WO2013124500A1 - Procedimiento y dispositivo para microfabricación y micro-soldadura - Google Patents

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WO2013124500A1
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Alfonso Miguel GAÑÁN CALVO
Miguel Ángel HERRADA GUTIÉRREZ
José María MONTANERO FERNÁNDEZ
María Guadalupe CABEZAS MARTÍN
Emilio José VEGA RODRÍGUEZ
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Universidad De Sevilla
Universidad De Extremadura
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Definitions

  • the object of the present invention is a method and device for the microfabrication of parts, elements, subsystems and complete systems from the liquid phase manufacturing materials, characterized in that said liquid phase manufacturing materials are ejected from a first nozzle that it has a discharge orifice of size between 0.1 micrometers and 5 millimeters, at an average output speed through said discharge orifice between 0.05 and 150 meters per second, preferably between 0.2 and 50 meters per second, and a coaxial gas stream it is concentrically discharged around the jet since it exits through said discharge orifice through another second nozzle concentrically arranged with the first, said stream being a gas from the group of noble gases, oxygen, nitrogen, carbon monoxide, from the group of hydrofluorocarbons, or other inert gases, and said current being discharged at a fast d average in the discharge section between 20 and 1000 meters per second, preferably between 100 and 400 meters per second, so that the product of the density of the liquid material in the jet multiplied by the square of its velocity and the diameter of
  • the object of this invention is also a method and device for the microfabrication of parts, elements, subsystems and complete systems from the liquid phase manufacturing materials as described above, characterized in that the liquid phase materials constituting the jet they are metallic materials with dynamic viscosities between 0.0001 and 0.1 Passes per second, preferably between 0.0005 and 0.01 Passes per second, and densities between 1000 and 50000 kilograms per cubic meter, preferably between 2000 and 25000 kilograms per cubic meter.
  • Another object of this invention is a method and device for the microfabrication of parts, elements, subsystems and complete systems from the liquid phase manufacturing materials as described above, characterized in that the liquid phase materials constituting the jet They are ceramic materials with dynamic viscosities between 0.0001 and 1 Passes per second, preferably between 0.0005 and 0.1 Passes per second, and densities between 500 and 50,000 kilograms per cubic meter, preferably between 1,000 and 20,000 kilograms per cubic meter.
  • a further object of this invention is a method and device for the microfabrication of parts, elements, subsystems and complete systems from the liquid phase manufacturing materials as described above, characterized in that the liquid jet breaks in drops of diameter between 1 and 3 times, preferably between 1.5 and 2.5 times the diameter of the jet by surface tension forces, or capillary forces.
  • a method and device for the microfabrication of parts, elements, subsystems and complete systems from the liquid phase manufacturing materials as described above is also object of this invention, characterized in that the liquid jet is ejected at constant speed and the drops form a continuous stream or continuous train.
  • a method and device for the microfabrication of parts, elements, subsystems and complete systems from the liquid phase manufacturing materials as described above is characterized, characterized in that the first and second nozzles are jointly positioned in front of the point where you want to deposit the material.
  • a procedure and device for the microfabrication of parts, elements, subsystems and complete systems from the liquid phase manufacturing materials according to everything said characterized in that the first and second nozzles are jointly positioned opposite to the point where you want to deposit the material, at a distance from it that allows the jet to break in the form of drops.
  • the object of the present invention is a method and device for the microfabrication of complete parts, elements, subsystems and systems from the liquid phase manufacturing materials as described above, characterized in that the deposited drops solidify in contact with the substrate on which they are deposited, so that the accumulation of material by successive deposition and ordered in layers forms the geometry of the piece to be manufactured.
  • a method and device for the microfabrication of parts, elements, subsystems and complete systems from the liquid phase manufacturing materials according to everything described above is also object of this invention, characterized in that in addition to depositing the material from which it is desired to manufacture the piece as described, another material can also be deposited that acts as support following the same procedure described by claims 1 to 8 and that in a later step is removed, once the deposition process is completed and the material constituting the piece has solidified.
  • AM Additive Manufacturing also known as layered manufacturing processes, are capable of producing an object from its three-dimensional CAD model, manufacturing it layer by layer and joining each layer to the previous one.
  • AM processes were used to make prototypes using a very limited variety of polymeric materials [1]. Currently, they allow manufacturing functional objects in different materials. The application of these processes to the manufacture of metal components is very interesting, especially in sectors where objects have complex shapes and the volume of production is low. However, the number of AM processes that allow metal objects to be manufactured is still small.
  • AM processes approach manufacturing preparation in a similar way, although they produce layers with different technologies.
  • To start manufacturing it is necessary to have a file with the three-dimensional geometry of the object, which is normally exported to the STL format, and that approximates the surface of the object through a mesh of triangles.
  • the specific program of the machine analyzes the geometry and decomposes it in parallel and very thin layers, and calculates the trajectories of the moving elements of the machine and the process parameters to produce that section. This information is transferred to the machine, which begins to manufacture the object, layer by layer, joining each manufactured layer to the previous one. Finally the manufactured object is removed from the machine and, if necessary, finishing operations are performed.
  • AM processes with unique capabilities: (i) they allow to produce objects of complex shapes without practically imposing limitations on geometry, (ii) they allow to directly produce functional products formed by several pieces, and (iii) they allow to produce objects of composite materials, with a specific composition at a point or a layer thereof.
  • the manufacturing is direct and very flexible, it does not require the use of complex tools, and highly automated (manufacturing takes place in the machine with virtually no need for operation supervision) [2].
  • the technologies used in the manufacture of the layers can be classified into four groups according to the shape of the starting material: (i) a bath of photocurable resins, (ii) a bed of discrete particles, (iii) sheets of solid material, or (iv) molten material [3].
  • the technologies are Framing mainly in the second and fourth group.
  • the technology presented in this invention corresponds to the last group, that is, to the technologies that work with molten material.
  • the additive processes that deposit molten material have to address two problems: first, the starting material must pass into a liquid state, and secondly, the liquid phase must be deposited properly to manufacture the object layer by layer. It is common for these processes to use an auxiliary material to create supporting structures for part of the deposited layer, which would otherwise be cantilevered. This support material can be deposited by different processes and is removed from the manufactured part.
  • FDM Field Deposition Modeling by Stratasys
  • FDM Fused Deposition Modeling by Stratasys
  • FDM Fused Deposition Modeling by Stratasys
  • the most widespread material deposition technology is probably based on ink-jet technology printheads. These techniques start from a deposit of the liquid material, usually a polymer, and produce in a controlled way small drops that are deposited to form the layer.
  • the systems that work in jetting mode achieve a continuous production of drops by breaking a capillary jet, applying principles of "ink printing" [4] - [7].
  • a constant pressure is applied on the free surface of the metal in the reservoir so that molten metal flows through the nozzle orifice forming a jet.
  • a vibration is transmitted in the molten metal that is transmitted to the jet causing it to break into small equal drops.
  • the drops formed are separated by a distance equal to the wavelength generated by the vibration.
  • an electrode is placed at the outlet of the nozzle. In this way, the drops are electrically charged. This load also allows the control of the trajectory of the drops, and therefore the control of the deposition.
  • Drop production systems "on demand” [8], [9] do not have this limitation. Like the previous ones, these systems have a molten metal furnace tank with a nozzle with a hole in the bottom. In this case, the diameter of the hole is small enough for the surface tension to prevent the formation of a jet through it.
  • a pressure pulse is applied to the free surface of the metal in the tank. The overpressure pushes the material through the hole forming a drop (drip mode).
  • drops of 1 mm [8] and 0.18 mm [9] have been achieved, using a 0.3 mm graphite nozzle, and a 0.18 mm artificial sapphire, respectively.
  • Additive processes for manufacturing metal objects have also used typical welding technologies to produce drops of molten alloy. These technologies are also frequent in other applications such as the realization of coatings or recharges [10] - [12].
  • an energy source By means of an energy source, the substrate or the previous layer is heated in a localized manner, producing a molten bath that travels with the energy source in a controlled manner.
  • the contribution metal is introduced molten into that bath so that, when heating ceases, it solidifies and is welded to the previous layer.
  • the metal of contribution can be used in the form of particles, which are carried by a gas stream directed towards the heat source, or in the form of wire, which advances towards the heat source producing the fusion of the end [13] - [ fifteen].
  • Direct Laser Metal Deposition also known by trade names: Laser Engineered Net Shaping, LENS, or Direct Light Fabrication, DLF.
  • This technique uses a high energy laser beam to produce a molten bath in the substrate.
  • the material is generally provided in powder form by the flow of an inert gas, which also acts as a protective atmosphere.
  • Direct Laser Metal Deposition has been successfully applied to the manufacture of metal components, producing parts of full density and mechanical characteristics equal to or greater than those of conventional techniques [17], [18], although with a surface roughness ( average) of 10 ⁇ , which may make necessary finishing operations for certain applications [18].
  • Another similar process, which also uses a high concentration of energy is the direct deposition of metal with electron beam [14], [19]. In this case, the metal is provided in the form of thread, and the drops formed at the end of the metal come off and fall into the molten metal bath.
  • the heat to produce the melting bath is provided by an electric arc that is established between a consumable electrode and the substrate, or the previous layer when applied to layer manufacturing.
  • the heat of the arc causes the formation of a molten bath in the substrate and the fusion of the electrode end, the material falling into the molten bath.
  • the wire advances thus compensating the fusion of its end.
  • An inert gas is used to protect molten metal from oxidation, and to facilitate arc stability.
  • TIG welding the heat to produce the melting bath is provided by an electric arc that is established between the substrate (or the previous layer of material) and a non-consumable tungsten electrode.
  • a protective atmosphere that flows around the electrode is used.
  • the metal used to make the object is provided in the form of a rod, introducing its end into the molten bath.
  • Different researchers have studied the most suitable process parameters for alloys of aluminum [24], nickel-chromium (Inconel 600) [15] and titanium [25] - [26].
  • the use of TIG welding provides the advantage, compared to MIG, that the control of heat input and material contribution is carried out independently [24].
  • the metal is introduced directly into the bath, so splashing does not occur and porosity is reduced.
  • Arc-plasma technology has also been applied to layered manufacturing because it has a higher energy density, temperature and arc stability. This allows a faster process speed and a lower thermally affected area. In addition, it enables the work with metals of higher melting temperature.
  • the systems that use plasma welding equipment like those that make use of TIG equipment, provide the rod-shaped metal [27], [28].
  • Plasma coating equipment has also been applied [29], [30] in which the metal is supplied in the form of dust carried by the gas through the nozzle.
  • Arc welding systems have also been used working in non-transferred arc mode in the process called microcolada ⁇ microcasting) [32] - [33].
  • the heat of the arc is used for the fusion of the end of a metal wire of contribution, obtaining drops of between 1 and 10 mm in diameter. As the arc is not established with the piece, the contribution of heat to it is significantly reduced.
  • the geometric characteristics and physical properties of objects manufactured by direct metal deposition depend on the complex phenomenon that occurs when the molten alloy drop hits the substrate (or the previous layer). For a metallurgical bonding of the material of the drop with the substrate to occur, it is necessary that the drop provide sufficient heat to produce a localized fusion of the latter.
  • the phenomenon includes the impact and expansion (splashed) of the drop, the cooling of the drop, the heat transmission to the substrate and its fusion, and the solidification of the drop and the substrate. Numerous authors have studied this phenomenon both theoretically and experimentally. More and more complex models have been used thanks to the calculation possibilities of computer equipment [34] - [37].
  • the parameters considered include the volume and temperature of the drop, the speed of impact on the substrate, and the temperature of the substrate, all of them related to each other in a complex way.
  • the volume of the drop affects the amount of heat provided, and the accuracy of the process.
  • the temperatures of the drop and the substrate affect the wetting phenomenon, and therefore the aspect ratio (height-diameter) of the deposited drop, and the melting of the substrate.
  • the impact speed is related to the production of splashes, and the aspect ratio of the tank.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • MICA freeform process from Microfabrica, www.microfabrica.com
  • UV lithography in which a thin layer of photosensitive polymer is deposited, and a mask is produced with the suitable geometry so that ultraviolet radiation only produces the cure of the resin corresponding to a mold for the section of the object
  • FIG. 1 Scheme of the SJ configuration.
  • a nozzle with an exit hole of radius R 1t is located at a distance H from a plate with a hole of diameter D concentric with that of the nozzle.
  • a flow Q of liquid flows through the nozzle which, when leaving, forms a jet stabilized by the action of an external gas stream.
  • the gas flows due to the application of a pressure difference ⁇ and surrounds the jet as it passes through the hole in the plate.
  • Figure 3 Images of the experimental assembly used for the observation of the jet: (A) nozzle, (C) suction cell, (D) orientation system, (F) high-speed CMOS camera, (G) optical lenses, ( H) triaxial translation platform, (I) fiber optic (lighting system), (J) optical table with anti-vibration isolation system, (K) auxiliary CCD camera, (L) optical lenses, (M) protective urn , (N) injection pump.
  • A nozzle
  • C suction cell
  • D orientation system
  • F high-speed CMOS camera
  • G optical lenses
  • H triaxial translation platform
  • I fiber optic (lighting system)
  • J optical table with anti-vibration isolation system
  • K auxiliary CCD camera
  • L optical lenses
  • M protective urn
  • N injection pump.
  • Figure 6 Experimental conditions in which a stable emission of a jet has been achieved, without (triangles) and with (circles) external current.
  • the dashed line corresponds to the prediction of Leib & Goldstein [40] for the transition of convective / absolute instability.
  • Figure 7. Experimental assembly used to observe the drops: (A) nozzle, (B) pressurized chamber outlet, (C) pressurized chamber, (D) metal collection vessel, (E) orientation, (F) ultra-high speed CMOS camera, (G) optical lenses, (H) triaxial translation platform, (I) optical fiber (lighting system), (J) optical table with anti-vibration isolation system .
  • the dashed line corresponds to the diameter of the drops that, according to Rayleigh's prediction, are formed by breaking a jet of 20 ⁇ .
  • This invention describes a new method and device for the controlled production of highly uniform drops of metal alloys or other high strength materials, high mechanical characteristics (eg High Young's modulus) and / or high melting point for use in deposition processes. of material, such as the additive processes of microfabrication of parts or systems, or the realization of microsoldaduras or recharges.
  • the device is fed with metal in a liquid state.
  • Metal melting can be done using common equipment.
  • the alloy can be melted inside a furnace or crucible heated by external electrical resistors or by induction.
  • the molten metal is fed to the droplet production device through a hole in the bottom of the oven.
  • Metal injection into the device and flow control would be achieved thanks to the action of a mechanical injection system (plunger) or, as usual, using a pressurized inert gas to push the material from inside the oven.
  • Another possibility to feed the device is to start from the solid alloy in the form of wire and melt it progressively. In that case, an automatic wire feeding system would be used to control the progress of the material, and an induction coil to produce the end fusion.
  • a device for the formation of drops of molten metal of uniform size is presented due to the rupture of a stabilized metal jet by means of a gaseous current flowing around it and in the same direction.
  • the device is made with a configuration we call surf-jetting (SJ), based on a stabilization phenomenon described in [38], which allows stable jets to be produced in a wider parametric region than other frequent configurations.
  • the SJ configuration ( Figure 1) is formed by a convergent nozzle that emits a stream of molten material (metal).
  • the nozzle has a hole of radius R and in front of it is a plate with a hole of diameter D concentric with that of the nozzle and separated from it a distance H.
  • the main difference of this configuration with respect to the classic jet systems a Through holes is the presence of an external gaseous stream that drags and surrounds the jet as it passes through the hole in the plate.
  • this configuration differs from the focused flow configuration (FF Flow Focusing) [39] in that the jet leaving the nozzle has approximately the same speed and diameter as downstream of the plate hole and to the point of breakage ( Figure 1), while in the FF configuration the jet is emitted from the end of a quasi-static capillary meniscus that forms at the end of the feed tube.
  • the solid nozzle in the SJ configuration performs the same physical role as the capillary meniscus in the FF configuration, with the advantage that the solid surface of the nozzle is insensitive to any disturbance.
  • the jet in SJ the jet is emitted at a speed that is controlled by two parameters, the flow rate Q of liquid material (metal) and the outlet diameter of the nozzle, while in FF the jet speed is only a function of the speed of the gas stream through the discharge hole of diameter D in the plate.
  • the gas stream plays a fundamental role in the stabilization of the jet [38]. In fact, it allows the existence of a continuous jet with speeds so low that it would be impossible to maintain it in the absence of the gas stream.
  • the drops produced by the rupture of the jet emitted with the SJ device are of uniform size and diameter of the order of the diameter of the jet, which is very similar to the diameter of the nozzle and can be chosen according to the most convenient value for each material and particular application
  • the present invention provides independent control of the velocities of the droplet and the gas stream, without producing appreciable variations in the droplet size.
  • the diameter of the drop is determined by that of the hole of the nozzle, which is freely chosen.
  • the importance of being able to independently control the size and speed of the drop, as well as the presence of the gas stream, are especially significant when optimizing its deposition process (known in the slang of the technological field as "splaf) and solidification in the substrate [37]
  • splaf solidification in the substrate
  • the splash can be eliminated by choosing a deposition rate such that the kinetic energy of the drop per unit of volume pvf / 2 is comparable to the capillary overpressure inside 4a / D d , where D d is the diameter of the drop.
  • the temperature and velocity of the gas stream are regulated in combination with the diameter of the drop so that its temperature allows rapid solidification after its impact with the substrate and partial melting of the area covered by the impact footprint.
  • FIG. 2 A diagram and images of the experimental setup are shown in Figures 2 and 3.
  • the nozzle is connected to a syringe (Hamilton) mounted on an injection pump (Harvard Apparatus PHD 4400 Hpsi programmable) (N), which allows to adjust the Q flow and provides a constant flow.
  • the plate covers the upper part of the cubic cell (C), in which a negative manometric pressure is applied using a suction pump ⁇ Busch SV 1005 D), which produces the pressure difference ⁇ responsible for the focusing gas flow.
  • the cell and the nozzle are each mounted on a high precision orientation system (goniometer) (D) and on a triaxial translation platform (E) that allow adjustment of their orientation and relative position between the two using micrometric screws.
  • the emission of the jet was observed using a high-speed CMOS camera (Photonfocus MV-D1024-160) (F) equipped with a series of optical lenses (G): a Mitutoyo zoom lens with 10 * magnification and a Optem lens set consisting of 2 * TV Tube plus 70XL zoom with magnification between 0.75 * and 5.25 *.
  • the camera is also mounted on a triaxial translation platform (H) that allows adjusting the frame and focus.
  • the images are obtained by lighting the backlit jet using cold white light provided by an optical fiber connected to a light source (I).
  • FIG 4 shows the jet emission modes observed as a function of the values of the pressure difference ⁇ and the flow rate Q
  • Figure 5 shows images of the jet emission in three instants of experiments in which the different modes.
  • Mode I corresponds to a stable emission of the jet, in which no disturbances of any kind are observed in the jet ( Figure 5.a).
  • Mode II periodic interruptions occur in the emission of the jet every few seconds ( Figure 5.b). After a brief interruption, the jet is formed again. The frequency of this phenomenon increases by reducing the flow rate (fixed the pressure difference).
  • Mode III there are obvious and permanent oscillations of the jet interphase, but there are no interruptions in the emission because the oscillations do not sufficiently strangle the interphase (Figure 5.c).
  • Mode IV corresponds to the classical regime drip (Figure 5.d).
  • FF focused flow technique
  • the device presented allows to overcome this stability threshold thanks to the combined effect of the convergent shape of the nozzle (which can be seen as a protection against the external environment that prevents the instability of the jet by recirculation of the liquid, an advantage that disappears with the existing meniscus in FF) and external current.
  • stable jets with Weber number values of up to 0.2 have been achieved in the experiments.
  • the role of the external current is essential and jets are produced with an inertia lower than that necessary to overcome the interfacial voltage.
  • the experimental setup used in the experiments is shown in Figure 7.
  • An orientation system (E) is used to vertically position the SJ device. The device is placed in an experimental setup similar to that described in the previous experiment.
  • an ultra-high-speed CMOS camera (Photron, FASTCAM SA5) (F) equipped with an optical lens assembly (G) is used: an OPTEM 10 * HR zoom lens and a 12 * NAVITAR zoom. Images of the drops produced (and traveling downstream) are taken in an area near the exit of the SJ device (i.e., to the exit hole).
  • the pressure difference ⁇ is adjusted first, and then the flow rate Q.

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Abstract

La presente invención describe procedimientos y dispositivos para la mircrofabricación de piezas, elementos y subsistemas a partir de sus materiales de fabricación procesados en fase líquida, así como micro-soldadura, mediante la formación y deposición controlada de microgotas. Como aspecto diferencial de la presenta invención, las gotas mencionadas del material a procesar en fase líquida son generadas por la rotura capilar de microchorros estabilizados mediante un co-flujo de gas a velocidad controlada. Este co-flujo de gas permite generar gotas de tamaño y velocidad altamente controlados que son completamente inviables en ausencia de dicho co-flujo.

Description

Título: Procedimiento y dispositivo para microfabricación y micro-soldadura Objeto de la invención
Es objeto de la presente invención un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida, caracterizados por que dichos materiales de fabricación en fase líquida son eyectados desde una primera boquilla que presenta un orificio de descarga de tamaño entre 0.1 micrómetros y 5 milímetros, a una velocidad de salida media a través de dicho orificio de descarga entre 0.05 y 150 metros por segundo, preferiblemente entre 0.2 y 50 metros por segundo, y una corriente coaxial de gas es descargada concéntricamente alrededor del chorro desde que sale por dicho orificio de descarga a través de otra segunda boquilla dispuesta concéntricamente con la primera, siendo dicha corriente de un gas del grupo de los gases nobles, oxígeno, nitrógeno, monóxido de carbono, del grupo de los hidrofluorocarbonos, u otros gases inertes, y siendo dicha corriente descargada a una velocidad media en la sección de descarga entre 20 y 1000 metros por segundo, preferiblemente entre 100 y 400 metros por segundo, de forma que el producto de la densidad del material líquido en el chorro multiplicado por el cuadrado de su velocidad y por el diámetro del chorro, dividido por dos y por la tensión superficial del líquido con el gas de la corriente coaxial resulte en un número (I/Ve) inferior a 20, preferiblemente inferior a 5, y de forma que la velocidad del gas alrededor del chorro de líquido sea superior a un valor entre 20 y 200 veces la velocidad media del líquido en el chorro dividida por la raíz cuadrada del número We, preferiblemente superior a un valor entre 50 y 100 veces la velocidad media del líquido en el chorro dividida por la raíz cuadrada del número We.
También es objeto de esta invención un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según se ha descrito anteriormente, caracterizados por que los materiales en fase líquida que constituyen el chorro son materiales metálicos con viscosidades dinámicas entre 0.0001 y 0.1 Paséales por segundo, preferiblemente entre 0.0005 y 0.01 Paséales por segundo, y densidades entre 1000 y 50000 kilogramos por metro cúbico, preferiblemente entre 2000 y 25000 kilogramos por metro cúbico.
Otro objeto de esta invención es un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según se ha descrito arriba, caracterizados por que los materiales en fase líquida que constituyen el chorro son materiales cerámicos con viscosidades dinámicas entre 0.0001 y 1 Paséales por segundo, preferiblemente entre 0.0005 y 0.1 Paséales por segundo, y densidades entre 500 y 50000 kilogramos por metro cúbico, preferiblemente entre 1000 y 20000 kilogramos por metro cúbico.
Otro objeto más de esta invención es un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según se ha ido describiendo anteriormente, caracterizados por que el chorro de líquido se rompe en gotas de diámetro entre 1 y 3 veces, preferiblemente entre 1.5 y 2.5 veces el diámetro del chorro por fuerzas de tensión superficial, o fuerzas capilares.
De la misma forma, también es objeto de esta invención un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según se describe arriba, caracterizados por que el chorro de líquido es eyectado a velocidad constante y las gotas forman una corriente continua o tren continuo.
Más aún, es objeto de la presente invención un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida como se describe anteriormente, caracterizados por que las boquillas primera y segunda son conjuntamente posicionadas frente al punto donde se desea depositar el material. Y también es objeto de esta invención un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según todo lo dicho, caracterizados por que las boquillas primera y segunda son conjuntamente posicionadas frente al punto donde se desea depositar el material, a una distancia de éste que permite la rotura del chorro en forma de gotas. Adicionalmente, es objeto de la presente invención un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según se ha ido describiendo arriba, caracterizados por que las gotas depositadas se solidifican en contacto con el sustrato sobre el que se depositan, de forma que la acumulación de material por deposición sucesiva y ordenada en capas conforma la geometría de la pieza que se desea fabricar.
Finalmente, también es objeto de esta invención un procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según todo lo descrito anteriormente, caracterizados por que además de depositar el material del que se desea fabricar la pieza como se ha descrito, se puede depositar también otro material que actúa como soporte siguiendo el mismo procedimiento descrito por las reivindicaciones 1 a 8 y que en un paso posterior sea eliminado, una vez el proceso de deposición es completado y el material que constituye la pieza ha solidificado.
Estado de la técnica
Los procesos de fabricación aditivos (AM Additive Manufacturing), también conocidos como procesos de fabricación por capas, son capaces de producir un objeto a partir de su modelo CAD tridimensional, fabricándolo capa a capa y uniendo cada capa a la anterior. Originalmente, los procesos AM se utilizaban para fabricar prototipos usando una variedad muy limitada de materiales poliméricos[1]. En la actualidad, permiten fabricar objetos funcionales en distintos materiales. La aplicación de estos procesos a la fabricación de componentes metálicos resulta muy interesante, especialmente en sectores en los que los objetos tienen formas complejas y el volumen de producción es bajo. Sin embargo, el número de procesos AM que permiten fabricar objetos metálicos es todavía reducido.
Los procesos AM abordan la preparación de la fabricación de forma similar, aunque producen las capas con tecnologías diferentes. Para comenzar a fabricar es necesario disponer de un fichero con la geometría tridimensional del objeto, que normalmente se exporte al formato STL, y que aproxime la superficie del objeto mediante una malla de triángulos. El programa específico de la máquina analiza la geometría y la descompone en capas paralelas y muy finas, y calcula las trayectorias de los elementos móviles de la máquina y los parámetros del proceso para producir esa sección. Esta información se transfiere a la máquina, que comienza a fabricar el objeto, capa a capa, uniendo cada capa fabricada a la anterior. Finalmente el objeto fabricado se extrae de la máquina y, si es necesario, se realizan operaciones de acabado. Esta forma de trabajar proporciona a los procesos AM capacidades únicas: (i) permiten producir objetos de formas complejas sin imponer prácticamente limitaciones a la geometría, (ii) permiten producir directamente productos funcionales formados por varias piezas, y (iii) permiten producir objetos de materiales compuestos, con una composición específica en un punto o una capa del mismo. La fabricación es directa y muy flexible, no requiere el uso de utillaje complejo, y altamente automatizada (la fabricación se produce en la máquina prácticamente sin necesidad de supervisión de la operación)[2].
Las tecnologías utilizadas en la fabricación de las capas pueden clasificarse en cuatro grupos en función de la forma del material de partida: (i) un baño de resinas fotocurables, (ii) un lecho de partículas discretas, (iii) láminas de material sólido, o (iv) material fundido[3]. En la fabricación de componentes metálicos, las tecnologías se enmarcan principalmente en el segundo y el cuarto grupo. La tecnología que se presenta en esta invención corresponde al último grupo, es decir, a las tecnologías que trabajan con material fundido.
Los procesos aditivos que depositan material fundido tienen que abordar dos problemas: primero, el material de partida debe pasar a estado líquido, y en segundo lugar, la fase líquida debe depositarse de forma adecuada para fabricar el objeto capa a capa. Es frecuente que estos procesos utilicen un material auxiliar para crear estructuras soporte para parte de la capa depositada, que, de otra forma, quedaría en voladizo. Este material soporte puede depositarse mediante distintos procesos y se elimina de la pieza fabricada. La tecnología FDM (Fused Deposition Modeling, de Stratasys) utiliza un cabezal extrusor para fundir hilo de un material polimérico. El cabezal se desplaza para depositar el material formando la capa correspondiente a la sección del objeto. La tecnología de deposición de material más extendida es, probablemente, la que se basa en cabezales de impresión con chorro de tinta (ink-jet technology). Estas técnicas parten de un depósito del material líquido, normalmente un polímero, y producen de manera controlada pequeñas gotas que se depositan para formar la capa.
Para aleaciones de baja temperatura de fusión (aleaciones de estaño o de aluminio) se han desarrollado sistemas de producción controlada de gotas a partir de una masa de metal fundido. El metal se funde en el interior de un depósito-horno, y las gotas se producen cuando el metal fluye hacia el exterior a través de una boquilla con un orificio de pequeño tamaño. El diámetro de las gotas es igual o superior al del orificio de la boquilla. En esta tecnología cabe distinguir entre sistemas que trabajan en modo jetting, por una parte, y aquellos que producen gotas a demanda, por otra.
Los sistemas que trabajan en modo jetting logran una producción continua de gotas mediante la rotura de un chorro capilar, aplicando principios de "impresión de tinta" [4]- [7]. Se aplica una presión constante sobre la superficie libre del metal en el depósito para que el metal fundido fluya a través del orificio de la boquilla formando un chorro. Mediante un piezoeléctrico se transmite una vibración en el metal fundido que se transmite al chorro provocando que éste se rompa en pequeñas gotas iguales. Las gotas formadas están separadas una distancia igual a la longitud de la onda generada por la vibración. Para evitar la coalescencia de las gotas durante la caída, se coloca un electrodo a la salida de la boquilla. De esta forma, las gotas se cargan eléctricamente. Esta carga permite, además, el control de la trayectoria de las gotas, y por lo tanto el control de la deposición. Con este procedimiento se han obtenido gotas de una aleación de estaño de aproximadamente 75 μιτη de diámetro utilizando boquillas de acero inoxidable con un orificio de 50 μηι [6]. Aunque la rotura del chorro capilar permite depositar rápidamente patrones complejos sobre superficies horizontales, pueden presentar problemas en la fabricación de "muros" verticales. En este tipo de geometría es importante controlar el ritmo con el que las gotas se depositan unas sobre otras. Un ritmo excesivo, puede producir la fusión de secciones de espesores bajos.
Los sistemas de producción de gotas "a demanda" [8], [9] no presentan esta limitación. Al igual que los anteriores, estos sistemas disponen de un depósito-horno de metal fundido con una boquilla con un orificio en la parte inferior. En este caso, el diámetro del orificio es lo suficientemente pequeño para que la tensión superficial impida la formación de un chorro a través de él. Para producir las gotas, se aplica un pulso de presión sobre la superficie libre del metal en el depósito. La sobrepresión empuja el material a través del orificio formándose una gota (modo drípping). Con este procedimiento se han logrado gotas de 1 mm [8] y 0.18 mm [9], utilizando una boquilla de grafito de 0.3 mm, y una de zafiro artificial de 0.18 mm, respectivamente.
Los procesos aditivos de fabricación de objetos metálicos también han utilizado tecnologías típicas de soldadura para producir gotas de la aleación fundida. Estas tecnologías también son frecuentes en otras aplicaciones como la realización de recubrimientos o recargues [10]-[12]. Mediante una fuente de energía, se calienta el sustrato o la capa anterior de forma localizada, produciendo un baño fundido que se desplaza con la fuente de energía de manera controlada. El metal de aportación se introduce fundido en ese baño de forma que, al cesar el calentamiento, solidifica y queda soldado a la capa anterior. Se puede utilizar el metal de aportación en forma de partículas, que son arrastradas mediante una corriente de gas dirigida hacia el foco de calor, o en forma de hilo, que avanza hacia la fuente de calor produciéndose la fusión del extremo [13]-[15]. Algunos investigadores han combinado ambos métodos y utilizan partículas e hilo simultáneamente [16].
La técnica más extendida y que ha recibido más atención es la Deposición Directa de Metal por Láser (también conocida por los nombres comerciales: Láser Engineered Net Shaping, LENS, o Direct Light Fabrication, DLF). Esta técnica utiliza un haz láser de alta energía para producir un baño fundido en el sustrato. El material se aporta generalmente en forma de polvo mediante el flujo de un gas inerte, que actúa además como atmósfera protectora. La Deposición Directa de Metal por Láser se ha aplicado con éxito a la fabricación de componentes metálicos, produciendo piezas de densidad completa y características mecánicas iguales o superiores a las de las técnicas convencionales [17], [18], aunque con una rugosidad superficial (media) de 10 μητι, lo que puede hacer necesarias operaciones de acabado para ciertas aplicaciones [18]. Otro proceso similar, que también utiliza una alta concentración de energía, es la deposición directa de metal con haz de electrones [14], [19]. En este caso, el metal se aporta en forma de hilo, y las gotas formadas en el extremo del metal se desprenden y caen al baño de metal fundido.
Las técnicas que utilizan un haz de alta energía requieren el uso de equipos y materiales de elevado precio. La búsqueda de alternativas más económicas ha motivado la aplicación de las diferentes técnicas de soldadura por arco (MIG, Metal Inert Gas, TIG, Tungsten Inert Gas, y plasma) a la fabricación por capas. Esto se ha realizado combinando el cabezal y el equipo de soldadura con sistemas de control de trayectorias de control numérico (CN) para su aplicación a la fabricación de objetos por capas.
En la soldadura MIG el calor para producir el baño de fusión lo aporta un arco eléctrico que se establece entre un electrodo consumible y el sustrato, o la capa anterior cuando se aplica a la fabricación por capas. El calor del arco produce la formación de un baño fundido en el sustrato y la fusión del extremo del electrodo, cayendo el material hacia el baño fundido. Para mantener la distancia entre el electrodo y el sustrato, el hilo avanza compensando así la fusión de su extremo. Se utiliza un gas inerte para proteger el metal fundido de la oxidación, y facilitar la estabilidad del arco. Para aplicar el cabezal MIG a la fabricación por capas, se coloca en un sistema de control de trayectorias de control numérico [20]-[23]. Se ha estudiado la generación de trayectorias más adecuada para la fabricación por capas con soldadura MIG [22]. Además, se ha analizado la influencia de los parámetros del proceso en la calidad del producto fabricado [13].
En la soldadura TIG el calor para producir el baño de fusión lo aporta un arco eléctrico que se establece entre el sustrato (o la capa anterior de material) y un electrodo de tungsteno no consumible. Para proteger el baño fundido y favorecer la estabilidad del arco se utiliza una atmósfera protectora que fluye alrededor del electrodo. El metal utilizado para fabricar el objeto se aporta en forma de varilla, introduciendo su extremo en el baño fundido. Distintos investigadores han estudiado los parámetros del proceso más adecuados para aleaciones de aluminio [24], níquel-cromo (Inconel 600) [15] y titanio [25]-[26]. La utilización de soldadura TIG aporta la ventaja, frente a la MIG, de que el control del aporte de calor y del aporte de material se realiza de forma independiente [24]. Además, el metal se introduce directamente en el baño, por lo que no se produce salpicado y se reduce la porosidad.
La tecnología de arco-plasma también se ha aplicado a la fabricación por capas debido a que tiene una mayor densidad de energía, temperatura y estabilidad del arco. Esto permite una mayor velocidad del proceso y una zona térmicamente afectada inferior. Además, posibilita el trabajo con metales de mayor temperatura de fusión. Los sistemas que utilizan equipos de soldadura por plasma, al igual que los que hacen uso de equipos TIG, aportan el metal en forma de varilla [27], [28]. También se han aplicado equipos de recubrimiento por plasma [29], [30] en los que el metal se aporta en forma de polvo arrastrado por el gas a través de la boquilla. Se han desarrollado algunos sistemas mixtos plasma-láser para la fusión de metales refractarios [31].
Los sistemas de soldadura por arco también se han utilizado trabajando en modo de arco no transferido en el proceso denominado microcolada {microcasting) [32]-[33]. El calor del arco se utiliza para la fusión del extremo de un hilo de metal de aportación, obteniéndose gotas de entre 1 y 10 mm de diámetro. Como el arco no se establece con la pieza, se reduce significativamente la aportación de calor a ésta.
Las características geométricas y propiedades físicas de los objetos fabricados mediante deposición directa de metal, independientemente del proceso de formación de la gota, dependen del fenómeno complejo que se produce al impactar la gota de aleación fundida sobre el sustrato (o la capa anterior). Para que se produzca una unión metalúrgica del material de la gota con el sustrato es necesario que la gota aporte calor suficiente para producir una fusión localizada de éste. Así, el fenómeno incluye el impacto y expansión (salpicado) de la gota, el enfriamiento de la gota, la transmisión de calor al sustrato y su fusión, y la solidificación de la gota y el sustrato. Numerosos autores han estudiado este fenómeno tanto de forma teórica como experimental. Se han utilizado modelos cada vez más complejos gracias a las posibilidades de cálculo de los equipos informáticos [34]-[37]. Los parámetros considerados incluyen el volumen y la temperatura de la gota, la velocidad de impacto sobre el sustrato, y la temperatura de éste, todos ellos relacionados entre sí de una manera compleja. El volumen de la gota afecta a la cantidad de calor aportada, y a la precisión del proceso. Las temperaturas de la gota y del sustrato afectan al fenómeno de mojado, y por tanto a la relación de aspecto (altura-diámetro) de la gota depositada, y a la fusión del sustrato. Por último, la velocidad de impacto está relacionada con la producción de salpicaduras, y con la relación de aspecto del depósito.
Algunas tecnologías de fabricación de Sistemas Micro Electro Mecánicos (MEMS) también permiten la fabricación de componentes tridimensionales metálicos con un proceso de fabricación por capas similar a los procesos AM. Por ejemplo, el proceso MICA freeform (de Microfabrica, www.microfabrica.com) produce objetos metálicos por capas en cuatro etapas: (i) litografía UV en la que se deposita una fina capa de polímero fotosensible, y se produce una máscara con la geometría adecuada para que la radiación ultravioleta sólo produzca el curado de la resina correspondiente a un molde para la sección del objeto; (ii) deposición de los iones del metal mediante un proceso electroquímico en la sección donde no se ha curado la resina; (iii) eliminación del polímero y deposición de un material conductor (cobre) en su lugar, que actuará como soporte estructural y como conductor eléctrico para producir las siguientes capas, y que deberá eliminarse del objeto terminado; y (iv) mecanizado para ajustar el espesor de la capa depositada.
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Descripción del contenido de las figuras
Figura 1.- Esquema de la configuración SJ. Una tobera con un orificio de salida de radio R1t está situada a una distancia H de una placa con un orificio de diámetro D concéntrico con el de la tobera. Por la tobera fluye un caudal Q de líquido que al salir forma un chorro estabilizado por la acción de una corriente externa de gas. El gas fluye debido a la aplicación de una diferencia de presión Δρ y rodea al chorro al atravesar el orificio de la placa.
Figura 2.- Montaje experimental utilizado para la observación del chorro: (A) tobera, (B) placa con orificio, (C) celda de succión, (D) sistema de orientación, (E) plataforma de traslación, (F) cámara CMOS de alta velocidad, (G) lentes ópticas, (H) plataforma de traslación triaxial, (I) fibra óptica (sistema de iluminación), (J) mesa óptica con sistema de asilamiento anti-vibración.
Figura 3.- Imágenes del montaje experimental utilizado para la observación del chorro: (A) tobera, (C) celda de succión, (D) sistema de orientación, (F) cámara CMOS de alta velocidad, (G) lentes ópticas, (H) plataforma de traslación triaxial, (I) fibra óptica (sistema de iluminación), (J) mesa óptica con sistema de asilamiento anti-vibración, (K) cámara CCD auxiliar, (L) lentes ópticas, (M) urna de protección, (N) bomba de inyección.
Figura 4.- Modos de emisión del chorro para la configuración SJ: (I) emisión de un chorro estable, (II) emisión intermitente de un chorro, (III) emisión de un chorro con perturbaciones, y (IV) funcionamiento por goteo (dripping).
Figura 5.- Imágenes correspondientes a tres instantes de la emisión del chorro (mercurio) variando las condiciones experimentales: a) Modo I, chorro estable (Q=7ml/h, -4p=57mbar), b) Modo II, chorro intermitente (Q=2ml/h, Δρ=402 mbar), c) Modo III, chorro con perturbaciones (Q=4.7 ml/h, Δρ=65 mbar), d) Modo IV, goteo (Q=3 ml/h, Δρ= 1 12 mbar), y e) Resultados de las simulaciones numéricas del experimento mostrado en las micrografías a)-d), correspondientes a las condiciones Q=5.6 ml/h y 2lp=410 mbar, mostrando las líneas de corriente del gas y el mercurio, así como la formación de las gotas metálicas. Figura 6.- Condiciones experimentales en las que se ha conseguido una emisión estable de un chorro, sin (triángulos) y con (círculos) corriente externa. La línea discontinua corresponde a la predicción de Leib & Goldstein [40] para la transición de inestabilidad convectiva/absoluta.
Figura 7.- Montaje experimental utilizado para la observación de las gotas: (A) tobera, (B) orificio de salida de cámara presurizada, (C) cámara presurizada, (D) recipiente para la recogida del metal, (E) sistema de orientación, (F) cámara CMOS de ultra-alta velocidad, (G) lentes ópticas, (H) plataforma de traslación triaxial, (I) fibra óptica (sistema de iluminación), (J) mesa óptica con sistema de asilamiento anti-vibración.
Figura 8.- Distribución de probabilidad P(Dd) del diámetro de las gotas Dd producidas por el dispositivo SJ con un caudal Q=2.8ml/h sin corriente externa ¿\p=0mbar (barras claras) y con la corriente externa (barras oscuras) causada por una presión .úp=632mbar. La línea discontinua corresponde al diámetro de las gotas que, según la predicción de Rayleigh, se forman al romperse un chorro de 20μηι.
Figura 9.- Imágenes de las gotas correspondientes a tres instantes variando las condiciones experimentales: a) gotas producidas con emisión del metal por goteo (Q=2.8 ml/h, _p=0mbar), y b) gotas producidas por rotura de un chorro estable (Q=2.8 ml/h,
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Se aprecia cierta inclinación del eje de la cámara respecto a la dirección del flujo.
Descripción de la invención
Esta invención describe un nuevo procedimiento y dispositivo para la producción controlada de gotas altamente uniformes de aleaciones metálicas u otros materiales de alta resistencia, elevadas características mecánicas (e. g. alto módulo de Young) y/o elevado punto de fusión para su uso en procesos de deposición de material, como los procesos aditivos de microfabricación de piezas o sistemas, o la realización de microsoldaduras o recargues.
Los procesos actuales de deposición de material basados en rotura de chorros utilizan una perturbación mecánica para producir la rotura del chorro y aplican campos eléctricos para evitar fenómenos de coalescencia entre las gotas. Además, la formación y rotura del chorro se realiza en atmósfera controlada para evitar la oxidación de la entrefase del chorro y los fenómenos indeseables asociados. El dispositivo que se describe en esta invención utiliza una corriente gaseosa impuesta que fluye alrededor del chorro para estabilizarlo de forma que la rotura se produzca debido a la inestabilidad de Rayleigh y origine gotas altamente uniformes y con baja energía cinética. La corriente gaseosa exterior protege las gotas evitando la oxidación de la entrefase, y además controla su dinámica logrando evitar la coalescencia. De esta forma, el dispositivo produce gotas de tamaño uniforme que se mueven a la misma velocidad, lo que permite un mejor control de la deposición de material y, por lo tanto, una mayor precisión en el proceso de fabricación.
El dispositivo se alimenta con metal en estado líquido. La fusión del metal puede realizarse utilizando equipos comunes. Por ejemplo, la aleación puede fundirse en el interior de un horno o crisol calentado mediante resistencias eléctricas externas o mediante inducción. En ese caso, el metal fundido se alimenta al dispositivo de producción de gotas a través de un orificio en la parte inferior del horno. La inyección del metal al dispositivo y el control del caudal se lograrían gracias a la acción de un sistema mecánico de inyección (émbolo) o, como es frecuente, utilizando un gas inerte presurizado para empujar el material desde el interior del horno. Otra posibilidad para alimentar el dispositivo es partir de la aleación sólida en forma de hilo y fundirlo progresivamente. En ese caso, se utilizaría un sistema automático de alimentación de hilo para controlar el avance del material, y una bobina de inducción para producir la fusión del extremo.
En esta invención se presenta un dispositivo para la formación de gotas de metal fundido de tamaño uniforme debido a la rotura de un chorro metálico estabilizado mediante una corriente gaseosa que fluye alrededor del mismo y en la misma dirección. El dispositivo se realiza con una configuración que denominamos surf-jetting (SJ), basada en un fenómeno de estabilización descrito en [38], que permite producir chorros estables en una región paramétrica más amplia que otras configuraciones frecuentes.
La configuración SJ (Figura 1 ) está formada por una tobera convergente que emite un chorro de material (metal) fundido. La tobera tiene un orificio de radio R y frente a ella se sitúa una placa con un orificio de diámetro D concéntrico con el de la tobera y separada de ésta una distancia H. La principal diferencia de esta configuración respecto a los sistemas clásicos de chorro a través de orificios es la presencia de una corriente gaseosa exterior que arrastra y rodea el chorro a su paso a través del orificio de la placa. Además, esta configuración se diferencia de la configuración de flujo enfocado (FF Flow Focusing) [39] en que el chorro al salir de la tobera tiene aproximadamente la misma velocidad y diámetro que aguas abajo del orificio de la placa y hasta el punto de rotura (Figura 1), mientras que en la configuración FF el chorro se emite desde el extremo de un menisco capilar cuasi-estático que se forma en el extremo del tubo de alimentación. En otras palabras, la tobera sólida en la configuración SJ realiza el mismo papel físico que el menisco capilar en la configuración FF, con la ventaja de que la superficie sólida de la tobera es insensible a cualquier perturbación. Además, en SJ el chorro se emite a una velocidad que es controlada por dos parámetros, el caudal Q de material (metal) líquido y el diámetro de salida de la tobera, mientras que en FF la velocidad del chorro sólo es función de la velocidad de la corriente de gas a través del orificio de descarga de diámetro D en la placa. Tanto en la configuración SJ como en FF existe una corriente de gas coaxial alrededor del chorro, pero en el caso de SJ esta corriente se puede imponer a una velocidad cualquiera del chorro sin que ello varíe el diámetro del mismo, lo cual ofrece un grado de libertad muy ventajoso. En particular, la corriente de gas desempeña un papel fundamental en la estabilización del chorro [38]. De hecho, permite la existencia de un chorro continuo con velocidades tan bajas que sería imposible mantenerlo en ausencia de la corriente de gas. Dicho de otra forma, si no existiera esta corriente, las perturbaciones podrían viajar aguas arriba a través de la superficie del chorro que se mueve a baja velocidad y provocar su rotura prematura. Cuando está presente la corriente gaseosa, ésta arrastra y acelera la entrefase, haciendo que la superficie del chorro se mueva a una velocidad superior a la media en dirección axial. De esta forma, se impide la propagación de las perturbaciones en dirección opuesta al avance del líquido, manteniéndolas lejos del punto de emisión [38] e impidiendo la rotura prematura del chorro. Finalmente, el chorro se rompe aguas abajo debido al crecimiento convectivo de perturbaciones axisimétricas en la entrefase (inestabilidad de Plateau-Rayleigh). Como resultado, las gotas producidas por la rotura del chorro emitido con el dispositivo SJ son de tamaño uniforme y diámetro del orden del diámetro del chorro, que es muy similar al diámetro de la tobera y se puede elegir conforme al valor más conveniente para cada material y aplicación particular
La presente invención proporciona un control independiente de las velocidades de la gota y de la corriente de gas, sin producir variaciones apreciables en el tamaño de la gota. A su vez, el diámetro de la gota es determinado por el del orificio de la tobera, que se elige libremente. La importancia de poder controlar independientemente el tamaño y la velocidad de la gota, así como la presencia de la corriente de gas, son especialmente significativos a la hora de optimizar su proceso de deposición (conocido en el argot del campo tecnológico como "splaf) y solidificación en el sustrato [37]. En primer lugar, los fenómenos mecánicos de salpicadura ("splashing') aumentan con la velocidad de impacto, o con el número de Weber We
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donde R¡ es el radio del chorro que origina la gota, v¡ = Q/(nR ) su velocidad, σ es la tensión superficial ypes la densidad del líquido. Idealmente, la salpicadura puede eliminarse eligiendo una velocidad de deposición tal que la energía cinética de la gota por unidad de volumen pvf/2 sea comparable a la sobrepresión capilar en su interior 4a/Dd, donde Dd es el diámetro de la gota. Además, la temperatura y velocidad de la corriente de gas se regulan en combinación con el diámetro de la gota de forma que su temperatura permita una rápida solidificación tras su impacto con el sustrato y parcial fusión de la zona cubierta por la huella del impacto.
En control del tamaño de la gota, su velocidad y su temperatura permiten el control y reproducibilidad de la deposición. Así, se puede controlar con precisión el espesor de la capa de material que se está depositando.
Modo de realización de la invención
En primer lugar, para probar el funcionamiento del dispositivo descrito en esta invención (i.e. control independiente de la velocidad y tamaño de las gotas, así como la corriente de gas) se han realizado experimentos utilizando Mercurio, un metal líquido a temperatura ambiente, y aire como gas enfocante. Según las especificaciones del fabricante, las propiedades del Mercurio a la temperatura ambiente de trabajo (20 °C) son: densidad p = 13.53x 103 kg/m3, viscosidad μ = 1 .55x 10"3 kg/ms, y tensión superficial σ = 0.487 N/m.
Ejemplo 1. Emisión del chorro con el dispositivo SJ
Se han realizado experimentos con un dispositivo basado en la configuración SJ para demostrar que la presencia de la corriente exterior mejora la estabilidad del chorro emitido. En las Figuras 2 y 3 se muestran un esquema e imágenes del montaje experimental. El dispositivo utilizado está formado por una tobera (A) con un orificio de salida de diámetro D1 - 40 μιτι situada a una distancia H = 100 μιη de una placa (B) con un orificio de diámetro D = 200 μηη concéntrico con el de la tobera. Para inyectar el metal al dispositivo, la tobera se conecta a una jeringa (Hamilton) montada en una bomba de inyección (Harvard Apparatus PHD 4400 Hpsi programable) (N), que permite ajustar el caudal Q y proporciona un caudal constante. La placa tapa la parte superior de la celda cúbica (C), en la que se aplica una presión manométrica negativa utilizando una bomba de succión {Busch SV 1005 D), que produce la diferencia de presión Δρ responsable del flujo de gas enfocante. La celda y la tobera están montados, cada uno, en un sistema de orientación (goniómetro) de alta precisión (D) y en una plataforma de traslación triaxial (E) que permiten ajustar su orientación y la posición relativa entre ambos utilizando tornillos micrométricos.
En los experimentos realizados se ha observado la emisión del chorro utilizando una cámara CMOS de alta velocidad (Photonfocus MV-D1024-160) (F) equipada con una serie de lentes ópticas (G): un objetivo-zoom Mitutoyo con magnificación 10* y un conjunto de lentes Optem compuesto por 2* TV Tube más zoom 70XL con magnificación entre 0.75* y 5.25*. La cámara también está montada sobre una plataforma de traslación triaxial (H) que permite ajustar el encuadre y el enfoque. Las imágenes se obtienen iluminado el chorro a contraluz utilizando luz blanca fría proporcionada por una fibra óptica conectada a una fuente de luz (I). Para comprobar la axisimetría del chorro y la correcta alineación de los elementos que componen el dispositivo SJ, éste se observa también con una cámara CCD auxiliar (K) equipada con lentes ópticas (L) con un eje óptico perpendicular al de la cámara CMOS.
Para aislar la zona expuesta a posibles emisiones asociadas al metal líquido, todos los elementos están encerrados en el interior de una urna de PMMA (polimetilmetraquilato) incoloro, con PVC (policloruro de vinilo) flexible en las entradas de las cámaras, fibras ópticas de iluminación y del sistema de sujeción del capilar. Los componentes del montaje experimental, salvo la bomba de succión, se fijan sobre una mesa óptica (J) provista de un sistema neumático para reducir y amortiguar las vibraciones procedentes del edificio.
En cada experimento, primero se ajusta la diferencia de presión Δρ y la distancia tobera-orificio H, y después se observa la emisión del chorro para distintos valores del caudal Q, comenzando por el máximo caudal que permite el montaje experimental (alrededor de 30ml/h), y reduciéndolo en escalones de 0.1 ml/h para observaciones posteriores.
La Figura 4 presenta los Modos de emisión del chorro observados en función de los valores de la diferencia de presión Δρ y el caudal Q, y la Figura 5 muestra imágenes de la emisión del chorro en tres instantes de experimentos en los que se producen los distintos modos. El Modo I corresponde a una emisión estable del chorro, en la que no se observan perturbaciones de ningún tipo en el chorro (Figura 5.a). En el Modo II, se producen interrupciones periódicas en la emisión del chorro cada pocos segundos (Figura 5.b). Tras una interrupción breve, el chorro se vuelve a formar. La frecuencia de este fenómeno aumenta al reducir el caudal (fijada la diferencia de presión). En el Modo III se observan oscilaciones evidentes y permanentes de la entrefase del chorro, pero no se producen interrupciones en la emisión porque las oscilaciones no estrangulan lo suficiente la entrefase (Figura 5.c).Por último, el Modo IV corresponde al régimen clásico de goteo (Figura 5.d).
Los resultados demuestran que el flujo extemo de gas produce una mejora importante en la estabilidad de la emisión del chorro. El caso estándar de la emisión de un chorro a través de un orificio sin flujo externo corresponde al caso Δρ=0, y requiere para producir un chorro estable un caudal superior a 6 ml/h. Este valor es superior al doble del caudal necesario para emitir un chorro estable con el flujo exterior de gas que produce una diferencia de presión Δρ= 250 mbar.
Todos los chorros estables observados en los experimentos eran prácticamente cilindricos a partir de la emisión, y tenían un diámetro de unas 33μητι, ligeramente inferior al radio del cuello de la tobera. Esto puede ser una ventaja en los casos en los que se precise un método robusto y predecible de producción de gotas, ya que puede producirse un chorro de diámetro controlado seleccionando una tobera con la geometría adecuada.
La Figura 6 muestra las condiciones experimentales en las que se han producido chorros estables con el dispositivo en el plano (Re, We), donde el número de Reynolds Re
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se definen en función del radio R¡ y la velocidad v¡ = Q/(nR ) del chorro. Los triángulos representan las condiciones correspondientes a chorros sin corriente externa (Δρ = 0) y los círculos corresponden a chorros estabilizados con corriente externa. El umbral We=1 constituye el límite de estabilidad para las técnicas existentes, como la técnica de flujo enfocado (FF), ya que para líquidos con viscosidad tan baja, la mayor parte de la disipación de energía se produce debido a la tensión superficial. En los experimentos, en ausencia de corriente externa, sólo se ha conseguido producir chorros estables para valores del número de Weber bastante por encima de la unidad. El dispositivo que se presenta permite superar ese umbral de estabilidad gracias al efecto combinado de la forma convergente de la tobera (que se puede ver como una protección frente al medio exterior que previene la inestabilidad del chorro por recirculación del líquido, ventaja que desaparece con el menisco existente en FF) y la corriente externa. Así, en los experimentos se han conseguido chorros estables con valores del número de Weber de hasta 0.2. El papel de la corriente externa es fundamental y se producen chorros con una inercia inferior a la necesaria para superar la tensión interfacial.
Ejemplo 2. Producción de gotas con el dispositivo SJ
Se han realizado experimentos con otro dispositivo basado en la configuración SJ distinto al utilizado en el ejemplo anterior para observar cómo la presencia de la corriente exterior evita la coalescencia de las gotas aguas abajo y estudiar el tamaño de las gotas producidas. El montaje experimental utilizado en los experimentos se muestra en la Figura 7. Las gotas (chorro) se producen con un dispositivo que consta de una cámara presurizada (C), conectada a un circuito neumático, y que contiene una tobera (A), con un orificio de salida de diámetro = 22.5 μπι, frente al orificio (B) de la cámara de diámetro D = 500 μιη, concéntrico con el de la tobera. Se utiliza un sistema de orientación (E) para colocar verticalmente el dispositivo de SJ. El dispositivo se coloca en un montaje experimental similar al descrito en el experimento anterior. En este caso se utiliza una cámara CMOS de ultra-alta velocidad (Photron, FASTCAM SA5) (F) equipada con un conjunto del lentes ópticas (G): un objetivo-zoom OPTEM 10* HR y un zoom NAVITAR 12*. Se toman imágenes de las gotas producidas (y que viajan aguas abajo) en una zona próxima a la salida del dispositivo de SJ (es decir, al orificio de salida). Se han realizado experimentos para un mismo caudal de metal líquido, sin corriente externa (.4p=0mbar) con el dispositivo emitiendo el metal por goteo (Modo IV descrito en el experimento anterior), y con una corriente externa Δρ suficiente para que se produzca un chorro estable, comprobando de nuevo el efecto estabilizador de la corriente externa enfocante. En cada experimento, se ajusta primero la diferencia de presión Δρ, y después el caudal Q. La Figura 8 muestra la distribución de probabilidad P(Dd) para el diámetro Dd de las gotas observadas aguas abajo para un caudal Q=2.8ml/h, sin corriente externa \p=0mbar (barras claras) y con la corriente externa producida por una presión -4p=632mbar (barras oscuras) corriente externa. Con la corriente externa, el dispositivo emitía un chorro de unas 20pm de diámetro. La línea discontinua representa el diámetro de las gotas que se producirían al romper un chorro de ese diámetro según la predicción de Rayieigh {DdD 1.89D,). En el experimento sin corriente externa (Figura 9.a), se produce una colección de gotas de diámetro variable y superior al que proporciona la predicción de Rayieigh. La variación de diámetro puede atribuirse en parte al fenómeno de coalescencia. En el experimento con corriente externa (Figura 9.b) se consigue un chorro estable que rompe aguas abajo del orificio debido a la inestabilidad de Rayieigh en una colección de gotas de diámetro uniforme y aproximadamente igual al doble del diámetro del chorro.

Claims

Reivindicaciones
1. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida, caracterizados por que dichos materiales de fabricación en fase líquida son eyectados desde una primera boquilla que presenta un orificio de descarga de tamaño entre 0.1 micrometros y 5 milímetros, a una velocidad de salida media a través de dicho orificio de descarga entre 0.05 y 150 metros por segundo, preferiblemente entre 0.2 y 50 metros por segundo, y una corriente coaxial de gas es descargada concéntricamente alrededor del chorro desde que sale por dicho orificio de descarga a través de otra segunda boquilla dispuesta concéntricamente con la primera, siendo dicha corriente de un gas del grupo de los gases nobles, oxígeno, nitrógeno, monóxido de carbono, del grupo de los hidrofluorocarbonos, u otros gases inertes, y siendo dicha corriente descargada a una velocidad media en la sección de descarga entre 20 y 1000 metros por segundo, preferiblemente entre 100 y 400 metros por segundo, de forma que el producto de la densidad del material líquido en el chorro multiplicado por el cuadrado de su velocidad y por el diámetro del chorro, dividido por dos y por la tensión superficial del líquido con el gas de la corriente coaxial resulte en un número (We) inferior a 20, preferiblemente inferior a 5, y de forma que la velocidad del gas alrededor del chorro de líquido sea superior a un valor entre 20 y 200 veces la velocidad media del líquido en el chorro dividida por la raíz cuadrada del número We, preferiblemente superior a un valor entre 50 y 100 veces la velocidad media del líquido en el chorro dividida por la raíz cuadrada del número We.
2. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según la reivindicación 1 , caracterizados por que los materiales en fase líquida que constituyen el chorro son materiales metálicos con viscosidades dinámicas entre 0.0001 y 0.1 Paséales por segundo, preferiblemente entre 0.0005 y 0.01 Paséales por segundo, y densidades entre 1000 y 50000 kilogramos por metro cúbico, preferiblemente entre 2000 y 25000 kilogramos por metro cúbico.
3. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según la reivindicación 1 , caracterizados por que los materiales en fase líquida que constituyen el chorro son materiales cerámicos con viscosidades dinámicas entre 0.0001 y 1 Paséales por segundo, preferiblemente entre 0.0005 y
0.1 Paséales por segundo, y densidades entre 500 y 50000 kilogramos por metro cúbico, preferiblemente entre 1000 y 20000 kilogramos por metro cúbico.
4. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizados por que el chorro de líquido se rompe en gotas de diámetro entre 1 y 3 veces, preferiblemente entre 1.5 y 2.5 veces, el diámetro del chorro por fuerzas de tensión superficial o fuerzas capilares.
5. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizados por que el chorro de líquido es eyectado a velocidad constante y las gotas forman una corriente continua o tren continuo.
6. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizados por que las boquillas primera y segunda son conjuntamente posicionadas frente al punto donde se desea depositar el material.
7. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizados por que las boquillas primera y segunda son conjuntamente posicionadas frente al punto donde se desea depositar el material, a una distancia de éste que permite la rotura del chorro en forma de gotas.
8. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizados por que las gotas depositadas se solidifican en contacto con el sustrato sobre el que se depositan, de forma que la acumulación de material por deposición sucesiva y ordenada en capas conforma la geometría de la pieza que se desea fabricar.
9. Procedimiento y dispositivo para la microfabricación de piezas, elementos, subsistemas y sistemas completos a partir de los materiales de fabricación en fase líquida según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizados por que además de depositar el material del que se desea fabricar la pieza como se ha descrito, se puede depositar también otro material que actúa como soporte siguiendo el mismo procedimiento descrito por las reivindicaciones 1 a 8 y que en un paso posterior sea eliminado, una vez el proceso de deposición es completado y el material que constituye la pieza ha solidificado.
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