ITUB20156894A1 - Dispositivo a diodo laser per additive manufacturing - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO A DIODO LASER PER ADDITI VE MANUFACTURING”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo a diodo laser per additive manufacturing. Più specificamente, la presente invenzione riguarda un dispositivo in accordo con il preambolo della rivendicazione 1, come anche un sistema per Γ esecuzione di un processo di additive manufacturing.

Il termine additive manufacturing si riferisce ad un processo con il quale dati di progetto tridimensionali vengono usati per costruire un componente deponendo progressivamente vari strati di materiale. L ' additive manufacturing è una tecnica di produzione professionale chiaramente distinta da metodi convenzionali di rimozione di materiale: invece di produrre un semilavorato partendo da un blocco solido si costruiscono componenti strato-per-strato partendo da materiali che sono disponibili in forma di polvere sottile. E’ possibile utilizzare molte diverse tipologie di materiali, in particolare metalli, plastiche o componenti compositi.

Il processo inizia deponendo uno strato sottile di materiale in polvere in una piattaforma (letto) di costruzione. Viene quindi utilizzato un fascio laser che fonde la polvere esattamente in punti predefiniti in base di progetto del componente. La piattaforma viene poi abbassata e viene applicato un successivo strato di polvere, e il materiale viene nuovamente fuso in modo da legarsi allo strato sottostante nei punti predefiniti.

La penetrazione del fascio laser e Γ assorbimento da parte del letto di polvere sono definiti dalla interazione tra il fascio laser stesso e il letto di polvere, in particolare dalle proprietà termiche e dalla temperatura del letto di polvere.

Le proprietà termiche del materiale includono densità, conducibilità termica, capacità di riscaldamento ed entalpica. La conducibilità termica non è un valore costante e varia al variare della temperatura. In particolare, in una tecnica di additive manifacturing chiamata selective laser sintering/melting, la conducibilità termica influenza ampiamente il processo.

L’effettiva conducibilità termica della polvere è funzione della conducibilità termica della parte solida e della parte gassosa che si forma durante il processo. E’ stato dimostrato che l’effettiva conducibilità tennica di una polvere è essenzialmente indipendente dal materiale ma dipende dalla dimensione e dalla morfologia delle particelle, dalla frazione di vuoto che si crea tra il letto di polvere e il raggio laser come anche dalla conducibilità termica delfambiente gassoso. E’ pertanto molto importante riuscire a controllare fintervallo di temperature vicino al punto di fusione.

In aggiunta a quanto sopra, occorre ricordare che la qualità delle parti sinterizzate dipende fortemente dalla scelta dei parametri di processo come potenza del laser, velocità di scansione del laser sul letto di polvere, forma del fascio laser e materiale utilizzato.

Una temperatura omogenea del letto di polvere può consentire una lavorazione migliore in termini di struttura, superficie e proprietà meccaniche del prodotto finale. E’ quindi molto importante controllare la dimensione e la temperatura della pozza fusa, e il parametro più importante per controllare la temperatura che è funzione della potenza del laser. Infatti, la potenza del laser e la temperatura sono strettamente legati, e poiché la temperatura può variare molto rapidamente, è importante, per la qualità del processo, controllarla molto spesso, ad esempio ogni lOOps.

Per il controllo di queste caratteristiche della pozza fusa possono essere utilizzati differenti sensori, come ad esempio sensori CMOS e ToF (Time Of Flight) per il controllo della dimensione della pozza fusa ed un pirometro o fotodiodo per il controllo della temperatura del bagno fuso. In particolare, è necessario monitorare il bagno fuso (in temperatura e forma) in tempo reale e in maniera continua.

La Figura 1 mostra un grafico delle proprietà di un pezzo sinterizzato in funzione della velocità di scansione del fascio laser e della sua potenza.

E’ possibile identificare cinque zone operative di funzionamento: in una prima zona 2 si ottengono oggetti continui ma con rugosità elevata e con un basso aspect ratio (vedere Figura 2a); in una seconda zona 4 si ottiene un semilavorato fuso a tratti e comprendente molteplici palline attaccate una all’ altra (vedere Figura 2b); in una terza zona 6 si ottiene una non perfetta fusione della polvere (vedere Figura 2c), in una quarta zona 8 non si verificano cambiamenti nel materiale di partenza mentre in una quinta zona 10 si ottiene un pezzo continuo, arrotondato con buona qualità superficiale e con un buon aspect ratio (vedere Figura 2d).

Le differenti proprietà termiche del materiale sono quindi create dalla diversa temperatura che scaturisce dal movimento del raggio laser per la sinterizzazione.

La temperatura del bagno fuso è legata alla potenza del laser e da essa dipendono le proprietà del semilavorato ottenuto a pari velocità.

Nei sistemi di additive manufacturing noti la catena ottica comprende un laser ed in serie ad esso un dispositivo di scansione atto a dirigere il raggio laser verso il letto di polvere. Tali sistemi non consentono quindi di ottenere una rapida risposta alle variazioni di temperatura a causa delle dimensioni complessive dei dispositivi coinvolti e dalla lenta comunicazione tra loro.

Inoltre, nei sistemi noti, vi è una stretta relazione tra i macchinari industriali, set di parametri di processo e materiali in polvere utilizzati, percui i produttori garantiscono prestazioni predetenninate nei loro processi solo in combinazione con l’utilizzo di materiali e polveri predefiniti.

Da un lato, i costruttori di macchinari assemblano laser e macchine a controllo numerico e non vengono utilizzati sensori di controllo per monitorare il processo.

Dall’altro lato, i costruttori di materiali in polvere non si occupano degli aspetti di controllo del processo e delle caratteristiche del raggio laser.

Questo porta a processi di additi ve manufacturing che non sono automatizzati, in cui l’esperienza dell’operatore gioca ancora un ruolo determinante nel successo della lavorazione e in cui non vi è un controllo in tempo reale del processo stesso.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di proporre un dispositivo a diodo laser per additi ve manufacturing che consenta di controllare accuratamente la temperatura della pozza fusa nel letto di polvere durante la lavorazione e rispondere velocemente alle sue variazioni, e che permetta di eseguire una precisa lavorazione del materiale da sinterizzare controllando in tempo reale il processo in modo da ottenere automaticamente componenti privi di difetti di lavorazione.

Forme di realizzazione della presente invenzione riguardano un dispositivo a diodo laser per additive manufacturing che supera gli svantaggi della tecnica nota.

In una forma di realizzazione il dispositivo a diodo laser per additi ve manufacturing comprende un’unità elettronica di controllo predisposta per ricevere un segnale di ingresso rappresentativo di un target di lavorazione di un lavorato da realizzare e per inviare un primo segnale di controllo verso una sorgente di luce per controllarne la potenza. La sorgente di luce emette un raggio laser verso uno scanner laser predisposto per focalizzare detto raggio laser verso un letto di polvere dal quale si ricava il lavorato.

In un’altra forma di realizzazione il dispositivo comprende inoltre un sensore di dimensione e un sensore di temperatura che misurano rispettivamente la forma e la temperatura di un pozza fusa creata dal raggio laser nel letto di polvere ed inviano in tempo reale rispettivi segnali di misura all’unità di controllo. L’unità di controllo modifica il primo segnale di controllo in funzione dei segnali di misura in modo da richiedere alla sorgente una nuova potenza che consenta di ottenere il target di lavorazione desiderato. In un’altra forma di realizzazione, i sensori sono atti a ricevere un raggio riflesso proveniente dalla pozza fusa e avente una lunghezza d’onda differente rispetto alla lunghezza d’onda del raggio laser.

In un’altra forma di realizzazione, lo scanner laser muove il raggio laser sul letto di polvere sulla base di parametri di posizione e velocità di scansione funzione del segnale di ingresso e i parametri sono ricevuti dallo scanner tramite un secondo segnale di controllo proveniente dall’unità di controllo.

In un’altra fonna di realizzazione, il dispositivo comprende inoltre lenti atte a modificare caratteristiche qualitative del raggio laser.

In un’altra forma di realizzazione, il dispositivo comprende inoltre due specchi dicroici atti a consentire al raggio laser di essere riflesso verso lo scanner e al raggio riflesso di essere trasferito verso i sensori.

In un’altra forma di realizzazione, i sensori si trovano in prossimità sia della sorgente sia dello scanner laser.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la Figura 1, già descritta, mostra un grafico delle proprietà di un pezzo sinterizzato in funzione della velocità di scansione del fascio laser e della sua potenza;

la Figura 2, già descritta, mostra diversi pezzi semilavorati come ottenuti in funzione di diverse combinazioni di velocità di scansione e potenza del fascio laser della Figura 1; e

la Figura 3 mostra uno schema di un dispositivo basato su diodo laser per additive manufacturing secondo la presente invenzione.

In sintesi, Γ invenzione riguarda un dispositivo a diodo laser per additive manufacturing che sia in grado di controllare la forma del fascio laser e la potenza del laser in funzione della temperatura della pozza fusa del letto di polvere durante la lavorazione, la quale viene misurata ad intervalli predeterminati per mantenerla ad una temperatura costante, preferibilmente pari a lOOps.

La Figura 3 mostra uno schema di un dispositivo a diodo laser per addi ti ve manufacturing 50 secondo la presente invenzione.

Tale dispositivo comprende un’unità elettronica di controllo 52 comprendente in modo per sé noto mezzi di memoria 54, la quale è predisposta per ricevere un segnale di ingresso 55a e per inviare un primo segnale di controllo 55b ad una sorgente di luce 56, preferibilmente un diodo laser ad alta potenza.

Il segnale di ingresso 55a è un segnale di controllo numerico rappresentativo di un target di lavorazione desiderato (potenza del laser, velocità di scansione, geometria del lavorato da realizzare, e percorso di lavorazione etc.), e proviene dal controllo numerico della macchine in cui viene posto il dispositivo in figura.

11 primo segnale di controllo 55b è un segnale atto a controllare la potenza della sorgente di luce 56 sulla base di un valore di potenza desiderata contenuta nel segnale di ingresso 55a. La sorgente di luce 56 è predisposta per emettere un raggio laser 56a, il quale attraversa delle lenti 57, che ne aggiustano la qualità, e viene poi riflesso attraverso due specchi dicroici 58 ed infine inviato ad uno scanner laser 60 predisposto per focalizzare detto raggio laser 56a verso un letto di polvere sottostante, non illustrato in figura.

Lo scanner laser 60 muove il raggio laser 56a sul letto di polvere sulla base di parametri di posizione e velocità di scansione (funzione del target di lavorazione desiderato come espresso dal segnale di ingresso 55 a) ricevuti daH’unità di controllo 52 tramite un secondo segnale di controllo 55 c e determinati in modo noto ad un tecnico del settore sulla base del segnale di ingresso 55a.

Il dispositivo a diodo laser 50 comprende inoltre un sensore di dimensione 62, preferibilmente un sensore di tipo CMOS o ToF, per il controllo della dimensione della pozza fusa creata dal raggio laser 56a nel letto di polvere durante il processo, ed un pirometro o fotodiodo 64 per il controllo in tempo reale della temperatura di detto letto di polvere. Il sensore 62 e il pirometro 64 sono predisposti per misurare rispettivamente la forma e la temperatura della pozza fusa ad intervalli di tempo predeterminati, ad esempio ogni 100ps, e per inviare rispettivi segnali di misura 62a e 64a all’unità di controllo 52 in tempo reale, la quale a sua volta modificherà il primo segnale di controllo 55b in modo da avere un raggio laser 56a modificato.

I sensori 62 e 64 ricevono in ingresso un raggio riflesso 56b proveniente dalla pozza fusa e che torna indietro tramite lo scanner 60 dopo il processo di lavorazione e che ha una lunghezza d'onda differente (per esempio 200-600 nm) rispetto alla lunghezza d’onda del raggio laser 56a di partenza (per esempio 1096 nm). L’uso degli specchi dicroici 58 permette che il raggio laser 56a (per esempio 1096 nm) sia completamente riflesso verso lo scanner 60 e che, invece, il raggio riflesso 56b che torna indietro dalla pozza fusa (per esempio 300-600 nm) sia completamente trasferito e analizzato dai sensori 62 e 64, Gli specchi dicroici 58 sono trasparenti per la radiazione che torna indietro dopo il processo e riflettono completamente quella del laser 56 utile alla lavorazione.

In particolare, l’unità di controllo 52 è predisposta per analizzare i segnali di misura 62a e 64a e per richiedere alla sorgente 56 una nuova potenza in modo da ottenere la temperatura desiderata per il letto di polvere in tempo reale. La temperatura desiderata è funzione del target di lavorazione desiderato.

II dispositivo 50 della presente invenzione consente di eseguire un controllo in retroazione di temperatura e dimensioni in tempo reale della pozza fusa nel letto di polvere durante la lavorazione del letto di polvere, poiché i sensori 62 e 64 si trovano in prossimità sia del laser 52 sia dello scanner laser 60.

La soluzione della presente invenzione è compatta e di costo contenuto, consente un uso flessibile e permette di eseguire un controllo di anello (reai rime closed loop).

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo a diodo laser per additive manufacturing (50) comprendente: - un’unità elettronica di controllo (52) predisposta per ricevere un segnale di ingresso (55a) rappresentativo di un target di lavorazione di un lavorato da realizzare e per inviare un primo segnale di controllo (55b) verso una sorgente di luce (56) per controllarne la potenza, detta sorgente di luce (56) emettendo un raggio laser (56a) verso uno scanner laser (60) predisposto per focalizzare detto raggio laser (56a) verso un letto di polvere dal quale si ricava il lavorato.
2. 2. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un sensore di dimensione (62) e un sensore di temperatura (64), detti sensore di dimensione (62) e sensore di temperatura (64) misurando rispettivamente la forma e la temperatura di un pozza fusa creata dal raggio laser (56a) nel letto di polvere ed inviando in tempo reale rispettivi segnali di misura (62a; 64a) all’unità di controllo (52), l’unità di controllo (52) modificando il primo segnale di controllo (55b) in funzione di detti segnali di misura (62a; 64a) in modo da richiedere alla sorgente (56) una nuova potenza che consenta di ottenere il target di lavorazione desiderato.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detti sensori (62, 64) sono atti a ricevere un raggio riflesso (56b) proveniente dalla pozza fusa e avente una lunghezza d’onda differente rispetto alla lunghezza d’onda del raggio laser (56a).
4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo scanner laser (60) muove il raggio laser (56a) sul letto di polvere sulla base di parametri di posizione e velocità di scansione funzione di detto segnale di ingresso (55a), detti parametri essendo ricevuti dallo scanner (60) tramite un secondo segnale di controllo (55c) proveniente dall’unità di controllo (52).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre lenti (57) atte a modificare caratteristiche qualitative del raggio laser (56a), 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, comprendente inoltre due specchi dicroici (58) atti a consentire al raggio laser (56a) di essere riflesso verso lo scanner (60) e al raggio riflesso (56b) di essere trasferito verso i sensori (62;64). 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 8, in cui i sensori (62; 64) si trovano in prossimità sia della sorgente (52) sia dello scanner laser (60).