ES2964623T3 - Procedimiento y aparato para manufacturar piezas metálicas 3D - Google Patents

Procedimiento y aparato para manufacturar piezas metálicas 3D Download PDF

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Abstract

Un método para fabricar una pieza metálica en un material soldable mediante fabricación sólida de forma libre, sin restricciones de tamaño y abierta a la atmósfera ambiental. El método comprende generar un modelo tridimensional generado por computadora de la pieza, dividir el modelo tridimensional generado por computadora en un conjunto de capas cortadas paralelas generadas por computadora y luego dividir cada capa en un conjunto de capas virtuales generadas por computadora. , piezas unidimensionales y, con referencia a datos de geometría del cordón de soldadura en capas, formando un modelo en capas de la pieza, generado por computadora y con dirección específica. El método también comprende cargar el modelo en capas, específico de dirección, de la pieza en un sistema de control de soldadura capaz de controlar la posición y activación con respecto a un sustrato de soporte, de un arco eléctrico emitido por un soplete de soldadura por arco de tungsteno de alta energía, un arco transferido por plasma. un soplete de soldadura y/o un soplete de soldadura por arco metálico con gas, y un sistema para alimentar un alambre consumible colocado en un área abierta que construye un espacio relevante para el sustrato sin restricciones de tamaño y abierto a la atmósfera ambiental. El método también comprende dirigir el sistema de control de soldadura para que deposite una secuencia de cordones de soldadura unidimensionales del material soldable sobre el sustrato de soporte en un patrón requerido para formar una primera capa del modelo en capas de la pieza, de dirección específica y generado por computadora. y depositar una segunda capa soldada secuenciando cordones de soldadura unidimensionales del material soldable sobre la capa depositada previamente en una configuración igual que la segunda capa del modelo en capas de dirección específica generado por computadora de la pieza, y repitiendo cada soldadura sucesiva. capa de cordón del modelo en capas, de dirección específica y generado por computadora de la pieza hasta que se complete toda la pieza. El método incluye además uno o ambos de desplazar la atmósfera dentro de las inmediaciones de la fuente de calor con una atmósfera de gas inerte que produce un caudal requerido, y en la que esa atmósfera inerte contiene una concentración máxima de oxígeno, en el que el gas inerte se suministra mediante un aparato a través de una matriz de difusores de gas individuales y/o un filtro; y acoplar un aparato de calentamiento por inducción y enfriamiento de circuito cerrado sinérgico a un sistema de control de soldadura y precalentar el material del sustrato que incluye los cordones de soldadura depositados, relevante para el tipo de material soldable, en donde los ciclos de calentamiento y enfriamiento por inducción se aplican constantemente o pulsados desde el desde la primera capa hasta la capa final, donde los ciclos óptimos de calentamiento y/o enfriamiento del material soldable son relativos a la forma y microestructura final deseada de la pieza. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y aparato para manufacturar piezas metálicas 3D
Sector técnico de la invención
Esta invención se refiere a un procedimiento y un aparato para manufacturar objetos metálicos soldables, mediante fabricación sólida de forma libre.
Estado de la técnica anterior
Las piezas metálicas, incluidos componentes estructurales y de máquinas, que se fabrican a partir de cualquier tipo de material para un uso previsto, normalmente son fabricadas mediante fundición, forja, laminación y mecanizado a partir de un lingote o palanquilla. Estos procedimientos normalmente tienen el inconveniente de un alto porcentaje de desperdicio de material al terminar la pieza hasta su forma final. Adicionalmente, estos procedimientos mejoran los tiempos de suministro de las piezas completadas.
Las piezas metálicas que son totalmente densas en su forma física también pueden ser manufacturadas utilizando tecnologías identificadas como manufactura aditiva, creación rápida de prototipos, manufactura rápida, manufactura en capas o fabricación aditiva. Este procedimiento de manufactura abarca la utilización de software de diseño asistido por ordenador (CAD, Computer Aided Design) para desarrollar inicialmente un modelo generado por ordenador de la pieza que se va a manufacturar para, a continuación, convertir el modelo generado por ordenador en capas delgadas paralelas que normalmente están en un plano horizontal. A continuación, la pieza metálica se manufactura colocando capas sucesivas de material en forma de polvo consumible, fusionando cada capa secuencialmente hasta que se forma una forma final que se asemeja al modelo de CAD. Este procedimiento también se conoce comúnmente como impresión 3D, fabricación sólida de forma libre, creación rápida de prototipos o manufactura aditiva por arco de alambre.
El procedimiento descrito en el párrafo anterior permite manufacturar piezas metálicas de casi cualquier forma con las ventajas de mayores tiempos de producción, dependiendo del tamaño de cada pieza metálica. El procedimiento normalmente está restringido a prototipos, producción de bajo volumen y tiradas de producción pequeñas, pero es menos adecuado para piezas grandes y manufactura en volumen. Otros procedimientos y aparatos para manufacturar objetos metálicos soldables mediante fabricación sólida de forma libre se dan a conocer en la Patente US 2015/108095 A1 y en el documento de J. Ding et al: “Development of a laminar flow local shielding device for wire arc additive manufacture”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 226, 1 de diciembre de 2015 (01/12/2015), páginas 99-105.
Antes de pasar a un resumen de la solución dada a conocer por la presente invención, se debe apreciar que la referencia a cualquier técnica anterior en esta memoria descriptiva no es, ni debe ser tomada como, un reconocimiento o cualquier forma de sugerencia de que este estado de la técnica forma parte del conocimiento general común en ningún país.
Características de la invención
En un aspecto, la presente invención da a conocer un procedimiento para manufacturar una pieza metálica en un material soldable, mediante fabricación sólida de forma libre, no limitada en tamaño y abierta a la atmósfera ambiental, en el que el procedimiento comprende:
generar un modelo tridimensional de la pieza generado por ordenador, rebanar el modelo tridimensional generado por ordenador en un conjunto de capas rebanadas paralelas generadas por ordenador y, a continuación, dividir cada capa en un conjunto de fragmentos unidimensionales, virtuales y generados por ordenador y, haciendo referencia a datos de la geometría del cordón de soldadura en capas, formar un modelo en capas de la pieza, de dirección específica y generado por ordenador,
cargar el modelo en capas de la pieza, de dirección específica, en un sistema de control de soldadura capaz de controlar la posición y activación con respecto a un sustrato de soporte, de un arco eléctrico emitido por un soplete de soldadura por arco de tungsteno de alta energía, un soplete de soldadura por arco transferido por plasma y/o un soplete de soldadura por arco metálico con gas, y un sistema para alimentar un alambre consumible colocado en un espacio de construcción de entorno abierto, relevante para el sustrato no limitado en tamaño y abierto a la atmósfera ambiental,
dirigir el sistema de control de soldadura para depositar una secuencia de cordones de soldadura unidimensionales del material soldable sobre el sustrato de soporte en un patrón requerido para formar una primera capa del modelo en capas de la pieza, de dirección específica y generado por ordenador, depositar una segunda capa soldada secuenciando cordones de soldadura unidimensionales del material soldable sobre la capa depositada previamente, en una configuración igual que la segunda capa del modelo en capas de la pieza de dirección específica y generado por ordenador, y
repetir cada capa de cordón de soldadura sucesiva del modelo en capas de la pieza, de dirección específica y generado por ordenador, hasta que se complete toda la pieza;
en el que el procedimiento incluye, además:
desplazar la atmósfera de la inmediata proximidad de la fuente de calor con una atmósfera de gas inerte que produce un caudal requerido, y donde la atmósfera inerte contiene una concentración máxima de oxígeno, donde el gas inerte es suministrado mediante un aparato a través de una matriz de difusores individuales de gas y/o un filtro; y
acoplar un aparato sinérgico de calentamiento por inducción y enfriamiento de circuito cerrado a un sistema de control de soldadura y precalentar el material del sustrato que incluye los cordones de soldadura depositados, relevantes para el tipo de material soldable, donde los ciclos de calentamiento por inducción y enfriamiento se aplican constantemente o de manera pulsada desde la primera capa hasta la capa final, donde los ciclos óptimos de calentamiento y/o enfriamiento del material soldable son relativos a la forma y microestructura finales deseadas de la pieza.
En otro aspecto, la presente invención da a conocer un aparato de producción para una pieza fabricada de un material soldable mediante fabricación sólida de forma libre, donde no se requiere ningún recinto ni reactor, y la pieza es construida en un entorno de construcción no limitado abierto a la atmósfera ambiental mediante un aparato que distribuye un flujo de gas inerte, incluyendo el aparato de producción:
un mecanismo robótico de múltiples ejes que controla la posición y el movimiento de un soplete de soldadura con un alimentador de alambre con respecto a un sustrato de soporte estacionario colocado sobre un soporte fijo, siendo el soplete de soldadura un proceso de soldadura por arco eléctrico, un soplete de soldadura por arco de tungsteno, un soplete de soldadura por arco metálico con gas o un soplete de soldadura por arco transferido por plasma;
un mecanismo de soporte que controla la posición y el movimiento del soplete de soldadura con el alimentador de alambre con respecto al sustrato de soporte, con un accionador que controla la posición y el movimiento con respecto al mecanismo de soporte; y
un sistema de control capaz de leer un modelo en capas de la pieza, tridimensional, de dirección específica y generado por ordenador, y emplear el modelo generado por ordenador para controlar la posición y el movimiento del robot, y el funcionamiento del soplete de soldadura y el alimentador de alambre, de tal manera que la pieza se construye soldando en una secuencia capa por capa, de acuerdo con rebanadas unidimensionales del material soldable sobre el sustrato, de acuerdo con el modelo en capas de la pieza, tridimensional, de dirección específica y generado por ordenador;
incluyendo también el aparato un aparato de purga localizado y un aparato de calentamiento por inducción y enfriamiento de circuito cerrado.
En una forma preferente, el caudal requerido mencionado anteriormente es superior a 20 l/min. En otra forma preferente, la concentración máxima de oxígeno mencionada anteriormente es inferior a 500 ppm de oxígeno o, alternativamente, es inferior a 100 ppm de oxígeno. En otra forma preferente más, hay menos de 25 de los difusores de gas individuales mencionados anteriormente.
La invención da a conocer, de este modo, un procedimiento y un aparato para un mayor depósito de piezas metálicas manufacturadas en metales ferrosos y no ferrosos, soldables, incluidas sus aleaciones, que no están limitadas al tamaño de construcción de una pieza.
La invención puede incluir una distribución localizada del flujo de gas en relación con la zona de soldadura y el metal fundido para minimizar la contaminación de la superficie como una alternativa a las prácticas actuales que implican oxígeno atmosférico rodeando la zona de soldadura y el metal fundido.
La invención también puede incluir calentamiento y enfriamiento controlados por medio de un control de temperatura constante o intermitente utilizando calentamiento por inducción y un sistema de enfriamiento de circuito cerrado, que se puede mantener durante el proceso de construcción y proporcionar calentamiento y enfriamiento controlados de la pieza, reduciendo adicionalmente la distorsión y proporcionando de este modo cierto control a la distorsión de la pieza construida.
Tal como se desprende de lo anterior, la invención es un procedimiento y un aparato para la manufactura por impresión de metal en 3D de una pieza, creada a partir de un modelo generado por ordenador que incluye capas rebanadas con una dimensión finita, en un material soldable mediante fabricación sólida de forma libre, no limitada en el tamaño de la pieza, que utiliza (a) un escudo protector de gas inerte que rodea el arco eléctrico y el posterior enfriamiento del metal fundido y (b) un aparato de calentamiento por inducción y enfriamiento de circuito cerrado para el control de la temperatura tanto del sustrato como de la pieza impresa en 3D en capas, durante la operación del cordón de soldadura en capas secuenciales.
La utilización del escudo protector de gas inerte, que también puede ser descrito como un aparato difusor de gas inerte localizado, y del aparato de calentamiento por inducción y enfriamiento, permite aumentar el depósito volumétrico capa por capa para metales soldables, en concreto, tales como aleaciones de carbono y manganeso, aleaciones de aluminio, aleaciones de níquel y titanio o aleaciones de titanio y objetos de aleaciones de titanio.
Toda la envoltura de construcción de la pieza impresa en 3D puede utilizar un sustrato metálico similar para depositar las capas de cordón de soldadura inicial y posterior que forman la pieza final, sin la necesidad de poner en servicio una cámara completamente cerrada o utilizar procedimientos de protección sellados contenidos para evitar oxidar las capas secuenciales recién depositadas de metal de soldadura fundido o el área fundida asociada.
El modelo generado por ordenador de la pieza puede ser separado en un conjunto de rebanadas paralelas estratificadas con una dimensión finita, y cada rebanada estratificada se puede dividir en un conjunto de fragmentos virtuales unidimensionales secuenciales. El término “fragmentos virtuales unidimensionales” tal como se utiliza en este documento significa cordón longitudinal que se asemeja a fragmentos de la geometría del material del cordón de soldadura que, cuando son depositados en yuxtaposición o apilados unos sobre otros en un patrón secuencial específico de acuerdo con la dirección específica del modelo, forman la pieza que se va a manufacturar. La expresión “modelo en capas de la pieza, de dirección específica, generado por ordenador”, tal como se utiliza en el presente documento, significa una ilustración tridimensional por ordenador del fragmento al que se va a dar forma.
El modelo generado por ordenador puede comprender datos dimensionales y de geometría del cordón de soldadura en todas las direcciones, y recibir un diseño tridimensional que se asemeja al diseño tridimensional de la pieza metálica que se va a manufacturar. El modelo en capas, de dirección específica y generado por ordenador puede ser aplicado a continuación al equipo de fabricación de forma libre como plantilla para construir la pieza metálica física. Es decir, el modelo generado por ordenador puede ser transformado en un conjunto específico de instrucciones implementadas por el sistema de control del equipo de fabricación sólida de forma libre de tal manera que la pieza metálica se manufactura secuencialmente soldando un alambre sobre un sustrato en líneas secuenciales, donde cada capa soldada corresponde a una rebanada del modelo en capas, de dirección específica y generado por ordenador. La invención puede aplicar cualquier software conocido o fiable para el diseño asistido por ordenador para crear el modelo en capas, de dirección específica y generado por ordenador.
Durante la soldadura de aleaciones de aluminio, aceros inoxidables, níquel o aleaciones de níquel, titanio o aleaciones de titanio u otras piezas metálicas reactivas, se requiere protección con gas inerte, para evitar la sensibilización o la destrucción de la capa protectora de óxido de tal manera que esta capa protectora se oxide y, por lo tanto, pueda afectar a las propiedades físicas y mecánicas finales de la pieza formada final. Por lo tanto, el oxígeno que rodea el arco eléctrico y el material fundido posterior puede ser desplazado completamente aplicando un flujo de argón o un gas de mezcla de argón en un modo continuo estable con ajustes de caudal predeterminados que proporcionen un flujo laminar o cualquier otro flujo adecuado a través de una serie de numerosas salidas difusoras de gas y/o a través de un filtro tal como un filtro de bronce sinterizado, en el fondo de un compartimento de colector de gas, o mediante cualquier otras opciones de suministro al compartimento, introduciendo habitualmente solo la misma cantidad de gas inerte que el volumen del compartimento y aun obteniendo un contenido de oxígeno en la atmósfera de argón inerte, habitualmente de menos de 500 ppm de oxígeno o menos de 100 ppm de oxígeno. Habitualmente, el compartimento del colector de gas puede tener entre 80 y 180 mm de anchura y entre 180 y 400 mm de longitud, o puede tener una forma cilíndrica de menos de 400 mm de diámetro.
El flujo de gas al compartimento del colector de gas puede ser realizado a través de un colector ubicado en el interior del aparato de purga y el gas fluye a través del colector, distribuido en consecuencia a través de las boquillas difusoras de gas y/o del filtro que desplaza el oxígeno en la zona de soldadura. El tubo de entrada puede distribuir y controlar el flujo de gas al colector a través de una válvula controlada electrónicamente, que tiene la capacidad de controlar el caudal, la presión y el volumen de gas de continua o periódicamente, creando un suministro pulsado de gas inerte a la zona de soldadura. Esta característica del aparato de purga proporciona la ventaja de utilizar menos volúmenes de un gas inerte costoso.
El compartimento del colector de gas también puede incluir un circuito cerrado de enfriamiento, donde un gas inerte separado se hace pasar a través de un intercambiador de calor para reducir la temperatura del gas inerte que fluye a través del colector y, a continuación, este gas puede circular a través de un circuito de distribución de reciclaje que fluye a través de los tubos del colector proporcionando la protección localizada a la zona de soldadura. Esta característica es ventajosa para evitar el sobrecalentamiento del aparato de purga localizado y, de manera limitada, también del soplete de soldadura.
Se puede utilizar un robot de 6 ejes o más para controlar la posición y el movimiento de un soplete de soldadura con alimentador de alambre para alimentar un consumible de alambre del material soldable, idealmente colocado por encima de la envoltura de construcción de la pieza a manufacturar. El robot también puede estar regido por el tamaño del sustrato. El aparato de purga localizado puede ser montado en una estructura de brazo de soporte que monta el soplete de soldadura y el dispositivo de sujeción del alimentador de alambre relacionado, que está unido mecánicamente al robot. El aparato de purga localizado puede estar equipado con al menos salidas difusoras de gas que se pueden cerrar y al menos cinco entradas de gas que se pueden cerrar, conectadas al colector de tubos para desplazar el oxígeno de la zona de soldadura y sustituir este gas por un gas inerte circundante controlado. El aparato de purga puede incorporar el dispositivo de soplete de soldadura de manera intercambiable.
La invención puede aplicar cualquier sistema de control conocido o concebible para el movimiento operativo del soplete de soldadura por arco eléctrico, del aparato de purga de gas localizado y del alimentador de material de alambre. Ventajosamente, el movimiento operativo puede estar equipado con un sistema de control robótico de seis ejes (X, Y, Z y tres o más puntos de eje de rotación). El movimiento operativo también puede tener la forma de cualquier sistema montado en pórtico conocido o concebible (X, Y, Z), y la mesa de montaje puede ser estacionaria o moverse en las direcciones X, Y, Z con respecto al soplete de soldadura por arco eléctrico montado. La invención puede aplicar cualquier soplete de soldadura y sistema alimentador de alambre conocido o concebible, capaz de realizar la manufactura de piezas metálicas por capas soldadas mediante los procesos de soldadura conocidos como soldadura con gas inerte de tungsteno (GTAW, Tungsten Inert Gas Welding), soldadura por arco metálico con gas (GMAW, Gas Metal Arc Welding) y soldadura por arco transferido por plasma (PTAW, Plasma Transferred Arc Welding).
El elemento de inducción para precalentar el sustrato y las capas de soldadura puede ser controlado sinérgicamente con el sistema de control robótico y de soldadura. El control sinérgico de circuito cerrado (de los 3 controladores) permite aumentar las temperaturas del sustrato y las capas del cordón de soldadura depositadas, de tal manera que los parámetros de soldadura pueden ser alterados linealmente a partir de datos preestablecidos de una manera que aumenta la geometría del cordón de soldadura, aumentando en el mismo el depósito de metal y aumentando en el mismo las velocidades de soldadura.
El aparato de calentamiento por inducción puede ser cualquier sistema disponible comercialmente, de naturaleza electromagnética, preferentemente conectado al sustrato donde se inicia la inducción antes del proceso de estratificación del cordón de soldadura. La aplicación de precalentamiento no solo aumenta el tamaño del cordón de soldadura y las velocidades de depósito, sino que también reduce la distorsión y las tensiones residuales internas de la pieza final impresa en 3D. Esto ofrece una ventaja sobre otros procesos conocidos de impresión de metales en 3D. La aplicación de calentamiento por inducción sinérgica controlado, en relación con los parámetros del proceso de soldadura, puede ser mejorada aún más mediante datos conocidos que optimizan la aplicación incremental durante el proceso de estratificación del cordón de soldadura, de modo que se puedan conseguir propiedades físicas y mecánicas favorables para la pieza final impresa en 3D.
El aparato de enfriamiento puede ser cualquier sistema disponible comercialmente que sea de naturaleza de circuito cerrado y esté preferentemente conectado al sustrato mediante accesorios de entrada y salida que hagan circular el refrigerante a través de canales de enfriamiento en el interior del sustrato. Los caudales pueden variar según el tipo de material metálico. La aplicación de enfriamiento ayuda en algunos casos en los que las propiedades mecánicas deseadas de la pieza impresa en 3D mejoran mediante un enfriamiento más rápido. El enfriamiento rápido ofrece la ventaja de disminuir el tiempo entre capas y, por lo tanto, disminuir los tiempos globales de construcción.
La temperatura de la pieza física durante el proceso de estratificación del cordón de soldadura se puede incrementar hasta el punto de reblandecimiento, para cualquier material soldable. Por ejemplo, en el caso de estratificación metálica 3D de titanio o sus aleaciones, la temperatura puede llegar a 800 °C durante la fabricación mediante estratificación de la pieza. Sin embargo, esto tendrá un cambio correspondiente en los parámetros de la fuente de calor del arco eléctrico y su suministro del alambre fundido, donde los parámetros del arco eléctrico mejoran el depósito del cordón de soldadura. De manera beneficiosa, esto puede proporcionar reducciones significativas en los tiempos de producción de piezas manufacturadas según la invención.
Breve descripción de los dibujos
Una realización del procedimiento y el aparato de manufactura de la presente invención se muestra en el dibujo esquemático de la figura 1. La figura 1 muestra la construcción de una pieza metálica 10 soldando un fragmento de material soldable sobre una primera capa mediante un proceso de soldadura por arco eléctrico que funde un alambre consumible del material soldable utilizando una técnica de estratificación de cordón de soldadura para proporcionar una fabricación de forma libre.
Descripción detallada de la realización preferente
Haciendo referencia a la figura 1, se muestra un ordenador 12 que proporciona señales de retroalimentación A, B, C, D, E para el control de una fuente de alimentación 14 de robot, una fuente de alimentación de soldador 16, una válvula de solenoide de activación 36, un aparato de calentamiento por inducción 32 y un controlador de solenoide 18. La fuente de alimentación del soldador 16 también proporciona energía y control para un alimentador de alambre 20. El alambre es alimentado a través de F a un soplete de soldadura 22 que forma parte del robot 24, que en esta forma es un soplete de soldadura por plasma transferido por arco eléctrico. Alternativamente, se puede transferir un arco eléctrico mediante un soplete de soldadura de gas inerte de tungsteno, de nuevo con un alimentador de alambre 20 de material soldable similar. Además, se puede transferir un arco eléctrico a través de un consumible de alambre utilizando un soplete de soldadura de gas metálico inerte.
El sistema de suministro de gas incluye un cilindro de alimentación de gas de protección 40 que alimenta a una válvula de solenoide 8/236 para activar el gas que va a un aparato de purga 30, a través de otra válvula divisora de solenoide 38. Las señales de retroalimentación proporcionan un control adecuado a través del controlador de solenoide 18.
La pieza metálica 10 que se suelda en el proceso capa por capa descrito anteriormente es estratificada sobre un sustrato 26 adecuado soportado por un lecho de enfriamiento 28 del sustrato. Un aparato de purga 30 está posicionado por encima de la pieza metálica 10 para proteger la soldadura depositada de la manera descrita en general anteriormente. Los accionadores para el robot 24 y el soplete, y para el aparato de purga 30, se muestran ubicados fuera de los límites del área de construcción, del sustrato 26 y de una fuente de calor de alta energía 32.
El sustrato 26 y la capa metálica subsiguiente se precalientan y mantienen utilizando un aparato de calentamiento por inducción 32, que es controlado sinérgicamente durante la operación de estratificación metálica. El calentamiento por inducción durante el proceso mejora el depósito de metal y proporciona un medio de control de la distorsión para la pieza final 10.
El sustrato 26 en esta realización incluye canales de enfriamiento (no mostrados) para controlar más la temperatura de la pieza metálica 10. El aparato de enfriamiento 34 es de naturaleza de circuito cerrado y está conectado al sustrato a través de accesorios que hacen circular refrigerante a través de los canales de enfriamiento. El enfriamiento ofrece la ventaja de disminuir el tiempo entre capas, disminuyendo por lo tanto los tiempos globales de construcción de una pieza impresa en 3D completa.
Esta realización del procedimiento y el aparato de la invención da a conocer un procedimiento y un aparato de alto depósito para manufacturar piezas metálicas 3D, que incluye protección atmosférica localizada y fabricación sólida de forma libre no limitada en tamaño, y abierta a la atmósfera ambiental, en concreto para la manufactura de piezas fabricadas con aleaciones de manganeso al carbono, aleaciones de aluminio, aleaciones de níquel, aceros inoxidables y aleaciones de titanio.
Tal como se mencionó anteriormente, el aparato no tiene limitación de construcción o tamaño de pieza, o tamaño de área, y está abierto a la atmósfera ambiental, donde el baño de soldadura fundida y el área próxima están protegidos por el aparato localizado utilizado para distribuir un flujo de gas inerte laminar generoso pero controlado. La distribución del flujo de gas está ubicada por encima del área de construcción y tiene un diseño tal que la distribución del gas fluye de manera uniforme y homogénea alrededor del área del baño de soldadura y del metal fundido solidificado.
Se pueden realizar muchas modificaciones a la realización de la invención descrita en relación con la figura 1, sin apartarse del alcance de la invención, tal como está definida en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para manufacturar una pieza metálica en un material soldable mediante fabricación sólida de forma libre no limitada en tamaño y abierta a la atmósfera ambiental, en el que el procedimiento comprende:
generar un modelo tridimensional de la pieza generado por ordenador, rebanar el modelo tridimensional generado por ordenador en un conjunto de capas rebanadas paralelas y generadas por ordenador y, a continuación, dividir cada capa en un conjunto de fragmentos unidimensionales, virtuales y generados por ordenador y, haciendo referencia a datos de la geometría del cordón de soldadura en capas, formar un modelo en capas de la pieza, de dirección específica y generado por ordenador,
cargar el modelo en capas de la pieza, de dirección específica, en un sistema de control de soldadura capaz de controlar la posición y activación con respecto a un sustrato de soporte, de un arco eléctrico emitido por un soplete de soldadura por arco de tungsteno de alta energía, un soplete de soldadura por arco transferido por plasma y/o un soplete de soldadura por arco metálico con gas, y un sistema para alimentar un alambre consumible colocado en un espacio de construcción de entorno abierto, relevante para el sustrato no limitado en tamaño y abierto a la atmósfera ambiental,
dirigir el sistema de control de soldadura para depositar una secuencia de cordones de soldadura unidimensionales del material soldable sobre el sustrato de soporte en un patrón requerido para formar una primera capa del modelo en capas de la pieza, de dirección específica y generado por ordenador, depositar una segunda capa soldada secuenciando cordones de soldadura unidimensionales del material soldable sobre la capa depositada previamente, en una configuración igual que la segunda capa del modelo en capas de la pieza, de dirección específica y generado por ordenador, y
repetir cada capa de cordón de soldadura sucesiva del modelo en capas de la pieza, de dirección específica y generado por ordenador, hasta que se complete toda la pieza;
en el que el procedimiento incluye, además:
desplazar la atmósfera de la inmediata proximidad de la fuente de calor con una atmósfera de gas inerte que produce un caudal requerido, y donde la atmósfera inerte contiene una concentración máxima de oxígeno, donde el gas inerte es suministrado mediante un aparato a través de una matriz de difusores de gas individuales y/o un filtro; y está caracterizado por que incluye
acoplar un aparato sinérgico de calentamiento por inducción y enfriamiento de circuito cerrado a un sistema de control de soldadura y precalentar el material del sustrato que incluye los cordones de soldadura depositados, relevantes para el tipo de material soldable, donde los ciclos de calentamiento por inducción y enfriamiento se aplican constantemente o de manera pulsada desde la primera capa hasta la capa final, donde los ciclos óptimos de calentamiento y/o enfriamiento del material soldable son relativos a la forma y microestructura finales deseadas de la pieza.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el material soldable es un metal soldable, o un metal aleado soldable, de naturaleza ferrosa o no ferrosa.
3. Procedimiento, según la reivindicación 2, en el que el material soldable es acero al carbono o aleaciones al carbono y manganeso, níquel o aleaciones de níquel, aceros inoxidables, aluminio o aleaciones de aluminio, titanio o aleaciones de titanio, ferrosas o no ferrosas, o una mezcla de materiales soldables diferentes.
4. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el gas inerte es uno de argón, helio, hidrógeno, nitrógeno o una mezcla de estos.
5. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el gas inerte que protege el arco eléctrico y el material afectado por el calor es argón o una mezcla de argón, y en el que el caudal del argón o de la mezcla de argón es constante o pulsado y superior a 20 o 25 litros por minuto, y en el que la distribución del gas inerte se realiza a través de una serie de difusores de gas.
6. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el caudal requerido es superior a 20 I/m.
7. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la concentración máxima de oxígeno es inferior a 500 ppm de oxígeno o es inferior a 100 ppm de oxígeno.
8. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que hay menos de 25 difusores de gas individuales.
9. Aparato de producción de una pieza fabricada de un material soldable mediante fabricación sólida de forma libre, en el que no se requiere recinto ni reactor, y la pieza es construida en un entorno de construcción no limitado abierto a la atmósfera ambiental mediante un aparato que distribuye un flujo de gas inerte, incluyendo el aparato de producción:
un mecanismo robótico de múltiples ejes que controla la posición y el movimiento de un soplete de soldadura con un alimentador de alambre con respecto a un sustrato de soporte estacionario colocado sobre un soporte fijo, siendo el soplete de soldadura un proceso de soldadura por arco eléctrico, un soplete de soldadura por arco de tungsteno, un soplete de soldadura por arco metálico con gas o un soplete de soldadura por arco transferido por plasma;
un mecanismo de soporte que controla la posición y el movimiento del soplete de soldadura y el alimentador de alambre con respecto al sustrato de soporte, con un accionador que controla la posición y el movimiento con respecto al mecanismo de soporte; y
un sistema de control capaz de leer un modelo en capas de la pieza, tridimensional, de dirección específica y generado por ordenador, y emplear el modelo generado por ordenador para controlar la posición y el movimiento del robot, y el funcionamiento del soplete de soldadura y el alimentador de alambre, de tal manera que la pieza se construye soldando en una secuencia capa por capa, de acuerdo con rebanadas unidimensionales del material soldable sobre el sustrato, de acuerdo con el modelo en capas de la pieza, tridimensional, de dirección específica y generado por ordenador;
caracterizado por que
el aparato también incluye un aparato de purga localizado y un aparato de calentamiento por inducción y enfriamiento de circuito cerrado.
10. Aparato, según la reivindicación 9, en el que el aparato de purga localizado incluye un colector lleno de argón o mezcla de argón como gas inerte y en el que la entrada de gas está equipada con medios para regular el caudal de gas.
11. Aparato, según la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en el que el aparato de calentamiento por inducción está unido eléctricamente al sustrato y a las capas posteriores del cordón de soldadura.
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