IT9083496A1

IT9083496A1 - Dispositivo per eseguire con il laser strati al plasma

Info

Publication number: IT9083496A1
Application number: IT083496A
Authority: IT
Inventors: Konrad Kinkelin
Original assignee: Inst Nat Sciences Appliq
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1992-04-12
Also published as: IT1244582B; IT9083496A0; GB2239875B; US5122632A; FR2653369A1; GB9022367D0; GB2239875A; DE3935009A1

Description

Descrizione di brevetto per invenzione

Titolo: DISPOSITIVO PER ESEGUIRE CON IL LASER STRATI AL PLASMA

DESCRIZIONE

L'invenzione concerne un dispositivo secondo il concetto generico della rivendicazione principale.

Sembrano essere noti dei dispositivi nei quali, alla zona del punto focale, vengano convogliate polveri mediante un gas di trasporto. La polvere viene però apportata in una certa misura spostata ispetto all'asse geometrico longitudinale, sicché non tutto il volume della polvere, durante l'esecuzione dello strato, viene ottoposto a condizioni di processo uguali. Questo comporta delle nomogeneità. A seconda che il dispositivo, e quindi il raggio laser, venga spostato in avanti, all'indietro, di fianco ecc. si ottengono risultati di lavoro diversi. Qualora, ad esempio, si impieghi quale dispositivo di apporto una specie di tubo soffiatore, questo deve offiare inclinato rispetto all'asse geometrico longitudinale. In questo modo si ottengono direzioni preferenziali dello strato apportato é ciò è sfavorevole.

Qualora si preveda un ugello circolare intorno all'asse geometrico longitudinale, allora il raggio laser viene per così dire, rivestito dalla polvere. In questo caso perviene al raggio laser solo il volume di polvere che arriva più tardi, mentre quello che precede o quello addotto lateralmente subisce tutto un altro trattamento od addirittura nessun trattamento. Svantaggioso è anche il fatto che la perdita di polvere é relativamente elevata in quanto essa viene soffiala via senza depositarsi e formare lo strato sulla superficie. Compito dell'invenzione è quello di eliminare gli svantaggi indicati e di impiegare il raggio laser, per così dire, come un pennello per l'applicazione della polvere.

Secondo l'invenzione questo problema viene risolto tramile la parte caratterizzante delle caratteristiche risultanti dalla rivendicazione principale.

Per lo meno una grande parte del volume della polvere sospesa si trova allora contemporaneamente nella sezione trasversale del raggio laser. Una superficie tipica della sezione ha un ordine di grandezza di 10 mm . La superficie può naturalmente essere più grande o più piccola fino ad un fattore 10, a seconda della sottigliezza del raggio laser. Questa superficie non deve essere necessariamente la superficie di un cerchio ma potrebbe essere anche quella di una elisse. Il raggio laser si può mettere a fuoco in modo che esso sia sostanzialmente più largo che spesso, così da assomigliare ad un pennello da pittore. Corrispondente deve allora essere anche la forma del foro coassiale. Le polveri usate possono essere, ad esempio, polvere di ceramica o polvere di metalli. E' però possibile anche l'impiego di altre polveri. Oltre a ciò si possono impiegare miscele di tipi di polvere.

La granulometria può, specialmente per la polvere ceramica, scendere ad 1 micron. Per molti impieghi si raccomanda l'uso di polveri per quanto possibile fini, tali da poter venir definite pulviscolo.

Con l'invenzione si possono eseguire strati dei materiali più diversi come, per esempio, metallo, ceramica, vetro organico, materia plastica, legno, sostanze biocompatibili (per esempio le superfici di scorrimento portanti di articolazioni artificiali come ginocchi o simili).

E’ risultato che, tramite l'invenzione, con le particelle di polvere si possono creare "muri" che sono larghi, ad esempio, 0,5 mm ed alti da sei a sette volte la larghezza. Essi si creano sul pezzo solo dove c'è il raggio laser. In questo modo si possono produrre lastre zincografiche per l'industria tipografica ed anche piastre di circuiti stampati. Si possono eseguire superfici tridimensionali. Si possono riportare strati di altri materiali su alluminio. E' possibile eseguire strati su materiali finora ritenuti del tutto inadatti. In ogni caso si possono eseguire strali su vetro inorganico e pietra. Tramite le caratteristiche della rivendicazione 2 si ottiene che il gas di trasporto, e con esso la polvere, si concentrino verso il foro coassiale e che la polvere, in seguito alla corrente non sempre laminare, si misceli meglio.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 3 si ottiene che nello spazio interno non si depositi polvere.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 4, si ottiene una migliore possibilità di miscelazione. La velocità del gas di trasporlo può venir adattata alle caratteristiche della polvere.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 5 si ottiene una formazione di vortici. Il vortice si concentra sull'asse geometrico longitudinale, ossia dove si trova il raggio laser, così che questo "vede" la polvere già molto presto ed eventualmente la può riscaldare. Naturalmente ciò dipende dal fattore di riflessione della polvere. Si ottiene anche attraverso la sezione un più omogeneo flusso della polvere tramite il foro coassiale ed una migliore miscelazione, qualora ciò fosse necessario.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 6 si evita che la polvere venga proiettata in quantità considerevole all'esterno, ciò che si verificherebbe con l'impulso di rotazione.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 7 il gas di trasporto e quindi la polvere non si disperde verso il foro coassiale, oppure solo nella misura desiderata.

Tramile le caratteristiche della rivendicazione 8 il gas di trasporto, dopo aver abbandonalo il foro coassiale, mantiene la geometrica tipica di questo. Se il foro é circolare, la sezione del gas di trasporto rimane circolare, se esso è quadro, essa rimane quadra e così via.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 9 si ottiene un freno passivo dell’impulso di rotazione.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 10 o 11 si possono facilmente creare supcrfici di guida che non ostacolano il raggio laser, ma che riducono però l’impulso di rotazione o, a seconda della forma, lo eliminano.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 12 si ottengono superfici di guida rettilinee che sono quindi semplici da realizzare. Tramite le caratteristiche della rivendicazione 13 si può generare efficacemente la rotazione inversa su un tratto di spirale breve. Tramite le caratteristiche della rivendicazione 14 si ottiene un freno attivo dell'impulso di rotazione particolarmente semplice che, nella sua azione, c controllabile e comandabile anche durante l'esercizio.

Tramite le caratteristiche della rivendicazione 15 si può combinare la proiezione deU’ollica posta a monte con l'effetto di un freno dell’impulso di rotazione e quindi utilizzarlo due volte.

L'invenzione viene ora descritta sulla base di esempi preferiti di esecuzione. Nel disegno si vedono:

Figura 1 una rappresentazione schematica dell'invenzione, combinata con un freno attivo dell'impulso di rotazione.

Figura 2 la rappresentazione schematica di un dispositivo secondo l'invenzione, parzialmente sezionalo, con un freno passivo dell’impulso di rotazione,

Figura 3 la vista parziale e sezionata della zona inferiore del dispositivo secondo l’invenzione con un altro freno passivo dell'impulso di rotazione,

Figura 4 la vista prospettica e schematica di un "muro".

Lungo un asse geometrico longitudinale 11 un laser non rappresentato lancia un raggio verso il basso. Esso auraversa un sistema ottico 12, che può essere formato da lenti c/o da specchi. Nel sistema ottico 12 il raggio laser viene concentrato. Si ha allora, nell'esempio d'esecuzione, un raggio 13 che genera in basso un punto focale circolare 14, ad esempio di 2 mm di raggio. Questo giace al di sopra della superficie 16 di un pezzo 17 su cui va riportato uno strato. La posizione del punto focale 1, ai di sopra od al massimo nella superficie 16, viene preferita rispetto alla posizione precedentemente usuale, al di sotto della superficie 16. Al di sotto del sistema otticol2 è previsto un generatore di impulsi di rotazione 18 analogo ai generatori di impulsi di rotazione della domanda di brevetto tedesca P39 18363.7 del 6 Giugno 1969.

II generatore di impulsi di rotazione 18 qui utilizzalo ha uno spazio interno 19 la cui parete cilindrica circolare 21 6 coassiale rispetto all’asse geometrico longitudinale 11. In essa sbocca tangenzialmente un tubo 22 per gas inerte. Verso il basso la parete cilindrica 21 continua con una parete conica circolare 23 anch'essa impermeabile al gas e coassiale all'asse geometrico longitudinale 11. Verso l'alto, dallo spazio interno 19, può sfuggire poco gas o nulla e ciò per certi accorgimenti che qui non interessano.

inerte che convoglia la polvere del tipo desiderato. Ora, nello spazio interno 38 si crea un vortice con direzione opposta a quella del precedente la cui formazione viene anche favorita dalla parete di forma conica 23 per la sua profondità nello spazio interno 38. Al di sotto del foro 24 si incontrano allora il vortice che viene dall'alto, il quale ruota verso destra con il vortice che ruota verso sinistra dello spazio interno 38. Lungo la distanza 39 l'impulso di rotazione diventa gradualmente zero sicché, almeno nel foro 34, si ha una corrente prevalentemente assiale lungo l'asse geometrico longitudinale 11 con una sezione che viene determinata dalla geometria del foro 34. Se il foro 34 é circolare allora la polvere viene soffiata in forma cilindrica, se é eliuico allora la polvere esce in forma di una colonna elittica. Se il foro 34 è quadro vale il caso analogo.

In questo caso è opportuno concentrare il getto 13 in modo che esso stesso abbia forma quadra.

Sul tratto della distanza 39 e anche al di sotto del foro 34 il raggio 13 colpisce la polvere e la riscalda a seconda del suo comportamento di assorbimento. Si può anche fare in modo che i granuli di polvere fondano e si uniscano del lutto od in parte lungo il tratto 39.

Qualora essi dovessero fondere e coagularsi formando dei grumi, il loro rapporto pcso/supcrficie diventa maggiore sicché essi vengono deviati meno facilmente dal gas di trasporto divergente dal loro tragitto assiale c quindi vanno ad incontrare il pezzo 17 più vicini all'asse geometrico longitudinale 11.

sua zona inferiore, sicché essa penetra parzialmente nel generatore di impulsi di rotazione 27. Il collegamento tra l'anello di copertura 29 ed il generatore di impulsi di rotazione 18 e a tenuta di gas.

L'anello di copertura 29 a tenuta di gas diventa in basso una parete coassiale cilindrica 32. Questa continua verso il basso in forma di una parete cilindrico conica 33 che ha in basso un foro coassiale cilindrico 34 il quale ha una grandezza tale da non sfiorare il raggio 13. Il foro 24 è coassiale all’asse geometrico longitudinale 11. Con un orifizio 36 esce nella parete cilindrica circo!are32 un tubo 37 e quindi nello spazio interno 38 del generatore di impulsi di rotazione 27. Il tubo 37 con l'orifizio 36 é collocalo in modo, che un gas insufflato generi un impulso di rotazione in senso opposto rispetto al tubo 22.

Il tubo 37 è come il tubo 22 collegato con una sorgente di gas inerte, per esempio una sorgente di gas nobile, la quale é sotto pressione. Inoltre il tubo 37 é, per lo meno indirettamente, collegato con un serbatoio della polvere il quale contiene il matcrale necessario per eseguire lo strato.

Tra i fori 24 e 34 c'é una notevole distanza 39. La distanza tra al foro 34 e l'orifizio 26 é di più centimetri, per esempio da quattro a sette centimetri .

In esercizio si inserisce il laser in modo che sia presente il raggio 13. Attraverso il tubo 22 si insuffla il gas inerte. Verso il basso esce allora dal foro 24 un vortice. Dal tubo 37 viene soffialo un gas Nel punto focale 14 la polvere raggiunge la temperatura necessaria perché si formi lo strato il quale influenza la superficie 16. Tramite

questa influenza può avvenire che lo strato copra la superficie 16 c/o formi un "muro" e/o produca una lega superficiale con il materiale del pezzo 17, nel caso che il materiale sia a ciò adatto.

Nell'esempio d'esecuzione secondo figura 2 manca il generatore di impulsi di rotazione superiore 18. Al suo posto sono qui previste davanti al foro 34 delle costole di guida 41 le cui supcrfici laterali 42 frenano il vortice davanti al foro 34 e parallelizzano la corrente del gas rispetto all'asse geometrico longitudinale 11. Anche così si

evita che, dopo il foro 34, sia presente un rilevante impulso di rotazione il quale proietterebbe all'esterno la polvere. Naturalmente dei residui dell'impulso di rotazione non possono arrecare alcun danno. Oltre all'orifizio 36 ed al tubo 37, nel secondo esempio di esecuzione, é previsto un secondo tubo 43 con l'orifizio 44. Qui il gas inerte insufflalo attraverso i tubi 37 e 43 assieme alla forma dello spazio interno 38 genera il vortice.

Si può anche insufflare attraverso il tubo 37, ad esempio, un tipo di polvere ed attraverso il tubo 43 un altro tipo. Oltre a ciò la concentrazione di questi componenti può variare con il tempo con diversi rapporti di miscela tra le polveri.

In determinati punti della superficie 16 può essere utile riportare in prevalenza un componente ed in un altro punto un altro componente. Un controllo é quindi semplice. Si possono prevedere anche più di due bocche di insufflazione.

La parete di forma conica circolare 23 ha in basso un foro coassiale di forma circolare 24. L'orifizio 26 e la direzione tangenziale del tubo 22 sono tali che nello spazio 19 si può formare un vortice di gas il quale ruota, per esempio, in senso orario. L’impulso di rotazione è notoriamente costante attraverso la sezione. Poiché il raggio diventa sempre più piccolo quanto più vicino perviene il gas all’asse geometrico longitudinale 11, la sua velocità di rotazione deve essere notevolmente maggiore che non all'orifizio 26 sicché, quanto più ci si avvicina al foro 24 tanto più aumenta la velocità di rotazione.

A causa del'attrito, sull'asse geometrico longitudinale 11 essa evidentemente non è infinita. Uno dei compiti del generatore di impulsi di rotazione 18 è quello di tenere lontane le particelle che sprizzano verso l'alto dalla superficie 16 dal sistema ottico 12. Queste particelle vengono, in base alla domanda di brevetto in precedenza accennata, tramite il vortice, proiettate all'esterno contro la parete a forma conica 23 od al più tardi contro la parete cilindrica 21, quindi non possono depositarsi infiammate nel sistema ottico 12 c produrre danni.

A valle del generatore di impulsi di rotazione 18 è inserito un ulteriore generatore di impulsi di rotazione attivo 27. Questo genera un impulso di rotazione nel senso opposto rispetto al generatore di impulsi di rotazione 18, ossia in senso antiorario. Esso ha un anello di copertura 29 perpendicolare rispetto all'asse geometrico longitudinale 11 nel cui foro interno 31 si trova la parete 23 con la La figura 3 mostra un secondo freno passivo dell'impulso 44. Al di sopra del foro 34 sono qui ricavate delle scanalature coassiali 46 le quali sono dirette in senso opposto alla direzione ed al movimento del vortice sicché nel foro 34 l'impulso di rotazione é ancora zero o vicino a zero.

La rappresentazione in figura 3 è schematizzata.

La figura 4 mostra un "muro" che si può creare sulla superficie 16. Si riconoscono anche i singoli granuli di polvere 47 come vengono visti al microscopio. Il "muro" è largo circa 0,5 mm e alto 3,5 mm. Se la polvere forma il "muro" oppure se si fonde sulla superficie 16, ciò dipende da parametri di esercizio facilmente regolabili.

Portate del gas inerte tipiche vanno da 0,05 fino a 1 m<3 >/h. La tipica quantità di polvere é di 10 grammi di polvere/min. Se si può scegliere, sono più adatte granulometrie più grosse che non più sottili perché il rapporto peso/superficie é maggiore c quindi è maggiore il rendimento della polvere.

Claims

e con un dispositivo di alimentazione tramite il quale, con l’ausilio di un gas di trasporto, nell’area del punto focale può venir addotta della polvere, caratterizzato dalle seguenti caratteristiche: A) intorno all’asse geometrico longitudinale e davanti al punto focale è disposta una testa la quale e permeabile per il raggio laser in direzione dell’asse geometrico longitudinale e che ha un’area di ingresso ed un'area di uscita per il raggio laser; B) la testa ha uno spazio interno centrale disposto intorno all'asse geometrico longitudinale; C) lo spazio interno ha, nell'arca di uscita, un foro coassiale il quale é un pò più ampio del diametro del raggio laser; D) nell’area di ingresso dello spazio interno è previsto almeno un ugello il quale lancia un gas di trasporlo con polvere nello spazio interno .
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che lo spazio interno ha pareti inclinate verso il foro coassiale.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che le pareti , per lo meno nelle zone essenziali, formano un cono circolare coassiale il cui angolo é maggiore dell’angolo di inclinazione della polvere.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli ugelli di accesso sono previsti in un numero che corrisponde ai tipi di componente della polvere.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'ugello di accesso é disposto rispetto allo spazio interno con una componente almeno prevalentemente tangenziale.
6. Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 e 5, caratterizzato dal fatto che nella cavità 6 previsto un freno dell’impulso di rotazione per il vortice creato dal gas di trasporto e dall'ugello.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il freno dell'impulso di rotazione ha una regolazione tramite la quale l'impulso di rotazione nell'arca del foro coassiale c circa zero.
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzalo dal fatto che l'impulso di rotazione è zero.
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il freno dell'impulso di rotazione comprende delle superfici di guida del gas almeno nell'arca davanti al foro coassiale.
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che le superfici di guida sono i fianchi di scanalature.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che le superfici di guida sono i fianchi di costole di guida.
12. Dispositivo secondo le rivendicazioni 10 o 11 , caratterizzato dal fatto che i fianchi hanno andamento parallelo rispetto all'asse geometrico longitudinale.
13. Dispositivo secondo le rivendicazioni 10 o 1 1 , caratterizzato dal fatto che i fianchi sono disposti a spirale nel senso contrario o nello stesso senso al senso di rotazione del vortice generato dall'impulso di rotazione.
14. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato che il freno dell 'impulso di rotazione é un generatore di impulso di rotazione posto a monte il cui impulso di rotazione c diretto in senso opposto all’impulso di rotazione del dispositivo.
15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che il generatore di impulsi di rotazione inserito a monte é quello secondo la domanda di brevetto tedesca P39 18 363.7.
16. Procedimento con impiego di un dispositivo secondo una o più precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che vengono addotte e mescolate polveri di material diversi.
17. Procedimento secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che i materiali sono metalli diversi.
18. Procedimento secondo la rivendicazione 17, caratterizzalo dal fatto che i materiali sono ossidi metallici diversi.
19. Procedimento secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che i materiali sono materia plastica e ceramica.
20. Procedimento secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che i materiali sono metallo e ceramica.
21. Procedimento secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che i materiali sono materia plastica e metallo.
22. Procedimento secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che, per quanto concerne la quantità, un materiale prevale rispetto all’altro.
23. Procedimento secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che un materiale prevale ampiamente sugli altri.
24. Procedimento secondo la rivendicazione 23, caratterizzalo dal fallo che vengono apportati due e più materiali.
25. Procedimento secondo la rivendicazione 24, caratterizzato dal fatto vengono mescolati polvere di metallo duro c polvere di ceramica. RIVENDICAZIONI: 1. Dispositivo per formare strati su superfici di materiali con l'ausilio dell'energia di un laser di potenza (esecuzione di strali al plasma con raggio laser), con un asse geometrico longitudinale nel quale passa un raggio laser con un punto focale attraversato dall'asse geometrico longitudinale e nella cui arca può venir disposto un materiale da lavorare