ES2933279T3 - Dispositivo y procedimiento de detección de la posición de un haz láser - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo (100) para detectar la posición de un rayo láser (15) de diámetro predeterminado y emitido por un láser de una máquina de fabricación aditiva, comprendiendo dicho dispositivo de detección (100) una parte superior (102) que comprende un zona de exploración (108) del haz láser (15), comprendiendo dicha zona de exploración (108) en su centro un orificio circular (111) de diámetro sustancialmente igual al diámetro del haz láser y con una posición predeterminada; comprendiendo el dispositivo de detección (100) una parte inferior (103), comprendiendo la parte inferior (103) al menos un sensor (114) para recoger una parte de la energía transmitida por el rayo láser (15); de modo que cuando el rayo láser (15) explora la zona de exploración (108) desde una pluralidad de posiciones, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y procedimiento de detección de la posición de un haz láser

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de la fabricación aditiva y más precisamente, a un dispositivo y a un procedimiento de detección de la posición de un haz láser.

Estado de la técnica

En la actualidad, la fabricación aditiva se considera una tecnología de producción industrial. A este respecto, la fabricación aditiva se utiliza en muchos sectores industriales tales como la aeronáutica o la medicina, que pertenecen a unos campos exigentes. Es necesario producir así unas piezas de muy buena calidad para el cliente final. Por consiguiente, cualquier deriva del procedimiento de fabricación debe ser identificada rápidamente. Además, el cliente final está interesado con frecuencia en el historial de fabricación de la pieza que permite asegurar una trazabilidad del procedimiento de fabricación.

En la técnica anterior, el procedimiento de depósito de material bajo energía concentrada se basa en el principio de depósito de polvos metálicos en estado fundido sobre un sustrato sólido.

En efecto, el principio inicial consiste en utilizar una herramienta para enviar polvo metálico en forma sólida, con una granulometría definida, normalmente del orden de entre 45 y 90 pm, a un haz de potencia tal como un haz láser o un haz de electrones. Atravesando el haz láser, el polvo se calienta y se funde, y alcanza inmediatamente el sustrato en estado fundido para formar una capa. Como la herramienta se desplaza, es posible así crear unos cordones metálicos en el sustrato. Las capas se superponen a continuación de manera que se creen unas piezas volumétricas. El polvo metálico es la base de cualquier construcción efectuada en fabricación aditiva con la ayuda de este procedimiento y por consiguiente, es indispensable un dominio del chorro de polvo y de la herramienta que permite su conformación, es decir, la boquilla.

El polvo, de granulometría muy fina, es enviado en forma de un chorro compuesto: por un gas de transporte (denominado gas portador), y por partículas de polvo metálico. Este chorro permite llevar el polvo hasta el haz láser. El caudal de gas se expresa en litros/minutos y el caudal de polvo en gramos/minutos.

El chorro de polvo procede de un distribuidor de polvo y viaja por un tubo hasta la herramienta de deposición, lo más cerca posible del haz láser, en el que es inyectado. El elemento mecánico por el que sale el chorro de polvo se denomina boquilla. El polvo metálico se deposita sobre el sustrato, alejado en algunos milímetros de la boquilla. Esta última tiene la función de guiar de manera controlada el chorro de polvo que incluye el gas portador con el fin de que dicho chorro de polvo alcance el haz láser de manera óptima. La boquilla se compone de varias piezas mecánicas, incluidos unos conos concéntricos, que tienen por objetivo guiar el polvo. El guiado del chorro de polvo depende de dos conos: el cono exterior y el cono intermedio.

El polvo es dirigido así al haz láser por un chorro de forma cónica anular. Está como "enfocado" en el haz láser, que debe encontrarse en el centro de este chorro cónico.

Sin embargo, es difícil llegar a posicionar correctamente el haz láser en el espacio en la medida en que el haz láser es inmaterial.

Existen unas soluciones que permiten realizar la detección de la posición del haz láser. Sin embargo, estas soluciones son válidas únicamente para unos haces láser de baja potencia. Unos dispositivos de calibración de fuente láser se divulgan por ejemplo en los documentos US 2014/027421 A1, DE 102O09016585 A1 y US 5521 374 A.

Resulta necesario proponer un dispositivo y un procedimiento de detección que superen los inconvenientes mencionados anteriormente. En particular, resulta necesario proponer un dispositivo y un procedimiento de detección de la posición del haz láser que permitan obtener la posición del haz láser con respecto a una posición conocida y esto, para unas potencias elevadas del haz láser.

Resumen de la invención

Según un primer aspecto, el objeto de la invención se refiere a un dispositivo según la reivindicación 1, de detección de la posición de un haz láser de diámetro determinado y emitido por un láser de una máquina de fabricación aditiva, comprendiendo dicho dispositivo de detección una parte superior que comprende una zona de barrido del haz láser, estando dicha zona de barrido situada por debajo de una abertura central circular en una superficie superior de la parte superior, y que comprende en su centro un orificio circular de diámetro esencialmente igual al diámetro del haz láser y de posición determinada, comprendiendo la parte superior un primer y un segundo elemento, comprendiendo el segundo elemento el orificio circular, estando el primer y el segundo elemento configurados de manera que los reflejos del haz láser entre el primer y el segundo elemento sean infinitos para disipar la energía del haz láser;

comprendiendo el dispositivo de detección una parte inferior, comprendiendo la parte inferior por lo menos un sensor para captar una parte de la energía transmitida por el haz láser y que comprende una placa mártir de grafito para absorber la parte restante de la energía transmitida por el haz láser;

de manera que cuando el haz láser barre la zona de barrido según una pluralidad de posiciones, el sensor capte una parte de la energía transmitida por el haz láser para cada posición, siendo máxima la parte de la energía trasmitida cuando el haz láser está alineado con el orificio circular.

Preferentemente, el sensor comprende un fotodiodo.

Preferentemente, el sensor comprende tres fotodiodos.

Preferentemente, el primer elemento comprende unos respiraderos.

Preferentemente, el segundo elemento comprende el orificio circular.

Según un segundo aspecto, el objeto de la invención se refiere a un procedimiento según la reivindicación 5, de detección de la posición de un haz láser emitido por un láser de una máquina de fabricación aditiva por un dispositivo de detección según el primer aspecto, que comprende las etapas siguientes:

- emitir un haz láser de diámetro determinado;

- barrer el haz láser por toda una zona de barrido determinada que comprende un orificio circular de diámetro esencialmente igual al diámetro del haz láser y de posición determinada, comprendiendo dicho barrido una pluralidad de posiciones del haz láser;

- detectar una parte de la energía transmitida por el haz láser para cada posición del haz láser cuando tiene lugar el barrido;

- medir y filtrar la señal obtenida con la ayuda de un sensor, representando dicha señal la cantidad de energía luminosa del láser que atraviesa el orificio circular y que es reflejada por la placa mártir de grafito;

- emitir una señal eléctrica que corresponde a la cantidad de energía detectada para cada posición del haz láser cuando tiene lugar el barrido;

- determinar el valor de la señal eléctrica máxima;

- buscar el instante t que corresponde a la posición del cabezal de fabricación para el valor de la señal eléctrica máxima;

- determinar la posición del haz láser.

Breve descripción de los dibujos

Los objetivos, objetos y características de la invención aparecerán más claramente con la lectura de la descripción siguiente realizada con referencia a los dibujos, en los que:

- la figura 1 muestra es una representación en vista explosionada de un ejemplo de boquilla de deposición conocida en el estado de la técnica,

la figura 2 muestra según una vista en sección y esquemáticamente la boquilla de deposición de la figura 1, en ausencia del cuerpo de boquilla y en presencia del gas portador y del gas secundario.

la figura 3 muestra según una vista en perspectiva, el dispositivo de detección del haz láser, según un modo de realización de la invención.

la figura 4 muestra según una vista en perspectiva la parte superior del dispositivo de detección del haz láser según la figura 3,

la figura 5 muestra el primer elemento del dispositivo de detección del haz láser según la figura 4;

la figura 6 muestra el segundo elemento del dispositivo de detección del haz láser según la figura 4; - la figura 7 muestra según una vista en sección parcial, el dispositivo de detección del haz láser según la figura 4;

- la figura 8 muestra esquemáticamente y según una vista en sección, el dispositivo de detección del haz láser según un modo de realización de la invención;

- la figura 9a muestra esquemáticamente un dispositivo de centrado de los conos, según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 9b muestra una imagen inferior de la boquilla de deposición;

- la figura 9c muestra un esquema de la imagen de la figura 9b;

- la figura 10a muestra según una vista en perspectiva, el dispositivo de centrado de los conos según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 10b muestra según una vista en sección parcial el dispositivo de centrado de los conos según la figura 10a;

- la figura 11 representa según una vista en perspectiva, un sistema de análisis de chorro de polvo según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 12 representa según otra vista en perspectiva, un sistema de análisis de chorro de polvo en ausencia del dispositivo de pesaje, según un modo de realización que no forma parte de la invención; - la figura 13 representa esquemáticamente, según una vista en perspectiva, un elemento separador y la boquilla de deposición que contiene cuatro partes, según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 14 representa según una vista en perspectiva, un elemento separador que contiene seis partes, según otro modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 15 representa según una vista en sección un dispositivo de separación según un modo de realización que no forma parte de la invención.

- la figura 16 muestra según una vista en perspectiva el dispositivo de separación de la figura 15,

- la figura 17 muestra esquemáticamente una vista en sección de un dispositivo de separación según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 18 muestra según una vista en perspectiva un sistema de apertura según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 19 muestra según una vista explosionada una parte del sistema de apertura, según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 20 muestra según una vista parcial en sección, la interacción entre las chapaletas y el dispositivo de apertura, según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 21 muestra según una vista en perspectiva un embudo, según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- la figura 22 muestra según una vista en perspectiva un dispositivo de aspiración, según un modo de realización que no forma parte de la invención;

- las figuras 23a, 23b y 23c representan según una vista frontal, un elemento separador que comprende dos partes y localizado respectivamente en tres alturas diferentes, según un modo de realización que no forma parte de la invención.

Descripción detallada de un modo de realización

La presente invención se refiere al procedimiento DED (en inglés: Directed Energy Deposition), procedimiento de fabricación aditiva que consiste en particular en construir una pieza densa sobre un sustrato, capa tras capa, mediante la fusión de polvos metálicos inyectados a través de un haz láser. Este procedimiento se aplica por medio de una máquina que comprende una boquilla 10 o boquilla de deposición. La figura 1 muestra una vista explosionada de una boquilla 10 que comprende un cuerpo de boquilla 12, un primer cono o cono interior 14, un segundo cono o cono intermedio 16 y un tercer cono o cono exterior 18. El primer cono 14, el segundo cono 16 y el tercer cono 18 son de cobre y están dispuestos de manera concéntrica.

Un haz láser 15 es emitido por un láser. Una fibra óptica permite transportar el haz láser hasta un cabezal óptico (no mostrado) en el que está fijada la boquilla 10. A continuación, el haz láser atraviesa la boquilla hasta el sustrato (no mostrado).

Como se muestra en la figura 2, de manera esquemática, el primer cono 14 es atravesado por el haz láser 15 y no es visible desde el exterior de la boquilla 10. El segundo cono 16 es recorrido por un gas 17 denominado gas secundario tal como el argón que permite la conformación del chorro de polvo con el fin de enfocar el flujo de polvo. El extremo del segundo cono es visible desde el exterior de la boquilla. El tercer cono 18 permite llevar el polvo a nivel del baño de fusión en el sustrato a través de un gas portador 21 tal como el argón.

- Detección del haz láser

La figura 3 muestra un dispositivo de detección 100 del haz láser 15 que comprende una parte superior 102 y una parte inferior 103. El dispositivo de detección 100 permite determinar con precisión la posición del haz láser con respecto a dicho dispositivo de detección 100.

La parte superior 102 mostrada en la figura 4 comprende un primer elemento 104 y un segundo elemento 106 fijados sobre una placa metálica 99. El primer y el segundo elemento 104, 106 son de cobre con el fin de evitar un sobrecalentamiento del material cuando tiene lugar la emisión de un haz láser en el dispositivo de detección 100. En efecto, el material de cobre es de color rojo, al igual que el haz láser. Por lo tanto, el cobre funciona como un espejo y absorbe muy poca energía. Por consiguiente, el cobre se calienta muy poco con respecto a otros materiales.

Como se muestra en la figura 5, el primer elemento 104 tiene forma circular con una altura definida y comprende una abertura central circular 107 en una superficie superior 101 de la parte superior 102. El primer elemento 104 comprende asimismo unas muescas o respiraderos 110. Estas muescas 110 están orientadas cada una a 45° con respecto al eje del haz láser. La figura 5 muestra dos muescas 110 destinadas a mejorar la refrigeración del dispositivo de detección 100. En efecto, cuando el haz láser barre la zona de barrido o superficie 108, descrita a continuación, del dispositivo de detección 100, la boquilla emite asimismo un chorro de gas secundario 17. Gracias a los respiraderos 110, el gas secundario 17 puede circular libremente entre las superficies cónicas y escaparse después por los respiraderos 110. El dispositivo de detección 100 se enfría entonces por convección. El ángulo definido de 45° (grados) permite evitar que los reflejos del haz láser salgan del dispositivo de detección 100 para dañar el entorno de dicho dispositivo de detección 100.

El segundo elemento 106 se muestra en la figura 6 y comprende una forma circular con un espesor definido. En el centro del segundo elemento 106 se encuentra una superficie 108 en forma de punta perforada por una abertura circular u orificio calibrado 111 con un diámetro de aproximadamente entre 800 pm (micrómetros) y 50 pm (micrómetros). Este diámetro corresponde aproximadamente al diámetro del haz láser. El orificio calibrado 111 está situado en el centro de la abertura central circular 107.

El segundo elemento 106 comprende asimismo un canal de refrigeración en forma de U cuyos orificios de entrada 62 y de salida 64 para el fluido de refrigeración, por ejemplo agua, son visibles en las figuras 4 y 6. La figura 4 muestra asimismo los racores 66 de sujeción rápida de tubería.

Como se muestra en la vista en sección parcial de la figura 7, las formas del primer y del segundo elemento 104, 106 están adaptadas para que los reflejos del haz láser sean infinitos entre las dos superficies cónicas interiores como se muestra en la figura 7 con las flechas. La energía del haz láser se disipa así a medida que se propaga, y se evitan los reflejos nefastos en la boquilla 10. La superficie 108 o zona de barrido se muestra asimismo en la figura 7.

Como se muestra en la figura 3, el dispositivo de detección 100 comprende asimismo una parte inferior 103 que comprende tres compartimentos 50 que comprenden cada uno un sensor tal como un fotodiodo 114 (no visibles). En la figura 3 solo se muestran dos compartimentos 50. La parte inferior 103 comprende asimismo un receptáculo 52 que comprende un elemento absorbente tal como una placa mártir de grafito 54 (no visible) en el fondo del receptáculo 52. Así, el haz láser pasa a través del orificio calibrado 111 y pasa a golpear la placa mártir de grafito 54. Una parte de la energía o energía residual es reflejada por la placa mártir de grafito 54. La figura 8 muestra en un diagrama de bloques y según una vista en sección dos fotodiodos 114 localizados bajo el segundo elemento 106. Los fotodiodos 114 están dispuestos frente a la placa mártir de grafito 54 para poder captar o detectar o medir la energía residual del haz láser 15 reflejado por la placa mártir de grafito 54. El modelo de cada fotodiodo 114 es por ejemplo PIN-5DPI de la marca Osi Optoelectronics. Los fotodiodos 114 se utilizan por ejemplo en modo fotovoltaico. Los fotodiodos 114 se pueden utilizar asimismo en modo de bloqueo. Cada fotodiodo 114 está acoplado dentro de un circuito electrónico por ejemplo con un montaje de amplificación de transimpedancia con el fin de amplificar la baja corriente generada y convertirla en señal de tensión legible más fácilmente por un microcontrolador.

El haz láser 15 barre la zona de barrido o superficie 108, visible en el centro de la abertura central circular 107 alrededor del orificio calibrado 111, y el propio orificio calibrado 111, haciendo por ejemplo unas idas y vueltas sobre esta superficie 108 de manera que barra la totalidad de la superficie 108. Cuando el haz láser está posicionado exactamente por encima y en el centro del orificio calibrado 111, la energía del haz láser que alcanza la placa mártir de grafito es máxima. Así, el objetivo del módulo de detección es buscar el momento en el que el haz láser 15 y el orificio calibrado 111 están perfectamente alineados. En la medida en que se conoce la posición del orificio calibrado 111, se puede deducir la posición del haz láser 15. La energía residual del haz láser 15 que es emitido por la placa mártir de grafito 54 es medida por los fotodiodos 114. Cuando esta energía es máxima, esto significa que el haz láser 15 está alineado con el orificio calibrado 111.

El dispositivo de detección del haz láser 100 comprende asimismo unos medios estructurales adicionales. Estos medios estructurales adicionales comprenden, por ejemplo, un hombro en el primer elemento 104 que permite un centrado corto sobre una placa de base 208 mostrada en la figura 10a con el fin de permitir el posicionamiento del dispositivo de detección del haz láser 100 de manera exacta y conocer la posición del orificio calibrado 111 de manera precisa.

El dispositivo de detección 100 del haz láser comprende también unos medios de fijación tales como unos espaciadores con tornillos y unos fileteados en la placa de base 208 para permitir el mantenimiento en posición del dispositivo de detección 100. El dispositivo de detección 100 del haz láser debe estar posicionado de manera muy precisa con el fin de conocer la posición exacta del orificio calibrado 111 con el fin de deducir posteriormente la posición del haz láser cuando este está alineado con el orificio calibrado 111.

Cuando tiene lugar la utilización del dispositivo de detección 100 del haz láser 15, el procedimiento de detección comprende las etapas descritas a continuación. La boquilla 10 emite un haz láser con una potencia de aproximadamente, por ejemplo, entre 200 y 300 W (vatios) o preferentemente entre 500 y 700 W (vatios) que recorre la superficie de la punta perforada 108 visible por medio de la abertura central circular 107 de la pieza superior 104. Así, la zona de barrido 108 está situada por debajo de la abertura central circular 107. El haz láser 15 barrerá la superficie 108 ocupando varias posiciones. Cuando el haz láser 15 ocupa unas posiciones situadas en el exterior del orificio calibrado, la energía del haz láser se difunde en el cobre por medio de los reflejos infinitos visibles por las flechas en la figura 7. Los fotodiodos proporcionan entonces una señal nula. Cuando el haz láser ocupa unas posiciones situadas por encima del orificio de manera no centrada, la energía del haz láser es transmitida por medio del orificio circular 111 a la placa mártir de grafito 54. Los fotodiodos 114 captan una cantidad de energía residual y producen entonces una señal eléctrica no nula. Cuando el haz láser pasa completamente por encima del orificio calibrado 111 y está alineado con el orificio calibrado 111, el conjunto de la energía del haz láser atraviesa el orificio calibrado 111 y toca la placa mártir de grafito 54 que absorbe su mayor parte. La energía residual del haz láser es medida por los fotodiodos 114 y filtrada después por medio de los circuitos electrónicos. En esta situación, la energía residual captada por los fotodiodos es máxima. Para el conjunto de las posiciones ocupadas por el haz láser, se produce una señal eléctrica que tiene la forma de una gaussiana. La posición del haz láser alineado con el orificio calibrado 111 corresponde al pico de la gaussiana. A continuación, se utiliza el registro de las posiciones de la máquina. Se trata de un fichero proporcionado por la máquina de fabricación aditiva y que registra las posiciones del cabezal de fabricación que emite el haz láser y por lo tanto de la boquilla con el fin de conocer la posición exacta de dicho cabezal de fabricación en un instante t. Este archivo genera una entrada cada 15 ms (milisegundos) aproximadamente. Así, el registro de las posiciones y la señal obtenida por los fotodiodos se sincronizan o se ponen en correspondencia temporal para obtener las coordenadas X e Y que corresponden al punto focal, es decir al centro del haz láser de manera relativa a la posición del dispositivo de detección 100 del haz láser.

Así, el procedimiento de detección de la posición del haz láser comprende las etapas siguientes para la boquilla 10 que se desplaza según unas posiciones definidas en un punto de referencia (O,x,y) por encima de la superficie 108 que contiene el orificio calibrado 111:

- emitir un haz láser de una potencia determinada y barrer la superficie 108, es decir alrededor del orificio calibrado 111 y en el orificio calibrado 111 de manera que la energía del haz láser se disipe entre el primer y el segundo elemento 104, 106;

- medir y filtrar la señal obtenida con la ayuda de los fotodiodos 114, representando dicha señal la cantidad de energía luminosa del láser que atraviesa el orificio calibrado 111 y que es reflejada por la placa mártir de grafito 54;

- sincronizar en una escala de tiempo o poner en correspondencia temporal la señal eléctrica filtrada con los datos de posición de la boquilla de deposición 10 o del cabezal de fabricación de la máquina de fabricación aditiva;

- obtener, en el punto de referencia de la boquilla de deposición 10 o del cabezal de fabricación, la posición para la cual el punto focal del haz láser está exactamente por encima del orificio calibrado y está alineado por lo tanto con el orificio calibrado 111, es decir para un valor máximo de la señal eléctrica filtrada.

Así, el dispositivo de detección 100 del haz láser 15 permite determinar la posición del punto focal del haz láser 15 con una precisión del orden de 50 pm (micrómetros) para una potencia de haz láser comprendida entre 1 y 1000 W (vatios) aproximadamente o incluso más allá de 1500 W.

- Centrado y estado de los conos: modos de realización que no forman parte de la invención

La figura 9a muestra esquemáticamente, y según un diagrama de bloques, un dispositivo de centrado de los conos 200. El dispositivo de centrado de los conos 200 comprende un dispositivo de iluminación 202 y una cámara 204.

El dispositivo de iluminación 202 ilumina según el color rojo. En efecto, como los conos de cobre de la boquilla son de color rojo, esta iluminación es la más adecuada. El dispositivo de iluminación 202 comprende una cúpula luminosa por ejemplo de la marca Effilux y por ejemplo de 100 mm (milímetros) de diámetro que comprende un orificio en la superficie inferior de dicha cúpula.

La cámara 204 es de muy alta definición y tiene un sensor negro y blanco. Así, la cámara 204 es por ejemplo de la marca Basler acA2440-20gm y tiene por ejemplo una resolución de 2448*2048. La distancia focal es de 35 mm (milímetros) por ejemplo. El objetivo elegido es, por ejemplo, el Fujinon HF35HA1B.

Como se muestra en la figura 10a, el dispositivo de centrado de los conos 200 comprende asimismo un soporte 206 para la cámara 204.

El dispositivo de centrado 200 de los conos comprende una placa de base 208 de policarbonato por debajo de la cual se sitúan el dispositivo de iluminación 202 y la cámara 204. La placa de base comprende tres perforaciones o tres orificios con el fin de integrar el dispositivo de detección 100 del haz láser, el dispositivo de centrado 200 de los conos y el sistema de análisis del chorro de polvo descrito a continuación. Como se muestra en la figura 10b, la cámara 204 está protegida, por un vidrio 56 de policarbonato, del polvo y de los polvos residuales que podrían introducirse en el dispositivo de centrado 200 de los conos a través del orificio en el fondo del dispositivo de iluminación 202.

Cuando tiene lugar la utilización del dispositivo de centrado 200 de los conos, el centro del haz láser tal como el medido con el dispositivo de detección del haz láser debe estar alineado con un punto de referencia conocido de la cámara 204, por ejemplo el centro de una imagen tomada por la cámara 204 como se muestra en la figura 9b.

El conjunto de las etapas de cálculo realizadas en el marco del funcionamiento del dispositivo de centrado 200 de los conos se efectúa mediante un programa informático de visualización industrial. La cámara adquiere unas imágenes relativas al extremo de la boquilla y que corresponden a los círculos concéntricos mostrados en la figura 9c.

El procedimiento de centrado 200 de los conos comprende en primer lugar una etapa de cálculo de los centros asociados a los diferentes diámetros visibles de los conos exterior 18 e intermedio 16 mostrados en la figura 9c. A continuación, el procedimiento comprende una etapa de cálculo del desplazamiento según el eje horizontal OX y el eje vertical OY del haz láser, así como el de los diferentes centros de círculos que corresponden a los conos y calculados en la etapa anterior.

Si estos parámetros tienen unos valores correctos con respecto a unos valores de referencia determinados, el procedimiento continúa con las etapas siguientes. El procedimiento comprende así una etapa de cálculo de los diámetros interiores y exteriores de los diferentes conos interior e intermedio mediante la técnica de los mínimos cuadrados. La desalineación máxima tolerada alrededor del haz láser es del orden de 50 pm (micrómetros). El procedimiento comprende después una etapa de detección y de medición de los defectos de tipo deformación, obstrucción, falta de material en los dos conos visibles por medio de un reconocimiento de imágenes mediante un programa informático.

Si se detecta un defecto por medio de un reconocimiento de imágenes mediante un programa informático, el procedimiento continúa con una intervención del usuario para efectuar la operación necesaria en la boquilla tal como la realineación o la limpieza de los conos, o el cambio completo de los conos si están dañados.

Si no se detecta ningún fallo, el procedimiento continúa con una etapa de guardado de los datos medidos en una base de datos.

El procedimiento de centrado de los conos comprende así las etapas siguientes:

- colocar el haz láser con una posición medida con el módulo de detección del haz láser en el punto de referencia definido, es decir el centro de la imagen tomada por la cámara

- comenzar la adquisición de imagen

- detectar la presencia de defectos en los conos e intervenir el usuario para un cambio de los conos si es necesario

- medir los diámetros de los conos exteriores e intermedios

- comparar con unos valores de referencia e intervenir el usuario para un cambio de los conos si es necesario - calcular los centros asociados a dichos diámetros

- calcular el desplazamiento según el eje horizontal OX y según el eje horizontal OY de los conos con respecto al haz láser, es decir con respecto al centro de la cámara

- en función de los resultados, intervenir el usuario en la boquilla para una realineación de los conos.

Así, el dispositivo de centrado 200 de los conos permite verificar que los conos son concéntricos alrededor del haz láser, pero también que están en buen estado, es decir redondos y limpios. El dispositivo de centrado 200 de los conos permite asimismo guardar un historial del estado de los conos a medida que se fabrican.

- Análisis del chorro de polvo: modos de realización que no forman parte de la invención

Las figuras 11 y 12 muestran un sistema de análisis de chorro de polvo 310. El sistema de análisis 310 comprende un dispositivo de separación 312, un dispositivo de apertura 314, un dispositivo de pesaje o báscula 316 y un dispositivo de aspiración 348.

El sistema de análisis está adaptado para funcionar con el dispositivo de detección 100 del haz láser y el dispositivo de centrado 200 de los conos.

El sistema de análisis 310 está adaptado asimismo para funcionar con una boquilla de deposición integrada en una máquina de fabricación aditiva tal como la conocida en el estado de la técnica y mostrada en las figuras 2 y 13. La boquilla de deposición 10 comprende en particular el cono intermedio 16 y el cono exterior 18. El chorro de polvo 21 contiene polvo metálico y un gas portador. El chorro de polvo 21 adopta la forma de un chorro por medio de los conos intermedio 16 y exterior 18. El chorro de polvo incidente o inicial 21 tiene un diámetro a la salida del cono de aproximadamente 10 mm y una distancia focal a partir de la salida del cono exterior de aproximadamente 5 mm.

Como se muestra en la figura 13, según un diagrama de bloques, el dispositivo de separación 312 comprende un elemento separador 326 provisto de una pared lateral circular 328 que define un cilindro. El diámetro del elemento separador 326 es del orden de algunos centímetros. El elemento separador 326 comprende una o varias paredes de separación 330 que están dispuestas de manera simétrica con respecto al eje de simetría central del cilindro. Las paredes de separación 330 dividen así el volumen interior del elemento separador 326 en un número de partes o de alveolos que tienen cada uno el mismo volumen. En la figura 13, las cuatro paredes de separación 330 dividen el volumen del elemento separador 326 en cuatro partes de igual volumen. El número de paredes de separación 330 puede variar para obtener un número de partes de igual volumen comprendido entre 2 y 10 por ejemplo. La presencia de un número elevado de partes de igual volumen permite verificar mejor la homogeneidad del chorro de polvo. La longitud de una pared de separación puede ser la longitud del radio del elemento separador o la longitud del diámetro del elemento separador.

Como se muestra en la figura 14, según otra variante, el elemento separador 327 puede contener seis paredes de separación para obtener seis partes de igual volumen. El grosor de las paredes de separación 330 debe ser lo más pequeño posible, y es del orden de 0,1 mm por ejemplo, con el fin de perturbar al mínimo el flujo del chorro de polvo 21 y realizar una separación neta del chorro de polvo.

El elemento separador 326, 327 puede estar realizado de metal para poder resistir la erosión por el chorro de polvo. El elemento separador 326 puede estar realizado por fabricación aditiva SLM (en inglés: Selective Laser Melting) utilizando por ejemplo un acero inoxidable 316L o un acero para herramienta de tipo H13 (X40CrMoV5-1). El diámetro del elemento separador 326, 327 es de aproximadamente 3 cm (centímetros).

Así, como se muestra en la figura 13, el chorro de polvo inicial 21 que cae sobre el elemento separador 326 se divide a través de las partes de dicho elemento separador. El elemento separador 326 de la figura 13 permite dividir o separar el chorro de polvo en cuatro partes de chorro de polvo y el elemento separador 327 de la figura 14 permite dividir o separar el chorro de polvo en seis partes de chorro de polvo.

El dispositivo de separación 312 comprende unos medios para detectar la cantidad de polvo en cada parte de chorro de polvo. Estos medios comprenden por un lado una cámara de expansión 332 descrita a continuación y una cámara de almacenamiento 340 descrita a continuación.

Así, como se muestra en la figura 15, el dispositivo de separación 312 comprende asimismo un primer receptáculo o cámara de expansión 332 que tiene un extremo cilíndrico. En efecto, el primer receptáculo 332 es una zona destinada a servir como cámara de expansión para el gas portador contenido en el chorro de polvo 21 y le permite escaparse a través de un deflector circunferencial 336 como se muestra mediante las flechas 338 permitiendo al mismo tiempo que el polvo fluya en el segundo receptáculo 340.

El segundo receptáculo o cámara de almacenamiento 340 mostrado en la figura 15 comprende unas bombas de almacenamiento 342 para almacenar el polvo que ha fluido. La cámara de almacenamiento 340 tiene un extremo lineal que permite la fijación del dispositivo de apertura descrito a continuación como se muestra en la figura 16.

La figura 16 muestra una vista en perspectiva del dispositivo de separación 312 de la figura 15.

La estructura formada por el elemento separador 327, es decir por la pared lateral circular 328 y las paredes de separación 330, así como la cámara de expansión 332 forman unos conductos por los cuales fluyen las partes de chorros de polvo, fluyendo cada parte de chorro de polvo en un conducto respectivo determinado. Las bombas de almacenamiento 342 forman el extremo de los conductos.

Cada bomba de almacenamiento 342 comprende una chapaleta 344 para permitir abrir y cerrar cada conducto. El movimiento de apertura y de cierre de las chapaletas 344 está representado en la figura 17, según un diagrama de bloques, mediante las flechas bidireccionales 346. Cada chapaleta 344 comprende un resorte de retorno 60.

Las chapaletas 344 funcionan con un dispositivo de apertura 314.

El dispositivo de apertura 314 de las chapaletas está automatizado por medio de levas regulables, por ejemplo como se muestra en la figura 18. Cada chapaleta 344 puede ser pilotada así independientemente una de la otra. El número de levas es igual al número de chapaletas igual a su vez al número de partes del elemento separador 327. En efecto, como se muestra en la figura 19, el dispositivo de apertura 314 comprende seis levas 315 montadas a tope contra el hombro sobre un eje 317 de sección heptagonal, separadas por unos espaciadores y bloqueadas por un anillo elástico 323. La leva 315 situada en el extremo del eje 317 comprende un imán 321. El eje 317 está montado sobre unos cojinetes de PTFE (politetrafluoroetileno) y es accionado por un motor con un sistema de polea y de correa que tiene una relación de reducción de dos para reducir la velocidad de rotación al máximo. El dispositivo de apertura 314 comprende un sensor de lámina flexible o de efecto Reed que está posicionado lateralmente con el fin de detectar el instante en que la leva situada en el extremo del eje 317 pasa delante del sensor de lámina flexible. La figura 20 muestra una vista en sección del dispositivo de apertura 314 con las chapaletas 344. Como se muestra en la figura 20, un embudo 346 descrito a continuación está asociado a una faldilla 323 con el fin de evitar que una cantidad de polvo sea expulsada fuera del embudo 346 cuando las chapaletas se cierran bajo el efecto del resorte de retorno 60. La faldilla 323 permite redirigir hacia el embudo los granos de polvo expulsados hacia la parte delantera del dispositivo de separación. La longitud del sistema de análisis desde el elemento separador 327 hasta el embudo es de aproximadamente 20 cm (centímetros).

Según un modo de realización, el dispositivo de separación comprende seis chapaletas 344.

Como se muestra en la figura 16, la cámara de expansión 332 y la cámara de almacenamiento 340 forman asimismo los conductos para guiar el polvo hacia las chapaletas 344. Con el fin de permitir que el polvo se deslice en los conductos con un mínimo de fricción, el material utilizado debe ser liso y preferentemente conductor para evitar los fenómenos de electricidad estática. Así, el conjunto formado por la cámara de expansión 332, la cámara de almacenamiento 340 y las chapaletas 344 está realizado en estereolitografía. Esta técnica de impresión 3D permite utilizar un material transparente, el TuskXC2700T, que tiene unas características mecánicas similares al ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno) y al PBT (politereftalato de butileno). En efecto, una pieza de ABS puede ser reemplazada por una pieza de Tusk de igual geometría en un sistema mecánico sin perturbar el funcionamiento de dicho sistema mecánico.

El sistema de análisis 310 comprende asimismo un embudo 346 mostrado en la figura 21. Así, cuando tiene lugar la apertura de las chapaletas 344, el polvo puede escaparse hacia el embudo 346. El embudo 346 comprende un tubo coaxial 347 a la salida del embudo para poder realizar la aspiración del polvo como se indica a continuación. Como se muestra en la figura 20, el embudo 346 comprende asimismo unos tetones de sujeción 58 para los resortes de retorno 60 del dispositivo de apertura 314 y un refuerzo para rigidizar los tetones de sujeción 58. El embudo 346 comprende también diferentes patas de fijación y orificios terrajados, así como el paso de eje que permite el posicionamiento del embudo con respecto al dispositivo de separación 312 y a las chapaletas 344.

El sistema de análisis 310 comprende asimismo un dispositivo de pesaje o báscula 316 mostrado en la figura 11. Así, la forma del embudo 346 permite guiar el polvo hacia la báscula 316 para determinar el peso de polvo que fluye en un conducto determinado.

El sistema de análisis comprende asimismo un dispositivo de aspiración 348 mostrado en las figuras 11 y 22 y capaz de evacuar el polvo presente en la báscula 316, después de las mediciones. El dispositivo de aspiración 348 comprende un tubo de aspiración Venturi de una pieza mostrado en la figura 22 en el que se inyecta argón para realizar la aspiración del polvo.

El sistema de análisis se puede ensamblar dentro de una caja tal como un cárter (no mostrada).

Cuando tiene lugar su funcionamiento, el sistema de análisis 310 se coloca en el recinto de trabajo de una máquina de fabricación aditiva según la técnica anterior. El sistema de análisis 310 debe estar al alcance de la boquilla 10, que es móvil. Más precisamente, la boquilla 10 debe estar situada por encima del sistema de análisis 310, de manera centrada. Así, el sistema de análisis 310 está adaptado para funcionar con el dispositivo de detección del haz láser 100 y el dispositivo de centrado de los conos 200 previamente al funcionamiento de dicho sistema de análisis. Así, antes del inicio del análisis del chorro de polvo metálico, el haz láser está situado por encima del sistema de análisis de manera centrada con los conos también centrados. El funcionamiento del sistema de análisis descrito a continuación permite determinar entonces si el centrado de los conos es satisfactorio para obtener un chorro de polvo homogéneo.

Cuando tiene lugar un análisis, la boquilla 10 se posiciona por encima del sistema de análisis y por encima del centro del elemento separador 326, como se muestra en la figura 13 que representa un diagrama de bloques. El chorro de polvo inicial 21 procedente de la boquilla 10 penetra entonces en el sistema de análisis 310 por medio de la parte superior del elemento separador 326 que tiene la función de dividir o separar el chorro de polvo inicial en un número de partes de chorro de polvo acabado. El chorro de polvo inicial 21 se vierte durante un tiempo determinado.

Cuando se ha dividido el chorro de polvo inicial 21, cada parte de chorro de polvo continúa su trayectoria en un conducto limpio, con las características dimensionales determinadas para favorecer un flujo sin turbulencia. En cada conducto, la parte de chorro de polvo recorre la cámara de expansión 332 con el fin de dejar escapar el gas contenido en el chorro de polvo 21.

La cantidad de polvo es detenida a continuación por el sistema de chapaletas mecánico 344 para ser almacenada en la cámara de almacenamiento 340. Por debajo de estas chapaletas 344 mecánicas se encuentra la báscula 316 que permite pesar cada parte de polvo como se muestra en la figura 11.

Para inicializar el sistema antes de la etapa de pesaje en la báscula 316, todas las chapaletas se abren al mismo tiempo durante unos segundos en presencia de un chorro de polvo. Todas las chapaletas se cierran después al mismo tiempo. A continuación, el polvo llena las bombas de almacenamiento durante un tiempo definido del orden de dos a cinco minutos en función del caudal regulado.

El ciclo de pesaje comienza con la apertura de una primera chapaleta 344 que libera el polvo que alcanza la báscula 316 para un pesaje. El valor se registra en una base de datos y se vincula al conducto, que corresponde a la primera zona de muestreo del chorro de polvo.

Una segunda chapaleta mecánica 344 se abre a su vez y se efectúa un segundo pesaje. El valor así recogido corresponde a la suma de la primera parte con la segunda parte. La diferencia de las dos permite obtener el valor propio de la segunda parte de muestreo.

Este ciclo se repite tantas veces como partes de separación de polvo haya. Al final, se ha pesado cada parte de polvo y, por lo tanto, es posible comparar la cantidad de polvo en cada parte del chorro de polvo. Además, la suma de cada parte permite obtener la masa total de la cantidad de polvo muestreada durante un tiempo definido. Se obtiene entonces el caudal de polvo.

Una vez finalizado el ciclo, el polvo depositado en la báscula es evacuado por el dispositivo de aspiración 348.

Las figuras 23a, 23b y 23c muestran, según un diagrama de bloques, una vista frontal del flujo del chorro de polvo en un elemento separador 328 que comprende, según otro modo de realización, dos paredes de separación con el fin de separar el chorro de polvo inicial en dos chorros de polvo. El elemento separador 328 está situado a diferentes alturas z con respecto al flujo del chorro de polvo inicial. En la figura 23a, el elemento separador 328 está situado a una distancia z1 de la boquilla 10, lo cual genera la formación de dos partes de chorro de polvo 350, 352. En la figura 23b, el elemento separador 328 está situado a una distancia z2 de la boquilla 10, lo cual genera la formación de dos partes de chorro de polvo 354, 356. En la figura 23c, el elemento separador 328 está situado a una distancia z3 de la boquilla 10, lo cual genera la formación de dos partes de chorro de polvo 358, 360.

Así, el efecto técnico del sistema de análisis 310 según la invención es permitir en particular una caracterización del chorro de polvo en función de diferentes alturas.

El efecto técnico del sistema de análisis 310 es asimismo controlar la homogeneidad del chorro de polvo con el fin de validar el centrado correcto de los conos de la boquilla. Esta medición de la homogeneidad se realiza midiendo la cantidad de polvo que fluye por cada conducto.

Por último, el sistema de análisis 310 permite también determinar el caudal másico del chorro de polvo.

El sistema de análisis comprende asimismo un dispositivo electrónico de control (no mostrado) con el fin de controlar el motor que permite abrir las chapaletas 344 y adquirir los datos de la báscula 316 para realizar los cálculos de los diferentes pesajes.

El conjunto formado por el dispositivo de detección del haz láser, el dispositivo de centrado de los conos y el sistema de análisis del chorro de polvo se coloca por lo tanto en el interior de la máquina de fabricación aditiva y necesita solamente colocar la boquilla de deposición por encima del dispositivo de detección del haz láser para iniciar el proceso de detección del haz láser. A continuación, se puede utilizar el dispositivo de centrado de los conos, gracias a una distancia conocida entre el centro del dispositivo de centrado 20o de los conos y el orificio calibrado 111, y después se utiliza a su vez el sistema de análisis del chorro de polvo.

Las figuras 8, 9a, 13, 17 y 23a, 23b y 23c representan unos diagramas de bloques y están simplificadas con respecto a las otras figuras que representan los modos de realización posibles.

Los modos de realización descritos anteriormente se indican únicamente a título de ejemplos.

Claims (5)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (100) de detección de la posición de un haz láser (15) de diámetro determinado y emitido por un láser de una máquina de fabricación aditiva, comprendiendo dicho dispositivo de detección (100) una parte superior (102) que comprende una zona de barrido (108) del haz láser (15), estando dicha zona de barrido (108) situada por debajo de una abertura central circular (107) en una superficie superior (101) de la parte superior (102), y que comprende en su centro un orificio circular (111) de diámetro esencialmente igual al diámetro del haz láser y de posición determinada, comprendiendo la parte superior (102) un primer (104) y un segundo elemento (106), comprendiendo el segundo elemento (106) el orificio circular (111), estando el primer (104) y el segundo elemento (106) configurados de manera que los reflejos del haz láser (15) entre el primer y el segundo elemento (104, 106) sean infinitos para disipar la energía del haz láser (15);

comprendiendo el dispositivo de detección (100) una parte inferior (103), comprendiendo la parte inferior (103) por lo menos un sensor (114) para captar una parte de la energía transmitida por el haz láser (15) y que comprende una placa mártir de grafito (54) para absorber la parte restante de la energía transmitida por el haz láser (15);

de manera que cuando el haz láser (15) barre la zona de barrido (108) según una pluralidad de posiciones, el sensor (114) capte una parte de la energía transmitida por el haz láser para cada posición, siendo máxima la parte de la energía transmitida cuando el haz láser (15) está alineado con el orificio circular (111).

2. Dispositivo de detección según la reivindicación 1, comprendiendo el sensor (114) un fotodiodo.

3. Dispositivo de detección según la reivindicación 2, comprendiendo el sensor (114) tres fotodiodos.

4. Dispositivo de detección según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el primer elemento (104) unos respiraderos (110).

5. Procedimiento de detección de la posición de un haz láser (15) emitido por un láser de una máquina de fabricación aditiva por un dispositivo de detección (100) según una de las reivindicaciones 1 a 4, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes:

- emitir un haz láser (15) de diámetro determinado;

- barrer el haz láser (15) por toda una zona de barrido (108) determinada que comprende un orificio circular (111) de diámetro esencialmente igual al diámetro del haz láser (15) y de posición determinada, comprendiendo dicho barrido una pluralidad de posiciones del haz láser (15);

- detectar una parte de la energía transmitida por el haz láser (15) para cada posición del haz láser (15) cuando tiene lugar el barrido;

- medir y filtrar la señal obtenida con la ayuda de un sensor (114), representando dicha señal la cantidad de energía luminosa del láser que atraviesa el orificio circular (111) y que es reflejada por la placa mártir de grafito (54);

- emitir una señal eléctrica que corresponde a la cantidad de energía detectada para cada posición del haz láser (15) cuando tiene lugar el barrido;

- determinar el valor de la señal eléctrica máxima;

- buscar el instante t que corresponde a la posición del cabezal de fabricación para el valor de la señal eléctrica máxima;

- determinar la posición del haz láser (15).