ES2993922B2 - Sistema y metodo de deposito de metal fundido de alta velocidad con monitorizacion/control en tiempo real - Google Patents

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0004] SISTEMA Y MÉTODO DE DEPÓSITO DE METAL FUNDIDO DE ALTA

[0005] VELOCIDAD CON MONITORIZACIÓN/CONTROL EN TIEMPO REAL

[0007] Sector de la técnica

[0009] La presente invención se refiere al sector técnico del depósito de metal fundido para la fabricación 3D, el recubrimiento o, por ejemplo, la reparación de piezas. Más específicamente, la invención se refiere a un sistema y a un método para depósito de metal fundido de alta velocidad (como es el caso del HS-LMD), con una monitorización y, opcionalmente, un control realimentado, del sistema en tiempo real, y a piezas obtenidas con el sistema y método mencionados.

[0011] Antecedentes de la invención

[0013] La fabricación o el recubrimiento de piezas por metal fundido consiste básicamente en suministrar un aporte de metal (por ejemplo, en forma de polvo o hilo) por encima de la zona de la pieza en la que se desea depositar dicho metal y, simultáneamente, aplicar una fuente de energía sobre esa zona y/o el aporte de metal, suficiente para conseguir una soldadura entre la pieza y el metal aportado. Desplazando la pieza se consigue cubrir una zona más extensa de depósito del metal y, mediante pasadas repetidas, se pueden formar piezas o recubrimientos de piezas de diferente grosor. Entre este tipo de técnicas se puede mencionar el depósito de metal por láser (LMD) en la que, como su nombre indica, la fuente de energía es un haz de láser.

[0015] Una variante de esta técnica es el depósito de metal por láser de alta velocidad (HS-LMD), que se basa en el proceso EHLA (Extreme High Speed Laser Application) desarrollado por el Instituto Fraunhofer ILT. Esta técnica es muy adecuada, por ejemplo, para recubrir, con capas finas, grandes superficies de componentes que presenten simetría rotacional. Igual que con la técnica LMD, las capas aplicadas se unen metalúrgicamente con el sustrato receptor. Gracias a las elevadas velocidades de procesamiento y al rápido enfriamiento asociado, se alcanzan niveles altos de resistencia para las piezas obtenidas. Se puede utilizar también para soldar materiales cuya unión se considera convencionalmente complicada, tales como el hierro colado o fundido.

[0017] En el depósito de metal por láser convencional, el láser calienta la pieza localmente creando un baño de metal fundido. Desde una(s) boquilla(s) superior(es) se pulveriza metal en polvo fino directamente en el baño mencionado y el polvo se funde y combina con el material del sustrato de base. Con el depósito de metal por láser de alta velocidad, las partículas del polvo metálico ya se calientan prácticamente a su temperatura de fusión por encima de la superficie del sustrato, con lo que se requiere menos tiempo para fundir dichas partículas. El resultado es unas velocidades de procesado y depósito significativamente mayores y espesores mucho menores. Aunque esta técnica de alta velocidad es realmente efectiva y tiene una aplicación industrial clara, el proceso, como la mayoría de los procesos laser industriales que nos ocupan, es cuasi caótico debido a que se está aplicando una alta intensidad de energía en un espacio reducido y, por lo tanto, se producen efectos no lineales con lo que pequeñas variaciones de algunos parámetros pueden dar lugar a efectos notables y no siempre en el sentido deseado. Ello justifica la necesidad de emplear sistemas de monitorización y control en tiempo real.

[0019] Entre los diversos campos de aplicación de la técnica arriba mencionada se encuentra el recubrimiento de los discos de freno en el sector de la automoción. Estos componentes son la fuente principal de emisiones nocivas para el medio ambiente no debidas a la combustión del motor en los vehículos; la causa es la fricción y el consiguiente desgaste de las superficies de freno lo cual genera partículas que son emitidas al medio ambiente. En este sentido, como se ha mencionado arriba, las técnicas de depósito de metal fundido de alta velocidad (como la HS-LMD) han demostrado ser muy beneficiosas y útiles para la fabricación de este tipo de piezas, entre otras, y un mayor control y capacidad de seguimiento del proceso en línea de dichas técnicas redundaría en un aumento de la productividad y una mejor calidad de las piezas obtenidas.

[0021] Entre los sistemas o métodos conocidos en el sector de la presente invención se pueden mencionar los siguientes.

[0023] El documento DE 102021113757 A1 se refiere a un método para recubrir un área superficial de una pieza de trabajo mediante revestimiento láser, en donde un material de recubrimiento en polvo se funde en un rayo láser dirigido hacia el área superficial antes de impactar en la pieza de trabajo. Este método trabaja en tiempo real y hace uso de una cámara de infrarrojos, aunque la monitorización del proceso y, por lo tanto, la respuesta rápida y de ajuste fino, se ven limitadas por la capacidad de las cámaras de infrarrojos convencionales.

[0025] El documento CN 109530918 A da a conocer un método de formación y un sistema de fabricación aditiva con alimentación de hilo metálico coaxial, basado en láser. El sistema y método citados utilizan una cámara de infrarrojos de alta velocidad incorporada en un proceso de fabricación que se lleva a cabo dentro de intervalos de velocidades de las consideradas convencionales. Por este motivo, los parámetros y variables a controlar exigen menos capacidad computacional y se pueden seleccionar sin aplicar antes un proceso de selección cuidadoso, ya que la cantidad de información visible queda limitada por la velocidad convencional del proceso.

[0027] Finalmente, el documento US 2022203456 A1 se refiere a un aparato y a un método para la fabricación aditiva mediante revestimiento láser de velocidad ultraalta. En este caso, el aparato y método dados a conocer hacen uso de una cámara de infrarrojos convencional y de una cámara de alta velocidad.

[0029] Sería conveniente, por tanto, proporcionar sistemas de aplicación de metal fundido, de alta velocidad, donde dicha aplicación se pudiese monitorizar y/o regular a un ritmo acorde a la velocidad de la misma, de manera que se consiguiesen piezas y recubrimientos de piezas con mejores acabados y más resistentes (por la corrección casi inmediata de defectos que pueden influir en esa resistencia) y, por lo tanto, una mayor productividad, y también un mejor control de calidad y un número menor de rechazos. Otras ventajas asociadas del sistema y método de la presente invención son una reducción del consumo de energía y de las emisiones de CO<2>.

[0031] Explicación de la invención

[0033] Con la finalidad que se desprende de las consideraciones expuestas en la sección anterior, uno de los objetos de la presente invención es un sistema para la fabricación, recubrimiento y reparación de piezas por depósito de metal fundido de alta velocidad. El sistema comprende esencialmente un soporte adecuado para recibir y sostener firmemente las piezas que van a recibir el metal fundido o que se van a fabricar, desde cero, con el metal fundido depositado. El sistema comprende, también, una fuente de suministro del metal que se desea depositar sobre la pieza a recubrir o reparar, o a partir del cual se desea fabricar una pieza de nuevo, y una fuente de energía adecuada para fundir dicho metal; dicha fuente puede ser de cualquier tipo y el único requisito es que tenga la capacidad de fundir el metal con la suficiente rapidez para un sistema de este tipo, no teniendo ninguna influencia en la esencia de la invención el origen de la energía usada. Normalmente, la pieza a reparar o recubrir será también metálica o de un material compuesto que comprenda el suficiente metal para unirse metalúrgicamente con el metal de aporte, aunque no se descartan otros materiales que surjan en el futuro y acepten también está técnica de alta velocidad ya que los aspectos reivindicados no dependen necesariamente del material de dicha pieza. Asimismo, el sistema comprende una cámara de infrarrojos, IR, de alta velocidad; esta cámara está dispuesta para tomar imágenes de IR del baño de metal fundido que se produce con la aplicación de la fuente de energía antes mencionada y también de la nube de partículas metálicas fundidas que se forma sobre este baño, y la frecuencia de captura de las imágenes preferentemente es de al menos 500 imágenes por segundo; en otra realización preferida la frecuencia de captura de imágenes es de al menos 1.000 imágenes por segundo. El ángulo y la posición de la cámara podrán ser determinados por el fabricante o usuario a conveniencia aunque, como se describe más adelante, la disposición y orientación preferidas son que la fuente de energía y la cámara compartan eje óptico.

[0035] Asimismo, el sistema comprende un módulo de acondicionamiento y análisis de las imágenes de IR capturadas por la cámara mencionada; este módulo, a partir de esas imágenes, genera lo que denominaremos aquí datos de imágenes de IR y que se basan en la pieza en curso que se esté procesando. A continuación, en el sentido de procesamiento temporal de las señales obtenidas, se encuentra un módulo destinado a interpretar los datos de imágenes de IR generados y a generar, a su vez, sobre la base de esa interpretación, señales de control, señales de calidad de las piezas procesadas y señales de aviso del sistema que pueden tener en cuenta tanto datos provenientes de la pieza procesada en curso como datos de imágenes de referencia de una pieza procesada previamente y que se han almacenado en el sistema con tal fin. Las señales de control pueden ser señales para controlar los diversos componentes que integran el sistema (soporte de las piezas, láser, por ejemplo su potencia entre otros parámetros, aporte de metal, por ejemplo el ritmo de suministro del mismo entre otros parámetros, módulos antes mencionados, etcétera…); las señales de calidad pueden ser señales binarias que califiquen una pieza obtenida como válida o como rechazo, o pueden ser señales con diferentes niveles de calificación según la comparación con los datos de imágenes de referencia almacenados; las señales de aviso pueden ser señales relacionadas con las mencionadas de control y de calidad y pueden aportar información, para los operarios, en relación con un funcionamiento o un parámetro anómalo de alguno de los componentes o, simplemente, mostrando la evolución de las diferentes fases del proceso. Dichas señales de aviso pueden ser por tanto, señales luminosas, de texto, habladas y se pueden emitir en luces, pantallas o altavoces del sistema o, incluso, se pueden transmitir remotamente a puntos de control, o cualquier dispositivo receptor que esté alejado (como un móvil o similar), para informar al responsable o encargado del sistema.

[0037] La característica basada en el uso de una cámara de IR de alta velocidad (el cual es un dispositivo de aparición reciente en los últimos años) proporciona acceso a unas fases temporales del proceso de depósito por fusión de alta velocidad poco estudiadas hasta el momento y que, los inventores de la presente, han conseguido relacionar con la calidad de las piezas obtenidas.

[0039] Según una característica del sistema, el soporte para las piezas de fabricación es móvil y/o giratorio, de manera que es útil para el procesamiento de piezas con cierta simetría rotacional o de revolución y también para procesamientos de piezas que impliquen desplazamientos lineales o traslaciones. Además, el eje de giro así como el recorrido o recorridos lineales del soporte, preferentemente, se pueden ajustar o regular en relación con la fuente de energía incidente.

[0041] De acuerdo con otra característica del sistema de la invención, los datos que se obtienen a partir de las imágenes de IR (tanto de la pieza en curso a procesar como de la pieza tomada como referencia) pueden incluir la extensión o área del baño de fundido, la distribución de la temperatura en el baño de metal fundido y en la nube formada encima o la forma de dicho baño; también se pueden obtener datos que representen o incluyan la evolución temporal de una o más de las características anteriores.

[0042] Según una característica más del sistema reivindicado en la presente, las señales de control del sistema pueden ser señales para controlar la potencia o intensidad de la fuente de energía, señales para controlar la velocidad de barrido de la fuente de energía sobre la pieza que se está procesando, señales para controlar la cantidad de metal de aporte destinado a depositarse sobre la pieza, señales para controlar la velocidad de giro del soporte de las piezas procesadas, señales para controlar la orientación del eje de giro de dicho soporte, señales que controlen la forma del haz de energía emitido, la distancia de la fuente de energía al metal a depositar suministrado o la frecuencia de captación de las imágenes de la cámara.

[0044] Según una característica adicional del sistema de la presente invención, las señales de aviso comprenden señales indicativas de posibles averías, señales que indiquen posibles piezas defectuosas, señales para indicar que uno o más de los datos de imágenes de IR de la pieza en curso está fuera de un intervalo prestablecido respectivo (un intervalo prestablecido y que se puede haber memorizado previamente en el sistema sobre la base de los datos de referencia obtenidos en primer lugar), señales indicativas de que los datos de imágenes de IR de la pieza en curso se sitúan más allá de un umbral inferior o de un umbral superior (establecidos de manera parecida al intervalo antes mencionado), señales que indiquen una temperatura muy elevada o muy baja del sistema y señales que califiquen la calidad de la pieza procesada.

[0046] Según otra característica del sistema, la fuente de energía puede ser específicamente, por ejemplo, un haz de láser, un arco, un haz de electrones o una fuente de bombardeo iónico.

[0048] Otra característica del sistema de la invención se refiere al hecho de que el depósito de metal fundido de alta velocidad es concretamente la técnica HS-LMD (Depósito de Metal Fundido de Alta Velocidad).

[0050] Según otra característica del sistema dado a conocer, el eje óptico de captación de las imágenes de IR captadas por la cámara de IR es preferentemente coaxial con el eje de emisión de la fuente de energía y, más preferentemente, es coincidente en el espacio con este último. Se puede hacer coaxial mediante un sistema o mecanismo de desviación óptica, como en la realización preferida de la presente invención, o podría ser coaxial en todo su recorrido (desde la salida de la cámara hasta la pieza a procesar) si algún tipo de disposición lo permitiese en el futuro, ya que la forma de obtener la coaxialidad no afecta a la esencia de la invención.

[0052] Según una característica más del sistema, la cámara IR de alta velocidad, el módulo de análisis de imágenes de IR y el módulo de interpretación de datos y de generación de señales de control, calidad y/o aviso pueden estar incluidos en una misma carcasa, a modo de conjunto independiente que se puede conectar a un sistema de depósito de metal fundido de alta velocidad.

[0054] Finalmente, de acuerdo con otra característica del sistema de la invención, la cámara de IR de alta velocidad puede ser del tipo no refrigerada, es decir, del tipo que no requiere sistema de refrigeración; en relación con esto, la cámara puede ser preferentemente una cámara modelo Tachyon de las fabricadas por NIT; también podrá ser un sensor DISCOVER o un sensor CLAMIR.

[0056] Otro de los objetos de la presente invención se refiere a un método para fabricar, recubrir y reparar piezas por depósito de metal fundido de alta velocidad. El método comprende las siguientes etapas: captar, a una velocidad igual o superior a 500 imágenes por segundo, imágenes de IR de referencia de una pieza de referencia procesada por depósito de metal fundido de alta velocidad, en un momento anterior a la secuencia en sí de procesamiento de las piezas que se desean fabricar, recubrir o reparar; obtener datos de imágenes de referencia relativos a dicha pieza de referencia procesada previamente; captar imágenes de IR del baño fundido de metal y/o de la nube de partículas fundidas metálicas que se forman sobre las piezas nuevas que se procesan, a una frecuencia igual o superior a 500 imágenes/segundo (este límite de velocidad es orientativo y se usa para establecer que la toma de imágenes sea en alta velocidad; a partir de 500 imágenes por segundo consideran los inventores que se tiene acceso a fases instantáneas de evolución del proceso que son aptas para el método y sistema aquí divulgados; trabajando por encima de estas velocidades y en modoglobal shutterosnapshot[en español, captura de pantalla, instantánea…] todos los píxeles se exponen a la vez y se consigue, como su nombre indica, una instantánea fija del proceso en ese instante de tiempo); analizar y acondicionar las imágenes de IR de alta velocidad captadas y, a partir de ellas, obtener datos de imágenes de IR de la pieza en curso que se está procesando; interpretar y comparar dichos datos de imágenes de IR de la pieza en curso con los datos de imágenes de referencia obtenidos en la segunda etapa, para generar señales de control, señales de calidad y señales de aviso.

[0058] De manera similar a las características antes mencionadas para el sistema de la invención, los datos de las imágenes de IR en el método dado a conocer pueden incluir la extensión o área del baño de fundido, la distribución de la temperatura en el baño de metal fundido y en la nube formada encima o la forma de dicho baño y datos que representen o incluyan la evolución temporal de una o más de las características anteriores (cabe señalar aquí que, en la totalidad de la memoria y las reivindicaciones, cuando hablamos de “datos de (las) imágenes de IR” nos referimos a datos o información obtenidos a partir de imágenes de la emisión infrarroja generada por las altas temperaturas a las que se ven sujetos los elementos/materiales/regiones correspondientes por la acción de la fuente de energía aplicada y, opcionalmente, de cualquier otra emisión infrarroja reflejada por esos elementos/materiales/regiones (añadida a la causada por la fuente de energía) en el caso de usar, por ejemplo, lámparas de IR o similares); las señales de control pueden ser señales para controlar la potencia o intensidad de una fuente de energía usada para el depósito de metal fundido de alta velocidad, para controlar la velocidad de barrido de la fuente de energía sobre la pieza que se está procesando, para controlar la cantidad de metal de aporte destinado a depositarse sobre la pieza, para controlar la velocidad de giro de un soporte que sustenta las piezas procesadas, para controlar la orientación del eje de giro de dicho soporte, para controlar la forma del haz de energía emitido, la distancia de la fuente de energía al metal a depositar suministrado o la frecuencia de captación de las imágenes captadas; y las señales de aviso incluyen señales indicativas de posibles averías, señales indicativas de posibles piezas defectuosas, señales indicativas de uno o más de los datos de imágenes de IR de la pieza en curso está fuera de un intervalo prestablecido respectivo (un intervalo prestablecido y que se puede haber memorizado previamente en el sistema sobre la base de los datos de referencia obtenidos en primer lugar), señales indicativas de que los datos de imágenes de IR de la pieza en curso se sitúan más allá de un umbral inferior o de un umbral superior (establecidos de manera parecida al intervalo antes mencionado), señales indicativas de una temperatura muy elevada o muy baja y señales indicativas de o que califiquen la calidad de la pieza procesada.

[0059] Según una característica del método de la invención, el valor de dicha señal o señales de control generadas se hace variar de tal manera que los datos de imágenes de IR correspondientes de la pieza en curso se mantengan o vuelvan a situarse dentro de un intervalo prestablecido respectivo y/o por encima o por debajo, respectivamente, de un umbral inferior o un umbral superior prestablecidos respectivos.

[0061] Según una característica más del método de la invención, la frecuencia de captación de la cámara de IR de alta velocidad es igual o superior a 1.000 imágenes por segundo.

[0063] Finalmente, otro de los objetos de la presente invención se refiere a una pieza obtenida con un sistema y/o con un método tal como se han expuesto en los párrafo anteriores; es decir, la pieza podrá ser una pieza fabricada a partir de cero, una pieza reparada o una pieza a la que se le aplica un recubrimiento según la enseñanzas anteriores. En una de las realizaciones preferidas, dicha pieza será un freno de disco.

[0065] Breve descripción de los dibujos

[0067] Para complementar la descripción y como apoyo a las reivindicaciones se adjuntan las siguientes figuras que ilustran diferentes aspectos de la presente invención:

[0069] La figura 1 es un esquema general de bloques del sistema de la presente invención.

[0071] La figura 2 es un detalle del sistema de la presente invención útil para explicar la aplicación del sistema en un proceso HS-LMD.

[0073] Descripción detallada de la invención

[0075] A continuación se describirán de forma detallada formas de realización de la invención ilustradas en las figuras antes enumeradas.

[0077] La figura 1 representa un esquema de bloques general del sistema (100) dado a conocer en la presente invención. El sistema (100) está destinado al procesamiento de piezas (110) mediante una técnica de depósito de metal fundido de alta velocidad e incorpora un bucle de realimentación posibilitado por el uso de una cámara (150) de infrarrojos, IR, de alta velocidad.

[0078] En dicha figura, pueden verse, en primer lugar, un soporte (120) para piezas que van a ser procesadas en el sistema y una pieza (110) ilustrativa situada sobre el soporte (120). El soporte (120), como es conocido en la técnica, incluirá los medios necesarios para recibir la pieza (110) correspondiente de manera estable y segura con vistas al consiguiente procesamiento de la misma. Sobre la pieza (110) actúan dos componentes simultáneamente: una fuente (130) de suministro de metal de aporte y una fuente (140) de energía adecuada para fundir el metal a depositar. La fuente (130) de aporte metálico puede proporcionar material, por ejemplo, en forma de hilo o polvo metálico; en esta realización ilustrativa, el aporte será en forma de polvo metálico y aplicado a una técnica de Depósito por Metal Fundido de Alta Velocidad, HS-LMD, por lo que la fuente (140) de energía será un láser. Como se ha mencionado anteriormente, el requisito de la fuente (140) de energía es, únicamente, que pueda fundir el metal suministrado junto con el sustrato de la pieza (110) para conseguir una unión por fusión, a la velocidad demandada por el proceso (es decir, en unos márgenes comparables a los del HS-LMD) y de tal modo que produzca el baño de metal fundido (directamente en la pieza (110)) y la nube de partículas característicos de estas técnicas. Es en este baño fundido y en esta nube de partículas donde la cámara (150) de alta velocidad encuentra formas, colores e intensidades que responden a variables identificables (denominadas aquí datos de imágenes de IR) y que, a su vez, están en interrelación con parámetros de entrada del sistema (100) que se pueden identificar y modificar de manera individual o combinados (por ejemplo, intensidad del láser o, en general, del haz de energía (140) aplicado al metal de aporte, forma del mismo, velocidad de giro del soporte (120) de las piezas (110), etcétera). La variación de estos parámetros de entrada en función de esos datos de imágenes de IR mediante señales de control permite un control en tiempo real del sistema (100). Las señales de control pueden obtenerse mediante pruebas experimentales en las que se asocie uno o varios parámetros de entrada del sistema (100) a uno o varios datos o variables de imágenes de IR y se compruebe cómo cambian estos últimos en función de los primeros; la información obtenida se introduce en algoritmos de control que pueden ser de regresión lineal o de inteligencia artificial (machine learning, redes neuronales, etcétera) o, más simplemente, funciones matemáticas que establezcan esa interrelación de parámetro(s) de entrada<->dato(s) de imágenes.

[0080] La cámara (150) de imágenes de IR puede ser una cámara de MWIR, Infrarrojos de Onda Media, de alta velocidad, y preferentemente la cámara (150) también puede ser una cámara Tachyon, fabricada por NIT, que no necesita refrigeración.

[0082] En la figura 1 se han representado también, conceptualmente, un módulo (160) de acondicionamiento y análisis, en tiempo real, de imágenes de IR capturadas por la cámara (150) y, por lo tanto, conectado a la salida de la misma, y, a continuación, un módulo (170) de interpretación de datos de imágenes de IR y de generación de señales de control y/o señales de calidad y/o señales de aviso. El módulo (160) recibirá, por tanto, las imágenes de IR obtenidas por la cámara (150), realizara un acondicionamiento previo de las mismas con mecanismos de procesado de imágenes y, a continuación, analizará dichas imágenes acondicionadas para extraer datos de imágenes de IR relevantes para la pieza (110) en cuestión. Estos datos de imágenes de IR pasarán al módulo (170) de interpretación de datos y generación de señales de control, calidad y aviso, donde se les asignará un valor/significado de acuerdo con sus diferencias con respecto a unos datos de referencia obtenidos en un proceso previo en el sistema (100) con una pieza de referencia. El módulo (170) podrá dar salida entonces a señales de calidad para informar, en tiempo real, sobre la calidad de la pieza (110) que está siendo procesada; estas señales de calidad pueden ser puntuaciones numéricas y/o gráficas y pueden ser de carácter instantáneo (en cada momento del proceso) y también de carácter global, al final del mismo. El módulo (170) también podrá emitir señales de aviso cuando los datos de imágenes de IR revelen alguna anomalía en el funcionamiento del sistema (100), por ejemplo, temperatura demasiado elevada o baja en algún punto del baño fundido o de la nube de partículas, posible obstrucción de la(s) boquilla(s) o inyector(es) de la fuente (130) de suministro metálico, anomalía en la velocidad de giro del soporte (120) ó en el haz emitido por fuente (140) de energía, etcétera.

[0084] En una de las realizaciones preferidas, el módulo (170) también puede emitir las señales de control explicadas más arriba y destinadas a actuar sobre parámetros de entrada del sistema (100), con lo cual, además de una monitorización, se puede conseguir un control en tiempo real.

[0086] La figura 2 muestra un detalle del sistema (100) de la invención centrado en la actuación de la fuente (140) de energía (en este caso un láser para HS-LMD), la fuente (130) de polvo metálico y la cámara (150) de IR de alta velocidad sobre la pieza (110) sustentada sobre un soporte (120). El soporte (120) puede ser giratorio con vistas al recubrimiento, por ejemplo, de piezas (110) que admitan este recorrido circular en varias pasadas, tales como un disco de freno. Dicho soporte (120) también puede ser de posición variable y ajustable en tres dimensiones, igual que el inyector o inyectores de la fuente (130) de aporte metálico, la fuente (140) de energía y la cámara (150), de manera que las posiciones relativas entre estos componentes se pueden ajustar inicialmente y, en una de las realizaciones, también se pueden regular durante el procesamiento de la pieza (110) en función, por ejemplo, de los datos de imágenes de IR. En esta figura, se han representado de manera esquemática y figurativa el polvo metálico que sale de la fuente (130) de suministro, un baño fundido justo sobre la pieza (110), una nube de partículas metálicas por encima del baño fundido, un haz de láser (con líneas de puntos) que pasa a través de lentes correspondientes (aunque en el dibujo se han representado ilustrativamente dos lentes, el número de estas puede variar para conseguir el efecto deseado sobre el aporte de metal y el sustrato de la pieza (110)) y la luz (líneas de rayas) captada por la cámara (150), que llega a esta última reflejada desde la nube y el baño fundido, primero, hacia un espejo dicroico y, a continuación, hacia la óptica de la cámara (150); la nube de partículas metálicas puede incluir partículas en estado fundido y otras a una temperatura mucho más fría. Además, el sistema (100) también puede incluir los correspondientes filtros y espejos que suelen usarse en este tipo de equipos para un acondicionamiento adecuado de la luz emitida y reflejada. En la realización preferida, el eje óptico de captación de imágenes del baño fundido y de la nube de partículas es coaxial con el eje principal de emisión de energía de fundido (como puede verse en la figura 2). En esta realización, dicha coaxialidad se consigue mediante un espejo dicroico pero son aceptables otros mecanismos de alineación de los ejes.

[0088] En una de las realizaciones preferidas, los módulos 160 y 170 junto con la cámara (150) pueden incluirse en un solo conjunto independiente de tal manera que el mismo disponga de las entradas y salidas para conectarse a equipos de HS-LMD (o de otra técnica de depósito metálico por fundido de alta velocidad) existentes en el mercado.

[0090] La invención también da a conocer un método para la fabricación, reparación o recubrimiento de piezas mediante técnicas de depósito de metal fundido de alta velocidad. En una de las realizaciones preferidas, el método se implementa en una de las variantes del sistema (100) dado a conocer en la presente.

[0091] El método comprende, en primer lugar, aplicar un proceso de depósito por metal fundido de alta velocidad para procesar una pieza de referencia (ya sea fabricarla desde cero, repararla o aplicarle un recubrimiento). Durante el proceso se captan imágenes de IR de alta velocidad del baño fundido y/o de la nube de partículas generada sobre este último, a una velocidad igual o superior a 500 imágenes por segundo, preferentemente a una velocidad igual o superior a 1.000 imágenes por segundo. A partir de esas imágenes se obtienen datos de imágenes de IR de referencia mediante acondicionamiento y análisis de las mismas. Este proceso se puede repetir las veces deseadas hasta que se obtenga una pieza de referencia que se considere que cumple unos estándares de calidad deseados. Cuando se ha obtenido dicha pieza de referencia deseada, sus datos de imágenes de referencia se guardan para conservarlos como punto de comparación para las piezas posteriores que se desee procesar.

[0093] Seguidamente, se pasa a realizar el procesamiento de una nueva pieza a procesar, obteniéndose de ella también imágenes de IR de referencia de alta velocidad y datos de imágenes de IR correspondientes, según los mismos esquemas usados para la pieza de referencia arriba mencionada. Los datos de imágenes de IR de esta nueva pieza se comparan con los datos de imágenes de IR de referencia y se detecta si los primeros se desvían demasiado de los últimos de tal manera que se le puede dar a la pieza nueva una puntuación de calidad o, simplemente, se puede calificar como pieza apta o rechazo. Al mismo tiempo, se prevé que se activen señales de aviso en relación con dicha calidad y con el funcionamiento de cualquiera de los componentes implicados en el método. En una de las realizaciones preferidas, la comparación entre los datos de imágenes de IR de la pieza nueva, en curso, con los datos de imágenes de referencia se usan para generar señales de control que puedan corregir el procesamiento de dicha pieza lo cual se verá reflejado en las nuevas imágenes de IR que se vayan tomando sucesivamente (y, por lo tanto, en los datos de imágenes de IR correspondientes), preferentemente, hasta que dichos datos de la pieza en curso se ajusten dentro de unos límites, umbrales o intervalos prestablecidos en torno a los datos de referencia.

[0095] Otras características que se detectan con el método y el sistema (100) de la presente invención incluyen: superficies sucias y/o contaminadas y con defectos, de las piezas (110), caudal del polvo metálico, doblamientos o curvaturas indeseados del tubo de salida del polvo metálico, obstrucción de inyectores, variaciones de velocidad lineal, desalineación de las boquillas o inyectores, fugas de polvo con precisión, etcétera.

[0097] La característica técnica de usar una cámara (150) de IR de alta velocidad proporciona unas imágenes con un detalle de la distribución térmica y su dinámica que permite caracterizar el baño de metal fundido y la nube de partículas fundidas superior correspondiente hasta tal nivel que es posible actuar sobre parámetros del sistema (tales como intensidad o forma del haz, en el caso del láser, o aporte de polvo metálico, etcétera) prácticamente en tiempo real, corrigiendo defectos que, de otro modo, sería imposible detectar hasta la finalización del proceso. El sistema (100) y el método de la invención aprovechan la nube de partículas y el baño de metal fundido que se forman sobre la pieza (110) en la que acaban soldándose entre sí, para extraer información de ellos.

[0099] En una de las realizaciones, el módulo de acondicionamiento y análisis de imágenes de IR y el módulo de interpretación de datos de imágenes de IR y de generación de señales de control, calidad y aviso se obtienen, como entenderán los expertos en la materia, mediante unos medios de procesado de tipo procesador, microprocesador, controlador, microcontrolador, CPU, procesador gráfico y similares y unos medios de memoria asociados, y se podrían implementar conjuntamente en uno solo de esos medios de procesado o distribuidos en varios de ellos.

[0101] La invención también trata sobre una pieza (110) obtenida mediante el sistema (100) y/o el método antes descritos. En una de las realizaciones preferidas, esta pieza (110) es un disco de freno para automoción. La técnica de HS-LMD ha demostrado ser muy eficiente para la producción de estos discos al generar un recubrimiento que es mucho más resistente y duradero, lo cual redunda en una menor emisión de partículas contaminantes en cumplimiento de las normas europeas actuales y las venideras (ya conocidas y que imponen unos límites más estrictos). La posibilidad de usar el sistema (100) y el método aquí dados a conocer en el recubrimiento de estos discos, con un bucle de monitorización/control en tiempo real, proporciona unas ventajas de productividad y de calidad final del producto acabado muy significativas en comparación con los sistemas y procedimientos usados actualmente.

[0102] Además, la aplicación de dicho sistema (100)/método, aunque está pensada para piezas y recubrimientos metálicos se podría aplicar en cualquier material que, al fundirse, genere un baño fundido y una nube asociada característicos a partir de los cuales puedan obtenerse datos de referencia correspondientes, por ejemplo, materiales compuestos de metal-cerámica en proporciones adecuadas.

[0104] El hecho de usar una cámara (150) de IR de alta velocidad, y de tomar imágenes tanto del baño fundido justo sobre la pieza (110) que se está procesando como de la nube de partículas formada por encima, proporciona una capacidad de seguimiento del proceso y, por tanto, de actuación/corrección sobre el mismo que, hasta el momento, no era posible. Por otra parte, el hecho de poder usar una cámara (150) del tipo mencionado y que además sea no refrigerada (como la Tachyon de NIT) permite una adopción del sistema (100) al alcance de más fabricantes, en comparación con el elevado coste de las cámaras de alta velocidad refrigeradas. Los inventores se han apercibido de que factores tales como la extensión del baño de metal fundido, su área, la distribución de su temperatura y de la nube de partículas metálicas y su forma, son parámetros que están íntimamente vinculados con la calidad de la pieza final acabada, por lo que un seguimiento de los mismos mediante cámaras (150) de IR de alta velocidad permite prever la calidad final de la pieza (110) lo cual, hasta ahora, solo era posible con métodos de prueba (tests no destructivos) fuera de línea, una vez acabado el proceso. Además, dichos parámetros del baño fundido y la nube de partículas se pueden corregir, al menos en parte, durante el proceso de actuación del láser (o cualquier fuente (140) de energía alternativa adecuada), actuando sobre factores tales como la intensidad del láser, la cantidad de metal aportado, etcétera. Esta actuación sobre dichos factores se puede implementar mediante prueba y error, algoritmos de inteligencia artificial, redes neuronales,machine learning, regresión lineal, etcétera.

Claims (18)

1. REIVINDICACIONES

1. Sistema (100) de fabricación, recubrimiento y reparación de piezas (110) por depósito de metal fundido de alta velocidad, con monitorización y/o control en tiempo real, que comprende:

- un soporte (120) para las piezas (110),

- una fuente (130) de suministro de metal a depositar de alta velocidad,

- una fuente (140) de energía adecuada para fundir el metal a depositar procedente de la fuente (130) de alta velocidad,

caracterizado por que comprende, además:

- una cámara (150) de infrarrojos, IR, de alta velocidad, adaptada para tomar imágenes de IR del baño de metal fundido y de la nube de partículas metálicas formada sobre dicho baño de metal fundido mientras se procesa una pieza (110) en curso, a una velocidad igual o superior a 500 imágenes por segundo,

- un módulo (160) de acondicionamiento y análisis de imágenes de IR capturadas por la cámara (150) de IR, basado en medios de procesado convencionales y que proporciona datos de imágenes de IR basados en dichas imágenes de la pieza (110) en curso,

- un módulo (170) de interpretación de datos de imágenes de IR y de generación de por lo menos una señal de control, una señal de calidad y una señal de aviso del sistema basada(s) en dichos datos de imágenes de IR de la pieza (110) en curso y/o en datos de imágenes de referencia de una pieza procesada previamente, basándose dicho módulo (170) en medios de procesado convencionales.

2. Sistema (100) según la reivindicación anterior, en el que el soporte (120) para piezas a procesar es móvil y/o giratorio.

3. Sistema (100) según la reivindicación anterior, en el que el eje de giro del soporte (120) para piezas a procesar es ajustable con respecto a la fuente (140) de energía.

4. Sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los datos de imágenes de IR y/o los datos de imágenes de referencia comprenden al menos una de entre: la extensión del baño de metal fundido, el área del baño de metal fundido, la distribución de la temperatura del baño de metal fundido y/o de la nube

partículas metálicas, la forma del baño de metal fundido y otras características obtenidas a partir de la evolución temporal de una o más de las anteriores.

5. Sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha señal o señales de control del sistema (100) comprenden por lo menos una de entre: una señal de control de la potencia o intensidad de la fuente (140) de energía, una señal de control de la velocidad de barrido de la fuente (140) de energía, una señal de control de la cantidad de metal a depositar suministrado, una señal de control de la velocidad de giro del soporte (120) para piezas, una señal de control de la orientación del eje de giro del soporte (120), una señal de control de la forma del haz de energía emitido, la distancia de la fuente (140) de energía al metal a depositar suministrado, la frecuencia de captación de las imágenes de la cámara (150).

6. Sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha señal o señales de aviso comprenden por lo menos una de entre: una señal indicativa de posible avería, una señal indicativa de pieza defectuosa, una señal indicativa de que uno o más de los datos de imágenes de IR de la pieza (110) en curso está(n) fuera de un intervalo prestablecido respectivo, una señal indicativa de que uno o más de los datos de imágenes de IR de la pieza (110) en curso está(n) por debajo o por encima, respectivamente, de un umbral inferior o un umbral superior prestablecidos respectivos, una señal indicativa de temperatura muy elevada o muy baja, una señal de puntuación de calidad de la pieza (110).

7. Sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente (140) de energía es por lo menos una de un haz de láser, un arco, un haz de electrones, una fuente de bombardeo iónico.

8. Sistema (100) según la reivindicación anterior, en el que el depósito de metal fundido de alta velocidad es la técnica HS-LMD.

9. Sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el eje óptico de captación de las imágenes de IR del baño fundido y/o de la nube de partículas es coaxial con el eje de emisión de la fuente (140) de energía.

10. Sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la

cámara (150) de IR de alta velocidad, el módulo de análisis (160) de imágenes de IR y el módulo (170) de interpretación de datos y de generación de señales de control, calidad y/o aviso están comprendidos en una misma carcasa, a modo de conjunto independiente.

11. Sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cámara (150) de IR de alta velocidad está adaptada para tomar imágenes de IR del baño de metal fundido y de la nube de partículas metálicas a una velocidad igual o superior a 1.000 imágenes por segundo.

12. Sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cámara (150) de IR de alta velocidad es del tipo no refrigerada.

13. Sistema (100) según la reivindicación anterior, en el que la cámara (150) de IR de alta velocidad es al menos una de entre: una cámara Tachyon, un sensor CLAMIR y un sensor DISCOVER de NIT.

14. Método de fabricación, recubrimiento y reparación de piezas por depósito de metal fundido de alta velocidad, con monitorización y/o control en tiempo real, llevado a cabo utilizando un sistema (100) según una de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende:

- captar, mediante la cámara (150) de infrarrojos, IR, de alta velocidad del sistema (100), imágenes de IR de referencia del baño fundido de metal y de la nube de partículas metálicas formados sobre una pieza de referencia, a una frecuencia igual o superior a 500 imágenes/segundo y obtener datos de imágenes de IR referencia, - analizar y acondicionar, mediante el módulo (160) de acondicionamiento y análisis de imágenes de IR del sistema (100), dichas imágenes de IR de referencia para obtener datos de imágenes de IR de referencia,

- captar, mediante la cámara (150) de infrarrojos, imágenes de IR del baño fundido de metal y/o de la nube de partículas metálicas formados sobre una pieza nueva a procesar en curso, a una frecuencia igual o superior a 500 imágenes/segundo, - analizar y acondicionar, mediante el módulo (160) de acondicionamiento y análisis, dichas imágenes de IR de alta velocidad de dicha pieza nueva a procesar para obtener datos de imágenes de IR de la pieza en curso,

- interpretar y comparar, mediante el módulo (170) de interpretación de datos de

imágenes de IR y de generación de señales de control del sistema (100), dichos datos de imágenes de IR de la pieza en curso con los datos de imágenes IR de referencia para generar por lo menos una señal de control y/o una señal de calidad y/o una señal de aviso, en donde los datos de imágenes de IR comprenden al menos una de entre la extensión del baño de metal fundido, el área del baño de metal fundido, la distribución de la temperatura del baño de metal fundido y/o de la nube partículas metálicas, la forma del baño de metal fundido y características obtenidas a partir de la evolución temporal de una o más de las anteriores, dicha señal o señales de control comprenden por lo menos una de entre una señal de control de la potencia o intensidad de una fuente de energía usada para el depósito de metal fundido de alta velocidad, una señal de control de la velocidad de barrido de dicha fuente de energía, una señal de control de la cantidad de metal a depositar suministrado, una señal de control de la velocidad de giro de un soporte de las piezas procesadas, una señal de control de la orientación del eje de giro del soporte, una señal de control de la forma del haz de energía emitido, la distancia de la fuente de energía al metal a depositar suministrado, la frecuencia de captación de las imágenes de IR, y dicha señal o señales de aviso comprenden por lo menos una de entre: una señal indicativa de posible avería, una señal indicativa de pieza defectuosa, una señal indicativa de que uno o más de los datos de imágenes de IR de la pieza en curso está(n) fuera de un intervalo prestablecido respectivo, una señal indicativa de que uno o más de los datos de imágenes de IR de la pieza en curso está(n) por debajo o por encima, respectivamente, de un umbral inferior o un umbral superior prestablecidos respectivos, una señal indicativa de temperatura muy elevada o muy baja, una señal de puntuación de la calidad de la pieza.

15. Método según la reivindicación anterior, en el que la etapa de interpretar y comparar los datos de imágenes de IR de la pieza en curso con los datos de imágenes de referencia para generar por lo menos una señal de control comprende generar por lo menos una señal de control tal que los datos de imágenes de IR correspondientes de la pieza en curso se mantengan o vuelvan a situarse dentro de un intervalo prestablecido respectivo y/o por encima o por debajo, respectivamente, de un umbral inferior o un umbral superior prestablecido respectivo.

16. Método según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 15 en el que captar imágenes de IR del baño fundido de metal y/o de la nube de partículas metálicas

comprende captar imágenes de IR del baño fundido de metal y/o de la nube de partículas metálicas a una frecuencia igual o superior a 1.000 imágenes/segundo

17. Pieza (110) obtenida con un sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 y/o un método según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16.

18. Pieza (110) según la reivindicación anterior, que comprende un freno de disco.