IT201900018863A1

IT201900018863A1 - Nozzle for equipment for direct local deposition of material in the form of powder under laser beam

Info

Publication number: IT201900018863A1
Application number: IT102019000018863A
Authority: IT
Inventors: Daniele Tamborini; Valentina Furlan; Barbara Previtali; Mauro Penasa; Andrea Crosato
Original assignee: Blm Spa; Milano Politecnico
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-04-15

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Ugello per apparecchiatura per deposizione locale diretta di materiale in forma di polvere sotto fascio laser" DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "Nozzle for equipment for direct local deposition of material in the form of powder under laser beam"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda un ugello per apparecchiatura per deposizione locale diretta di materiale sotto fascio laser, come specificato nel preambolo dell'annessa rivendicazione indipendente 1. The present invention relates to a nozzle for equipment for direct local deposition of material under a laser beam, as specified in the preamble of the attached independent claim 1.

Il processo di deposizione locale diretta di materiale (DED - Directed Energy Deposition) sotto fascio laser (comunemente nota come "laser cladding") è una tecnologia che prevede la deposizione di materiale, che può essere in forma compatta (filo) o in forma dispersa (polvere), con l'ausilio di un fascio laser che provoca la fusione del materiale su un substrato. La presente invenzione è destinata in particolare ad apparecchiature per la deposizione di materiale in forma dispersa, per cui si farà riferimento nel seguito a questa particolare applicazione. The process of local direct deposition of material (DED - Directed Energy Deposition) under a laser beam (commonly known as "laser cladding") is a technology that involves the deposition of material, which can be in compact form (wire) or in dispersed form (powder), with the aid of a laser beam that causes the material to melt onto a substrate. The present invention is intended in particular for apparatuses for depositing material in dispersed form, for which reference will be made hereinafter to this particular application.

Il processo di laser cladding può essere eseguito in modalità coassiale, cioè mediante adduzione del materiale in forma di polvere coassialmente al fascio laser, o in modalità non coassiale ("offaxis"), cioè mediante adduzione del materiale in forma di polvere non coassiale al fascio laser. La modalità coassiale, cui è destinato l'ugello oggetto della presente invenzione, permette di depositare il materiale in modo molto preciso e controllato. The laser cladding process can be performed in coaxial mode, that is by adding the material in the form of powder coaxially to the laser beam, or in non-coaxial mode ("offaxis"), that is by adding the material in the form of powder not coaxial to the beam. laser. The coaxial mode, for which the nozzle object of the present invention is intended, allows the material to be deposited in a very precise and controlled way.

Uno sviluppo relativamente recente della tecnologia del laser cladding è l'applicazione al campo della fabbricazione additiva (comunemente nota come "additive manufacturing"). L'obiettivo della tecnologia del laser cladding nel campo della fabbricazione additiva è la costruzione di strutture quanto mai vicine alla forma finale, per cui il requisito principale è relativo alla precisione della crescita della struttura sotto processo. Per questa applicazione, pur esistendo soluzioni che utilizzano filo coassiale, vengono di solito impiegate tecniche con adduzione coassiale di polveri. A relatively recent development of laser cladding technology is its application to the field of additive manufacturing (commonly known as "additive manufacturing"). The goal of laser cladding technology in the field of additive manufacturing is the construction of structures that are as close as ever to the final shape, so the main requirement is related to the accuracy of the growth of the structure under process. For this application, although there are solutions that use coaxial wire, techniques with coaxial adduction of powders are usually used.

Gli ugelli utilizzati per l'adduzione coassiale di polveri possono essere fondamentalmente dei seguenti due tipi: The nozzles used for the coaxial supply of powders can basically be of the following two types:

1) ugelli multi-jet, cioè ugelli in grado di alimentare le polveri attraverso un certo numero di punti di adduzione distinti l'uno dall'altro e convergenti verso un unico punto di fuoco; e 1) multi-jet nozzles, ie nozzles capable of feeding the powders through a certain number of different supply points and converging towards a single point of focus; And

2) ugelli anulari, cioè ugelli con una camera di adduzione presentante una singola uscita anulare che è disposta coassialmente intorno al fascio laser ed è focalizzata nel punto di lavoro progettato per il fascio laser. 2) annular nozzles, i.e. nozzles with an adduction chamber having a single annular outlet which is arranged coaxially around the laser beam and is focused at the working point designed for the laser beam.

Questi due tipi di ugello hanno caratteristiche diverse che ne consigliano l'uso in base alla specifica applicazione. These two types of nozzles have different characteristics that recommend their use according to the specific application.

Gli ugelli multi-jet sono ugelli conici presentanti un canale assiale centrale per il fascio laser e un certo numero di canali per le polveri (ad esempio tre, quattro o sei canali), che sono disposti intorno al canale assiale centrale e sono orientati in modo da convergere verso un unico punto di fuoco. I canali per le polveri sono alimentati separatamente l'uno dall'altro da un singolo distributore tramite tubi di alimentazione, ciascuno dei quali collega il distributore al rispettivo canale per le polveri. Un ugello multi-jet produce quindi un certo numero di flussi di polvere (pari al numero di canali per le polveri) che convergono nel punto di lavoro del laser. La dimensione dei canali per le polveri è relativamente grande (tipicamente non inferiore a 2 mm, per evitare eccessive perdite di carico), per cui è impossibile ottenere un fuoco delle polveri che si avvicini molto a tale valore. Un ugello multi-jet è in grado di lavorare in qualunque posizione, dal momento che la velocità delle polveri in uscita dai fori di adduzione dei canali per le polveri è abbastanza elevata e quindi risente meno della posizione di lavoro. Grazie alle dimensioni maggiori del fuoco delle polveri, è possibile usare uno spot laser di lavoro di diametro maggiore per depositare più materiale. Un ugello multi-jet è dunque in grado di offrire una produttività maggiore, a fronte tuttavia di una minore definizione di deposizione e di una finitura superficiale generalmente, anche se non necessariamente, peggiore. Multi-jet nozzles are conical nozzles having a central axial channel for the laser beam and a number of powder channels (e.g. three, four or six channels), which are arranged around the central axial channel and are oriented so to converge towards a single point of focus. The powder channels are fed separately from each other from a single distributor via feed tubes, each of which connects the distributor to the respective powder channel. A multi-jet nozzle therefore produces a certain number of powder streams (equal to the number of powder channels) that converge at the working point of the laser. The size of the ducts for the powders is relatively large (typically not less than 2 mm, to avoid excessive pressure drops), so it is impossible to obtain a powder fire that is very close to this value. A multi-jet nozzle is able to work in any position, since the speed of the powders exiting the feed holes of the powder channels is quite high and therefore is less affected by the working position. Due to the larger size of the powder focus, a larger diameter working laser spot can be used to deposit more material. A multi-jet nozzle is therefore able to offer higher productivity, however, in the face of a lower definition of deposition and a generally, although not necessarily, worse surface finish.

Gli ugelli anulari presentano una camera per le polveri di forma anulare che si estende coassialmente intorno al canale assiale centrale per il fascio laser e serve a uniformare il flusso di polveri proveniente da un certo numero di alimentazioni esterne, anche in questo caso servite da un unico distributore. La camera anulare convoglia le polveri verso un'intercapedine conica opportunamente inclinata in modo da fare convergere le polveri fuoriuscenti da tale intercapedine verso il punto di lavoro del fascio laser. Le dimensioni di tale intercapedine sono di alcuni decimi di mm, il che consente di ottenere un fuoco di dimensioni inferiori rispetto a quello realizzabile con un ugello multi-jet, operando con portate di gas inferiori e quindi con velocità di trasporto minori. Pertanto, un ugello anulare lavora bene se l'inclinazione rispetto alla verticale è bassa (ad esempio non più di 10°). D'altra parte, un ugello anulare è molto più preciso rispetto a un ugello multi-jet, in quanto la focalizzazione delle polveri è più spinta e inoltre è isotropa rispetto alla direzione di avanzamento. The annular nozzles have an annular chamber for the powders that extends coaxially around the central axial channel for the laser beam and serves to uniform the flow of powders coming from a certain number of external feeders, also in this case served by a single distributor. The annular chamber conveys the powders towards a suitably inclined conical interspace so as to make the powders emerging from this interspace converge towards the working point of the laser beam. The dimensions of this interspace are a few tenths of a mm, which makes it possible to obtain a smaller fire than that achievable with a multi-jet nozzle, operating with lower gas flow rates and therefore with lower transport speeds. Therefore, an annular nozzle works well if the inclination with respect to the vertical is low (for example, no more than 10 °). On the other hand, an annular nozzle is much more accurate than a multi-jet nozzle, as the focus of the powders is more pushed and moreover it is isotropic with respect to the direction of advancement.

Le lavorazioni laser di alta potenza con tipologia coassiale sono poche. Oltre al laser cladding, infatti, solo il taglio laser e la saldatura per conduzione su piccoli spessori sono eseguiti con assistenza di gas coassiale. Nel caso del taglio laser l'apporto di gas serve a rimuovere il materiale fuso, per cui si lavora a pressioni medio-alte, cosa che mantiene bassa la temperatura dell'ugello. Gli ugelli utilizzati per il taglio laser possono così essere di piccole dimensioni e facilmente sostituibili, dunque costituire a tutti gli effetti componenti di consumo (consumable). There are few high-power laser processing with coaxial type. In fact, in addition to laser cladding, only laser cutting and conduction welding on small thicknesses are performed with the assistance of coaxial gas. In the case of laser cutting, the supply of gas is used to remove the molten material, so we work at medium-high pressures, which keeps the temperature of the nozzle low. The nozzles used for laser cutting can thus be small and easily replaceable, thus constituting in all respects consumable components.

Al contrario, nei processi di deposizione sono utilizzati ugelli particolarmente complessi, massicci e molto costosi. Tali ugelli sono di solito realizzati in due parti, vale a dire l'ugello vero e proprio, destinato a ricevere le polveri e a focalizzarle opportunamente (oltre che ad essere attraversato dal fascio laser), e un corpo portaugello che si interfaccia con la testa di focalizzazione e ha la funzione di supportare e raffreddare l'ugello. L'ugello è infatti solitamente privo di un sistema di raffreddamento dedicato, in quanto viene raffreddato scambiando calore per contatto con il corpo porta-ugello. L'ugello è quindi realizzato in materiale avente una buona conducibilità termica, tipicamente rame, per agevolare la trasmissione del calore immagazzinato verso il corpo porta-ugello. Per evitare problemi dovuti a dilatazioni differenziali, il corpo porta-ugello viene realizzato nello stesso materiale dell'ugello. On the contrary, particularly complex, massive and very expensive nozzles are used in the deposition processes. These nozzles are usually made in two parts, namely the actual nozzle, intended to receive the powders and to focus them appropriately (as well as to be crossed by the laser beam), and a nozzle holder body that interfaces with the focusing and has the function of supporting and cooling the nozzle. The nozzle is in fact usually devoid of a dedicated cooling system, as it is cooled by exchanging heat by contact with the nozzle-holder body. The nozzle is therefore made of a material having good thermal conductivity, typically copper, to facilitate the transmission of the stored heat towards the nozzle-holder body. To avoid problems due to differential expansion, the nozzle holder body is made of the same material as the nozzle.

Scopo della presente invenzione è fornire un ugello per apparecchiatura per deposizione locale diretta di materiale in forma dispersa sotto fascio laser, che da un lato sia raffreddabile più efficacemente rispetto alla tecnica nota e che dall'altro sia realizzabile a basso costo e sia facilmente sostituibile, in modo da poter essere gestito a tutti gli effetti come un componente di consumo dell'apparecchiatura. The purpose of the present invention is to provide a nozzle for equipment for direct local deposition of material in dispersed form under a laser beam, which on the one hand can be cooled more effectively than the known art and which on the other hand can be manufactured at low cost and is easily replaceable, so that it can be effectively managed as a consumable component of the equipment.

Questo e altri scopi sono pienamente raggiunti secondo l'invenzione grazie a un ugello avente le caratteristiche definite nell'annessa rivendicazione indipendente 1. This and other purposes are fully achieved according to the invention thanks to a nozzle having the characteristics defined in the attached independent claim 1.

Forme di realizzazione vantaggiose dell'invenzione sono specificate nelle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrante della descrizione che segue. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims, the content of which is to be understood as an integral part of the following description.

In sintesi, l'invenzione si basa sull'idea di realizzare un ugello comprendente una porzione superiore di accoppiamento, configurata per consentire un accoppiamento risolubile dell'ugello con un corpo porta-ugello, e una porzione inferiore, o punta di ugello, realizzata come porzione conica e avente alla sua estremità inferiore un foro di uscita centrale, In summary, the invention is based on the idea of making a nozzle comprising an upper coupling portion, configured to allow a resolvable coupling of the nozzle with a nozzle holder body, and a lower portion, or nozzle tip, made as conical portion and having at its lower end a central exit hole,

in cui dette porzioni superiore e inferiore presentano un canale assiale centrale, che alla sua estremità inferiore comunica con l'esterno dell'ugello tramite detto foro di uscita ed è destinato a essere attraversato, durante il funzionamento, da un fascio laser focalizzato, in which said upper and lower portions have a central axial channel, which at its lower end communicates with the outside of the nozzle through said outlet hole and is intended to be crossed, during operation, by a focused laser beam,

in cui detta porzione inferiore presenta almeno un canale per le polveri avente un'apertura di uscita opportunamente conformata e orientata per l'adduzione delle polveri in un punto di lavoro del fascio laser emesso attraverso l'ugello, in which said lower portion has at least one channel for the powders having an outlet opening suitably shaped and oriented for the feeding of the powders to a working point of the laser beam emitted through the nozzle,

in cui detta porzione inferiore presenta inoltre almeno un canale di raffreddamento per il passaggio di un fluido di raffreddamento, e wherein said lower portion further has at least one cooling channel for the passage of a cooling fluid, e

in cui detta porzione inferiore, inclusi il/i canale/i per le polveri e il/i canale/i di raffreddamento, è realizzata in un pezzo unico con detta porzione superiore mediante procedimento di fabbricazione additiva. wherein said lower portion, including the dust channel (s) and cooling channel (s), is made in a single piece with said upper portion by means of an additive manufacturing process.

Grazie alla presenza di almeno un canale di raffreddamento, attraverso cui può essere fatto scorrere un fluido di raffreddamento e che può estendersi in prossimità del foro di uscita della porzione inferiore, dunque nella zona dell'ugello maggiormente soggetta a riscaldamento durante la lavorazione, è possibile ottenere un efficace raffreddamento dell'ugello, senza necessità di realizzare l'ugello in un materiale, quale rame, ad elevata conducibilità termica e dunque potendo utilizzare materiali meno costosi del rame e potendo di conseguenza ridurre il costo dell'ugello. Thanks to the presence of at least one cooling channel, through which a cooling fluid can be made to flow and which can extend near the outlet hole of the lower portion, therefore in the area of the nozzle most subject to heating during processing, it is possible obtain an effective cooling of the nozzle, without the need to make the nozzle in a material, such as copper, with high thermal conductivity and therefore being able to use less expensive materials than copper and consequently being able to reduce the cost of the nozzle.

La realizzazione in un pezzo unico dell'ugello, agevolmente ottenibile mediante procedimento di fabbricazione additiva, contribuisce ulteriormente alla riduzione del costo dell'ugello. The one-piece construction of the nozzle, easily obtainable by means of an additive manufacturing process, further contributes to reducing the cost of the nozzle.

L'ugello diventa in questo modo un componente dell'apparecchiatura a basso costo e di agevole sostituzione, che può essere pertanto gestito come componente cosiddetto "consumabile". In this way, the nozzle becomes a low-cost and easy-to-replace component of the apparatus, which can therefore be managed as a so-called "consumable" component.

Oltretutto, l'ugello può essere realizzato sia come ugello multi-jet sia come ugello anulare. Ciò consente, ad esempio nel caso di fabbricazione di oggetti complessi, di utilizzare il tipo di ugello di volta in volta più adatto per una specifica fase del processo di fabbricazione, a seconda che sia richiesta una maggiore produttività o una maggiore precisione. Pertanto, durante il processo di fabbricazione sarà possibile sostituire una o più volte un ugello multi-jet con un ugello anulare, o viceversa, a seconda delle specifiche esigenze, senza con ciò penalizzare tempi e costi di fabbricazione. Furthermore, the nozzle can be made both as a multi-jet nozzle and as an annular nozzle. This allows, for example in the case of manufacturing complex objects, to use the type of nozzle that is most suitable for a specific phase of the manufacturing process, depending on whether greater productivity or greater precision is required. Therefore, during the manufacturing process it will be possible to replace one or more times a multi-jet nozzle with an annular nozzle, or vice versa, according to specific requirements, without thereby penalizing manufacturing times and costs.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui: Further characteristics and advantages of the present invention will become clearer from the detailed description that follows, given purely by way of non-limiting example with reference to the attached drawings, in which:

la figura 1 è una vista prospettica di un gruppo ugello incorporante un ugello anulare secondo un esempio di realizzazione della presente invenzione; Figure 1 is a perspective view of a nozzle assembly incorporating an annular nozzle according to an embodiment of the present invention;

la figura 2 è una vista prospettica, in spaccato, dell'ugello anulare del gruppo ugello di figura 1; Figure 2 is a cut-away perspective view of the annular nozzle of the nozzle assembly of Figure 1;

la figura 3 è una vista prospettica, in spaccato, del corpo porta-ugello del gruppo ugello di figura 1; Figure 3 is a cut-away perspective view of the nozzle-holder body of the nozzle assembly of Figure 1;

la figura 4 è una vista prospettica di un gruppo ugello incorporante un ugello multi-jet secondo un esempio di realizzazione della presente invenzione; e Figure 4 is a perspective view of a nozzle assembly incorporating a multi-jet nozzle according to an embodiment of the present invention; And

la figura 5 è una vista prospettica, in spaccato, dell'ugello multi-jet del gruppo ugello di figura 4. Figure 5 is a cut-away perspective view of the multi-jet nozzle of the nozzle assembly of Figure 4.

Con riferimento inizialmente alla figura 1, con 10 è complessivamente indicato un gruppo ugello destinato ad essere utilizzato in un'apparecchiatura per deposizione locale diretta di materiale in forma dispersa sotto fascio laser. Il gruppo ugello 10 comprende fondamentalmente un ugello 12 e un corpo porta-ugello 14. L'ugello 12 rappresenta l'elemento inferiore del gruppo ugello 10, attraverso cui vengono emessi verso una zona di lavoro sia un fascio laser focalizzato generato da una testa di focalizzazione (non mostrata) sia un flusso di polveri di detto materiale, mentre il corpo portaugello 14 funge da interfaccia fra l'ugello 12 e la testa di focalizzazione su cui il gruppo ugello 10 è montato. With reference initially to Figure 1, the number 10 generally indicates a nozzle assembly intended to be used in an apparatus for direct local deposition of material in dispersed form under a laser beam. The nozzle unit 10 basically comprises a nozzle 12 and a nozzle holder body 14. The nozzle 12 represents the lower element of the nozzle unit 10, through which both a focused laser beam generated by a laser head are emitted towards a working area. focusing (not shown) is a flow of powders of said material, while the nozzle holder body 14 acts as an interface between the nozzle 12 and the focusing head on which the nozzle assembly 10 is mounted.

L'ugello 12 e il corpo porta-ugello 14 sono rispettivamente mostrati in dettaglio nella figura 2 e nella figura 3. In questo esempio di realizzazione l'ugello 12 è di tipo anulare, ma come verrà spiegato più avanti, con riferimento alle figure 4 e 5, esso può anche essere configurato come ugello multi-jet. Il corpo porta-ugello 14 è invece un componente indipendente dal tipo di ugello ad esso accoppiato, di modo che il medesimo corpo portaugello può essere utilizzato sia per il montaggio di un ugello anulare sia per il montaggio di un ugello multi-jet, come pure per il montaggio di eventuali altre tipologie di ugello. The nozzle 12 and the nozzle holder body 14 are respectively shown in detail in figure 2 and figure 3. In this embodiment example the nozzle 12 is of the annular type, but as will be explained later, with reference to figures 4 and 5, it can also be configured as a multi-jet nozzle. The nozzle-holder body 14 is instead a component independent of the type of nozzle coupled to it, so that the same nozzle-holder body can be used both for the assembly of an annular nozzle and for the assembly of a multi-jet nozzle, as well as for mounting any other types of nozzle.

Con riferimento alla figura 2, l'ugello 12 è realizzato come corpo cavo comprendente una porzione superiore 16, o porzione di accoppiamento, e una porzione inferiore 18, o punta di ugello. With reference to Figure 2, the nozzle 12 is made as a hollow body comprising an upper portion 16, or coupling portion, and a lower portion 18, or nozzle tip.

La porzione superiore 16 è configurata per consentire un accoppiamento risolubile dell'ugello 12 con il corpo porta-ugello 14. Nella forma di realizzazione proposta, la porzione superiore 16 presenta una superficie esterna di accoppiamento 20 di forma cilindrica, avente funzione di centraggio, nella quale sono previsti uno o più intagli 22 aventi funzione di superficie di bloccaggio e di riferimento angolare dell'ugello 12 rispetto al corpo porta-ugello 14. The upper portion 16 is configured to allow a resolvable coupling of the nozzle 12 with the nozzle holder body 14. In the proposed embodiment, the upper portion 16 has an external coupling surface 20 of cylindrical shape, having a centering function, in the which one or more notches 22 are provided, having the function of locking surface and angular reference of the nozzle 12 with respect to the nozzle holder body 14.

La porzione inferiore 18 è realizzata come porzione conica e presenta alla sua estremità inferiore un foro di uscita 24 centrale. The lower portion 18 is made as a conical portion and has a central outlet hole 24 at its lower end.

Un canale assiale centrale 26 attraversa l'intero ugello 12, dunque sia la porzione superiore 16 sia la porzione inferiore 18, e alla sua estremità inferiore comunica con l'esterno dell'ugello tramite il foro di uscita 24. Attraverso il canale assiale centrale 26 passa durante la lavorazione il fascio laser focalizzato emesso dalla testa di focalizzazione su cui il gruppo ugello 10 è montato. Il canale assiale centrale 26 presenta vantaggiosamente una conformazione conica, convergente verso il foro di uscita 24. A central axial channel 26 passes through the entire nozzle 12, therefore both the upper portion 16 and the lower portion 18, and at its lower end communicates with the outside of the nozzle through the outlet hole 24. Through the central axial channel 26 the focused laser beam emitted by the focusing head on which the nozzle assembly 10 is mounted passes during processing. The central axial channel 26 advantageously has a conical conformation, converging towards the outlet hole 24.

La porzione inferiore 18 dell'ugello 12 presenta almeno un canale 28 per le polveri configurato per alimentare le polveri del materiale da depositare in corrispondenza del punto di lavoro del fascio laser che nel funzionamento viene emesso attraverso l'ugello 12. In questo esempio di realizzazione, in cui l'ugello 12 è di tipo anulare, è previsto un singolo canale 28 per le polveri, che è configurato come canale anulare estendentesi intorno al canale assiale centrale 26 fra una parete conica interna 30 (che in questo caso è la stessa parete che delimita il canale assiale centrale 26) e una parete conica esterna 32 della porzione inferiore 18 dell'ugello 12. Il canale 28 per le polveri comunica superiormente con uno o più tubi di alimentazione 34 per le polveri, che sono realizzati in un solo pezzo con la porzione inferiore 18 dell'ugello 12 e servono per l'alimentazione delle polveri da un distributore di polveri esterno (non mostrato) al canale 28 per le polveri. Il canale 28 per le polveri presenta alla sua estremità inferiore un'apertura di uscita anulare 36 disposta intorno al foro di uscita 24 del canale assiale centrale 26. The lower portion 18 of the nozzle 12 has at least one channel 28 for the powders configured to feed the powders of the material to be deposited at the working point of the laser beam which in operation is emitted through the nozzle 12. In this example of embodiment , in which the nozzle 12 is of the annular type, a single channel 28 is provided for the powders, which is configured as an annular channel extending around the central axial channel 26 between an internal conical wall 30 (which in this case is the same wall which delimits the central axial channel 26) and an external conical wall 32 of the lower portion 18 of the nozzle 12. The channel 28 for the powders communicates at the top with one or more supply pipes 34 for the powders, which are made in a single piece with the lower portion 18 of the nozzle 12 and serve to feed the powders from an external powder distributor (not shown) to the powder channel 28. The channel 28 for the powders has at its lower end an annular outlet opening 36 arranged around the outlet hole 24 of the central axial channel 26.

La porzione inferiore 18 dell'ugello 12 presenta inoltre almeno un canale di raffreddamento 38 per il passaggio di un fluido di raffreddamento. Il canale di raffreddamento 38 si estende intorno al canale 28 per le polveri, formando una o più spire, quanto più possibile in prossimità dell'estremità inferiore della porzione inferiore 18, cioè in prossimità della zona dell'ugello 12 che durante il funzionamento si riscalda maggiormente. Il canale di raffreddamento 38 comunica da un lato con un tubo di alimentazione 40, attraverso cui il fluido di raffreddamento proveniente da una sorgente di alimentazione esterna viene alimentato al canale di raffreddamento 38 dell'ugello 12, e dall'altro con un tubo di uscita 41, attraverso cui il fluido di raffreddamento fuoriesce dall'ugello 12 per essere raffreddato in un refrigeratore esterno. Anche il tubo di alimentazione 40, come pure il tubo di uscita 41, sono realizzati in un solo pezzo con la porzione inferiore 18 dell'ugello 12. The lower portion 18 of the nozzle 12 also has at least one cooling channel 38 for the passage of a cooling fluid. The cooling channel 38 extends around the channel 28 for the powders, forming one or more coils, as close as possible to the lower end of the lower portion 18, i.e. near the area of the nozzle 12 which heats up during operation. more. The cooling channel 38 communicates on the one hand with a supply pipe 40, through which the cooling fluid coming from an external supply source is fed to the cooling channel 38 of the nozzle 12, and on the other with an outlet pipe 41, through which the cooling fluid exits from the nozzle 12 to be cooled in an external cooler. The supply tube 40, as well as the outlet tube 41, are also made in one piece with the lower portion 18 of the nozzle 12.

L'ugello 12, con la sua porzione superiore 16 e la sua porzione inferiore 18, inclusi il canale 28 per le polveri e il/i canale/i di raffreddamento 38, è realizzato in un solo pezzo di materiale metallico mediante procedimento di fabbricazione additiva. Il materiale dell'ugello 12 non deve essere necessariamente rame, o altro materiale metallico a conducibilità termica molto elevata, ma può essere realizzato in un materiale a conducibilità termica minore di quella del rame, ad esempio in lega di alluminio o in acciaio. The nozzle 12, with its upper portion 16 and its lower portion 18, including the channel 28 for the powders and the cooling channel (s) 38, is made in a single piece of metal material by means of an additive manufacturing process. . The material of the nozzle 12 does not necessarily have to be copper, or other metal material with very high thermal conductivity, but can be made of a material with a thermal conductivity lower than that of copper, for example of aluminum alloy or steel.

Con riferimento ora alla figura 3, il corpo porta-ugello 14 è realizzato come corpo cavo presentante un canale assiale centrale 42, che nella condizione assemblata del gruppo ugello 10 (figura 1) comunica con il canale assiale centrale 26 dell'ugello 12 per consentire al fascio laser generato dalla testa di focalizzazione di attraversare il gruppo ugello 10 ed essere emesso attraverso il foro di uscita 24 dell'ugello 12. With reference now to Figure 3, the nozzle holder body 14 is made as a hollow body having a central axial channel 42, which in the assembled condition of the nozzle assembly 10 (Figure 1) communicates with the central axial channel 26 of the nozzle 12 to allow the laser beam generated by the focusing head to pass through the nozzle assembly 10 and be emitted through the outlet hole 24 of the nozzle 12.

Il corpo porta-ugello 14 include una porzione inferiore 44, o porzione di accoppiamento, configurata per accoppiarsi mediante accoppiamento di forma con la porzione superiore 16 dell'ugello 12 e che a tale scopo, nella forma di realizzazione proposta, presenta una superficie interna 46 di accoppiamento di forma cilindrica con diametro sostanzialmente uguale al diametro della superficie esterna di accoppiamento 20 di forma cilindrica della porzione superiore 16 dell'ugello 12. Per garantire un collegamento stabile fra l'ugello 12 e il porta-ugello 14, la porzione inferiore 44 di quest'ultimo presenta uno o più fori radiali 48 (uno solo dei quali è mostrato nelle figure 1 e 3), in numero pari al numero di intagli 22 previsti sulla superficie esterna di accoppiamento 20 dell'ugello 12, per l'inserimento di viti (ad esempio viti senza testa a cava esagonale) con funzione di bloccaggio a pressione dell'ugello 12 sul corpo porta-ugello 14. The nozzle holder body 14 includes a lower portion 44, or coupling portion, configured to couple by form coupling with the upper portion 16 of the nozzle 12 and which for this purpose, in the proposed embodiment, has an internal surface 46 cylindrical shape coupling with a diameter substantially equal to the diameter of the external coupling surface 20 of cylindrical shape of the upper portion 16 of the nozzle 12. To ensure a stable connection between the nozzle 12 and the nozzle holder 14, the lower portion 44 the latter has one or more radial holes 48 (only one of which is shown in Figures 1 and 3), equal in number to the number of notches 22 provided on the external coupling surface 20 of the nozzle 12, for the insertion of screws (e.g. hexagon socket headless screws) with pressure locking function of the nozzle 12 on the nozzle holder body 14.

Anche il corpo porta-ugello 14, così come l'ugello 12, presenta almeno un canale di raffreddamento 50 per il passaggio di un fluido di raffreddamento, il quale canale di raffreddamento 50 si estende intorno al canale assiale centrale 42 formando una o più spire. Il canale di raffreddamento 50 comunica da un lato con un tubo di alimentazione 52, attraverso cui il fluido di raffreddamento proveniente da una sorgente di alimentazione esterna viene alimentato al canale di raffreddamento 50 del corpo porta-ugello 14, e dall'altro con un tubo di uscita 53, attraverso cui il fluido di raffreddamento fuoriesce dal corpo porta-ugello 14 per essere raffreddato in un refrigeratore esterno. Il circuito di raffreddamento per l'ugello 12 e per il corpo porta-ugello 14 possono essere collegati in parallelo, come appena descritto, o più convenientemente in serie. The nozzle holder body 14, as well as the nozzle 12, also has at least one cooling channel 50 for the passage of a cooling fluid, which cooling channel 50 extends around the central axial channel 42 forming one or more coils. . The cooling channel 50 communicates on the one hand with a supply pipe 52, through which the cooling fluid coming from an external supply source is fed to the cooling channel 50 of the nozzle holder body 14, and on the other with a pipe outlet 53, through which the cooling fluid exits from the nozzle holder body 14 to be cooled in an external cooler. The cooling circuit for the nozzle 12 and for the nozzle holder body 14 can be connected in parallel, as just described, or more conveniently in series.

Il corpo porta-ugello 14 include inoltre una porzione superiore 54 presentante una superficie esterna di accoppiamento 56 di forma cilindrica, avente funzione di centraggio rispetto alla testa di focalizzazione su cui il gruppo ugello 10 deve essere installato. Nella superficie esterna di accoppiamento 56 sono previsti uno o più intagli 58 aventi funzione di superficie di bloccaggio e di riferimento angolare del corpo porta-ugello 14 rispetto alla testa di focalizzazione. The nozzle holder body 14 also includes an upper portion 54 having an external coupling surface 56 of cylindrical shape, having a centering function with respect to the focusing head on which the nozzle assembly 10 is to be installed. In the external coupling surface 56 there are one or more notches 58 having the function of locking surface and angular reference of the nozzle holder body 14 with respect to the focusing head.

Il corpo porta-ugello 14, con la porzione inferiore 44, inclusi il tubo di alimentazione 52 e il tubo di uscita 53, e con la porzione superiore 54, è realizzato in un solo pezzo mediante procedimento di fabbricazione additiva. The nozzle holder body 14, with the lower portion 44, including the supply tube 52 and the outlet tube 53, and with the upper portion 54, is made in one piece by means of an additive manufacturing process.

Con riferimento ora alle figure 4 e 5, in cui parti ed elementi identici o corrispondenti a quelli delle figure precedenti sono indicati con i medesimi numeri di riferimento, si descriverà un ulteriore esempio di realizzazione di un gruppo ugello 10, in cui il corpo porta-ugello 14 è identico a quello sopra descritto con riferimento alla figura 3 (e dunque non verrà più descritto in dettaglio, essendo valido quanto già spiegato in precedenza con riferimento alla figura 3), mentre l'ugello 12 è configurato in questo caso come ugello multi-jet. With reference now to figures 4 and 5, in which parts and elements identical or corresponding to those of the preceding figures are indicated with the same reference numbers, a further example of embodiment of a nozzle assembly 10 will be described, in which the nozzle 14 is identical to the one described above with reference to Figure 3 (and therefore will no longer be described in detail, as what has already been explained above with reference to Figure 3 is valid), while the nozzle 12 is configured in this case as a multi nozzle -jet.

La figura 5 mostra in dettaglio l'ugello 12, che in questo caso presenta più canali 28 per le polveri (ad esempio tre canali) formati ciascuno da un rispettivo tubo 34 che almeno nel suo tratto terminale presenta un asse rettilineo inclinato rispetto all'asse del canale assiale centrale 26 in modo da fare convergere il flusso di polveri fuoriuscenti dai canali 28 verso la zona di lavoro del fascio laser emesso dal foro di uscita 24 dell'ugello 12. Figure 5 shows in detail the nozzle 12, which in this case has several channels 28 for the powders (for example three channels) each formed by a respective tube 34 which at least in its terminal section has a rectilinear axis inclined with respect to the axis of the central axial channel 26 so as to make the flow of powders emerging from the channels 28 converge towards the working area of the laser beam emitted from the outlet hole 24 of the nozzle 12.

Vale per il resto quanto già enunciato in precedenza con riferimento all'esempio di realizzazione di figura 2, in particolare per quanto riguarda la realizzazione del/i canale/i di raffreddamento 38 in un solo pezzo con l'ugello 12. For the rest, what has already been stated previously with reference to the example of embodiment of Figure 2 applies, in particular as regards the construction of the cooling channel (s) 38 in one piece with the nozzle 12.

E' evidente che realizzando gli ugelli, anche di tipologie diverse, con identica porzione superiore 16, è possibile utilizzare lo stesso corpo porta-ugello 14 con ugelli diversi, e dunque sostituire un tipo di ugello con un altro durante la lavorazione a seconda delle esigenze. Inoltre, realizzando corpi porta-ugello 14 specifici per ciascuna apparecchiatura, ma aventi la medesima porzione inferiore 44, il medesimo ugello 12 può essere utilizzato con corpi porta-ugello 14 diversi. Si ottiene in questo modo un notevole risparmio di costi e allo stesso tempo si garantisce la possibilità di utilizzare ogni volta l'ugello più adatto a un determinato tipo di lavorazione. It is evident that by making the nozzles, even of different types, with the same upper portion 16, it is possible to use the same nozzle-holder body 14 with different nozzles, and therefore to replace one type of nozzle with another during processing according to requirements. . Furthermore, by making nozzle holder bodies 14 specific for each apparatus, but having the same lower portion 44, the same nozzle 12 can be used with different nozzle holder bodies 14. In this way a considerable cost saving is obtained and at the same time the possibility of using the most suitable nozzle for a specific type of processing is guaranteed every time.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto e illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza con ciò fuoriuscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the embodiments and construction details may be widely varied with respect to what has been described and illustrated purely by way of non-limiting example, without thereby departing from the scope of the invention as defined in the attached claims.

Claims

CLAIMS 1. Nozzle (12) for apparatus for direct local deposition of material in the form of powder under laser beam, the nozzle (12) comprising an upper coupling portion (16) for resolvable coupling of the nozzle (12) with a nozzle holder body (14) of the apparatus, and a lower portion (18), made as a conical portion and having a central outlet hole (24) at its lower end, in which said upper (16) and lower (18) portions have a central axial channel (26), which at its lower end communicates with the outside of the nozzle (12) through said outlet hole (24) and is intended to be crossed, in operation, by a focused laser beam, e in which said lower portion (18) has at least one channel (28) for the material powders having an outlet opening (36) suitably shaped and oriented for the feeding of the material powders into a working point of the emitted laser beam through the nozzle (12), characterized in that said lower portion (18) also has at least one cooling channel (38) for the passage of a cooling fluid for cooling the nozzle (12), and in that said lower portion (18), including said at least one channel (28) for the material powders and said at least one cooling channel (38), is made in a single piece with said upper portion (16) by means of a process of additive manufacturing.

2. Nozzle according to claim 1, wherein said channel (26) has a conical shape, converging towards said outlet hole (24).

3. Nozzle according to claim 1 or claim 2, wherein said lower portion (18) has a single channel (28) for the powders, which is configured as an annular channel extending around said axial channel (26) and presents to its lower end an annular outlet opening (36) arranged around the outlet hole (24) of said axial channel (26).

A nozzle according to claim 3, wherein said at least one cooling channel (38) extends around said single powder channel (28).

A nozzle according to claim 4, wherein said lower portion (18) further integrally forms at least one supply tube (40) in fluid communication with said at least one cooling channel (38) for supplying cooling fluid to said at least a cooling channel (38), as well as at least one outlet pipe (41) in fluid communication with said at least one cooling channel (38) for the outlet of the cooling fluid from said at least one cooling channel (38).

6. Nozzle according to claim 1 or claim 2, wherein said lower portion (18) has several channels (28) for the powders each having a respective terminal portion, on the side of said outlet hole (24), inclined with respect to the axis of said axial channel (26).

7. Nozzle according to any one of the preceding claims, wherein said upper portion (16) has a cylindrical external coupling surface (20) for centering the nozzle (12) with respect to the nozzle-holder body (14).

8. Nozzle according to claim 7, wherein said external coupling surface (20) has one or more notches (22) acting as reference elements for correct angular positioning and for locking the nozzle (12) with respect to the door body - nozzle (14).

9. Nozzle unit (10) for equipment for direct local deposition of material in the form of powder under laser beam, the nozzle unit (10) comprising a nozzle (12) according to any one of the preceding claims and a nozzle holder body (14) which The nozzle (12) is soluble connected.

10. Nozzle assembly according to claim 9, comprising a nozzle (12) according to claim 7 or claim 8, wherein said nozzle-holder body (14) has an internal coupling surface (46) of cylindrical shape suitable for coupling with said external coupling surface (20) of the nozzle (12).