras que, en el caso de ocho boquillas, pueden mantenerse a 22.5°; es decir, en general, los ejes de boquilla se mantienen formando un ángulo igual al ángulo llano dividido entre el número de las boquillas 34. Por el otro lado, estos son casos óptimos, siendo el objetivo maximizar la distancia entre los ejes de boquilla U y la dirección de avance, mientras que queda claro que, en general, el ángulo puede incluso presentar valores inferiores siempre que el eje de la boquilla que se encuentra fuera del punto de deposición de polvo PD no intercepte la dirección de avance D. Sin embargo, en general, puede requerirse una desviación con respecto al ángulo “óptimo”, en el ejemplo un ángulo de 45°, para preceder a un cambio de dirección de fusión o evitar obstáculos presentes en el espacio de trabajo (por ejemplo, herramientas en las que está creciendo la pieza de trabajo o partes ya fundidas).

Por tanto, a partir de lo que se ha descrito, la solución presentada y las ventajas correspondientes se desprenden claramente.

La máquina de funcionamiento por láser según la invención puede funcionar de una manera flexible gracias al hecho de que las boquillas de emisión de polvo son móviles con respecto al conjunto láser óptico según un eje vertical. Esto es ventajoso, en particular cuando las boquillas están muy inclinadas debido a la presencia de obstáculos que se necesita evitar y, por tanto, el riesgo de intercepción es alto. Como resultado, la posibilidad de rotación del armazón de boquilla también permite en este caso corregir el calentamiento previo y el calentamiento posterior.

Evidentemente, sin perjuicio al principio de la invención, los detalles y las formas de realización pueden variar, incluso de manera considerable, con respecto a lo que se ha descrito en la presente memoria meramente a modo de ejemplo, sin por ello alejarse del alcance de protección. Este alcance de protección se define por las reivindicaciones adjuntas.

En diversas formas de realización, pueden implementarse diferentes estrategias de utilización del sistema descrito con respecto al perfil de control de energía que va a aplicarse y a los tiempos de aplicación, que están ambos vinculados al tipo de polvos, materiales y formas que van a someterse a tratamiento térmico, concretamente que van a fundirse. En particular, tal como también se muestra en la figura 8, la solución descrita permite la aplicación del perfil de energía en varias pasadas o utilizando movimientos lineales o en zigzag u oscilantes con un haz focalizado que presenta un diámetro menor que el tamaño del punto de deposición de polvo PD o del baño fundido PM. Esto es posible regulando el tamaño y la forma del punto de polvo utilizando el sistema para la inclinación de las boquillas y el ajuste del flujo de deposición correspondiente y el diámetro de focalización del punto láser S.

Alternativamente, tal como se muestra en las figuras 8 y 9, es posible hacer que el diámetro del baño fundido y la dimensión lateral del segmento de precalentamiento y poscalentamiento coincidan con el diámetro de focalización del punto láser S, mediante inclinaciones apropiadas de las boquillas y ajuste de los parámetros de colimación del punto láser S.

La configuración del conjunto láser 20 permite además la variación, durante el procesamiento, de las características de focalización de una zona a otra y, por consiguiente, es posible llevar a cabo la fusión con un punto láser focalizado S con el mismo diámetro que el del baño de soldadura y utilizar, en vez de eso, para aplicar energía en los segmentos de calentamiento previo y calentamiento posterior, un haz láser desenfocado que intercepta el segmento de trabajo WB de interés con un diámetro apropiado. La configuración del conjunto láser permite además la aplicación de energía de una manera controlada utilizando diferentes tasas de pasada en los segmentos de fusión, calentamiento previo y calentamiento posterior.

Tal como se comentó anteriormente, el tratamiento térmico por láser lleva a cabo preferiblemente una fusión por láser de los polvos, pero la máquina y el procedimiento descritos en la presente memoria también se aplican a sinterización por láser y a otros procedimientos de tratamiento térmico por láser compatibles con las características del procedimiento y la máquina, tal como se describen y se reivindican.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Máquina de funcionamiento por láser (10) para la fabricación aditiva de objetos, mediante un proceso de tratamiento térmico por láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, que comprende una estructura de movimiento (11), que es móvil en un espacio de trabajo (100) que comprende una superficie de trabajo (110), funcionando dicha máquina (10) según un primer sistema de ejes de movimiento (X, Y, Z) cartesiano y estando configurada para soportar un elemento móvil (12) que comprende una pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo que va a tratarse térmicamente, un sustrato de trabajo (100, 110) y un conjunto láser óptico (20) para transmitir un haz láser (L) para formar un punto láser (S) focalizado en dicho sustrato de trabajo (100, 110) con el fin de llevar a cabo tratamiento térmico con dichos polvos,

en la que dicho elemento móvil (12) comprende:

una parte superior (12a) asociada de manera fija a dicha estructura de movimiento (11), comprendiendo dicho conjunto láser óptico (20) unos medios de exploración óptica (21) para posicionar dicho punto láser (S) en el espacio de trabajo (100), que funcionan según un respectivo conjunto de ejes de movimiento (a, 0, w), que comprende dos ejes de rotación (0, w) del eje (I) del haz láser (L) incidente sobre la superficie de trabajo (110), que son perpendiculares entre sí, y un eje de traslación (a) del punto láser (S) a lo largo de dicho eje (I), y que está definido en dicha parte superior (12a);

una parte inferior (12b), que comprende un conducto (12e) en un extremo del cual, que desemboca en la superficie de trabajo (110), está dispuesto un armazón portaherramientas (30), sobre el cual están dispuestas dicha pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo, estando dichas boquillas (34) dispuestas sobre dicho armazón (30) de tal manera que unos ejes longitudinales (U) de las mismas formen un ángulo de inclinación (p) con respecto a dicho eje vertical (I) de tal manera que unos chorros (PJ) de dichas boquillas (34) se intersecan en un punto de deposición de polvo (PD),

estando dicha parte inferior (12b) configurada para hacer girar dicho armazón (30) alrededor de un eje de armazón (Z) paralelo a un eje vertical (Z) de dicho primer sistema de ejes cartesianos (X, Y, Z),

estando dicho conjunto láser óptico (20) definido en el elemento móvil (12) de manera que envíe el haz láser (L) sobre la superficie de trabajo (110) que pasa dentro de un perímetro definido por dicha pluralidad de boquillas (34) para emitir chorros de polvo,

estando dicho conjunto óptico (20) configurado para enviar el haz láser (L) a través de dicho conducto (12e) y posteriormente dentro del perímetro de las boquillas (34), comprendiendo dicha máquina de funcionamiento por láser (10) una unidad de control numérico (60) configurada para gestionar el control de accionadores de la estructura de movimiento (11), del sistema óptico (20), así como de un accionador que acciona la rotación alrededor del eje de armazón (Z) del armazón (30),

estando dicha unidad (60) configurada para controlar dichos accionadores de dicho elemento móvil (12) para mover dicho armazón portaherramientas de una manera móvil con respecto a dicho conjunto óptico (20), haciendo girar dicho armazón (30) de tal manera que todos los ejes (U) de las boquillas 34, o su proyección sobre la superficie de trabajo (110), en todo momento no intercepten una dirección de avance (D) de un segmento de trabajo (WB).

2. Máquina según la reivindicación 1, caracterizada por que comprende unos medios accionadores para hacer variar dicho ángulo de inclinación (p) de dichos ejes longitudinales (U) de dicha pluralidad de boquillas (34).

3. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada por que dichos medios accionadores comprenden unos accionadores giratorios para hacer girar las boquillas (34) alrededor de un eje tangencial al armazón portaherramientas (30).

4. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada por que dichos medios accionadores comprenden un primer anillo (30) sobre el cual está articulada cada boquilla (34) y un segundo anillo (31) móvil en una dirección vertical (Z), que comprende un respectivo perno de rotación (36) acoplado en una ranura (37) prevista sobre la boquilla (34).

5. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que dicho armazón (30) y dicha disposición de una pluralidad de boquillas (34) definen un perímetro circular.

6. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que dichas boquillas (34, 34a) comprenden unos medios de calentamiento previo y/o unos medios para inyectar un gas de proceso de soporte y protección.

7. Máquina según la reivindicación 1, caracterizada por que dichos medios de exploración óptica (21) comprenden dos espejos de orientación (243, 25) para orientar el haz láser (L) en un espacio cónico definido por dichos dos ejes de rotación (0, w), y un elemento de colimación adaptativa (22) para hacer variar el diámetro y un punto de focalización del punto láser (S) a lo largo de dicho eje de traslación (a) y el diámetro de focalización de dicho punto láser (S) dentro de dicho espacio cónico, y un espejo estacionario (23) que dirige, en particular de manera horizontal, hacia los espejos de orientación el haz láser vertical procedente del elemento de colimación adaptativa.

8. Máquina según la reivindicación 1, caracterizada por que una fuente de láser para el proceso de tratamiento térmico está colocada juntamente con el sistema de colimación y exploración.

9. Procedimiento para fabricación aditiva de objetos, mediante un proceso de tratamiento térmico por láser de polvos metálicos, en particular mediante fusión, utilizando una máquina de funcionamiento por láser según las reivindicaciones 1 a 8, comprendiendo dicho procedimiento:

definir un recorrido de emisión de polvo (PP) para emitir a través de dichas boquillas (34) en dicho armazón (30) unos polvos de un material que va a ser tratado térmicamente sobre la superficie de trabajo (110) según el recorrido de emisión de polvo (PP);

definir un recorrido de tratamiento térmico por láser (LP) para enviar, a través de dicho conjunto óptico (20), un punto focalizado (S) de un haz láser (L) según el recorrido de tratamiento térmico por láser (LP) sobre dichos polvos emitidos según dicho recorrido de emisión de polvo (PP) para realizar el tratamiento térmico de los mismos, comprendiendo dicho recorrido de tratamiento térmico por láser (LP) mover, según una trayectoria interna (lp), dicho punto (S) también para anticipar, en una fase de calentamiento previo (FP), o para seguir, en una fase de calentamiento posterior (FR), el punto de deposición (PD) de dichos polvos en el que se lleva a cabo una etapa de tratamiento térmico (FS); y

controlar unos accionadores de la máquina de funcionamiento por láser (10) que están asociados con unos ejes de la máquina a través de la unidad de control numérico (60) y un módulo de servocontrol (63) para describir unas trayectorias mediante unos respectivos ejes con el fin de seguir dicho recorrido de tratamiento térmico por láser (LP) y dicho recorrido de emisión de polvo (PP), en el que

dicha operación de controlar accionadores comprende un modo de funcionamiento en el que dichos accionadores de dicho elemento móvil (12) son controlados para mover dicho armazón portaherramientas (30) de una manera móvil con respecto a dicho conjunto óptico (20), haciéndolo girar al menos alrededor del eje de armazón vertical (Z) de manera que evite que la posición de las boquillas (34) intercepte el punto láser (S) controlado para seguir el recorrido de tratamiento térmico por láser (LP) y describir la trayectoria interna (lp); en el que

la operación de controlar accionadores prevé hacer girar dicho armazón (30) de tal manera que todos los ejes (U) de las boquillas (34), o su proyección sobre la superficie de trabajo (110), en todo momento no intercepten la dirección de avance (D) del segmento de trabajo y, por tanto, que dichos ejes (U) o su proyección formen un ángulo mayor de cero con respecto a la dirección de trabajo (D).

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por que los ejes de boquilla (U) se mantienen en todo momento en un ángulo igual al ángulo llano dividido entre el número de las boquillas (34) o de tal manera que la bisectriz del ángulo formado por las propias boquillas sea tangencial al recorrido de tratamiento térmico por láser (LP).

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado por que los ejes de boquilla (U) se mantienen en un ángulo igual al ángulo llano dividido entre el número de las boquillas (34) o de tal manera que la bisectriz del ángulo formado por las propias boquillas sea tangencial al recorrido de tratamiento térmico por láser (LP), desviándose con respecto a dicho ángulo en cambios de dirección o para evitar obstáculos.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 9 a 11, caracterizado por que comprende disponer dichas boquillas (34) sobre dicho armazón (30) de tal manera que unos ejes longitudinales (U) de las mismas formen un ángulo de inclinación (p) con respecto a dicho eje vertical (I) de tal manera que unos chorros (PJ) de dichas boquillas (34) se intersecan en un punto de deposición de polvo (PD), comprendiendo dicho procedimiento además hacer variar dicho ángulo de inclinación (p) de dichos ejes longitudinales (U) de dichas una o más boquillas (34).

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado por hacer variar dicho ángulo de inclinación (p) de dichos ejes longitudinales (U) de dichas una o más boquillas (34) para satisfacer una o más de las siguientes condiciones:

evitar obstáculos presentes en el espacio de trabajo;

hacer variar la forma del punto de deposición de polvo; y

hacer variar la altura del punto de deposición de polvo (PD).

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado por que dicho proceso de tratamiento térmico es un procedimiento de fusión.