ES2368079A1 - Método y aparato para la fabricación rápida de piezas funcionales de vidrios y cerámicas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y aparato para la fabricación de piezas funcionales de vidrios y cerámicas mediante prototipado rápido basado en plaqueado láser, comprendiendo: mezclar partículas de dos o más fases componentes del material precursor en proporción controlada y conocida; mezclar dichas partículas con gas de arrastre formando flujo bifásico (polvo/gas); focalizar un haz láser principal y otro secundario, con longitud de onda tal que la energía absorbida por las partículas de cada fase es la misma, sobre la pieza procesada; transportar e inyectar el flujo de partículas en zona de interacción entre haz láser y sustrato; movimiento relativo de pieza procesada respecto de zona de interacción entre chorro del material precursor y haz láser principal y secundario focalizado; controlar temperatura en zona de interacción ajustando la potencia óptica del haz láser primario y secundario así como del caudal másico de cada fase; controlar temperatura de la zona de procesamiento.
Description
Método y aparato para la fabricación rápida de
piezas funcionales de vidrios y cerámicas.
La presente invención se enmarca en el
procesamiento de materiales cerámicos. Mediante el objeto de la
presente invención es posible obtener piezas cerámicas de
composición gradual y geometría compleja mediante la aplicación de
radiación láser.
Los procesos habituales de fabricación de piezas
cerámicas como colada en molde, moldeo por presión, moldeo por
inyección, extrusión, colado en cinta, mecanizado en verde o
sinterizado, normalmente requieren de la adición de aglutinantes o
plastificantes de composición diferente a la del material cerámico,
lo cual conlleva riesgo de contaminación de la pieza final. Las
geometrías de las piezas obtenidas son limitadas para algunas de las
técnicas, como en el caso de la extrusión o el mecanizado en verde,
y en la mayoría de las técnicas es requerida la fabricación de un
molde, lo cual incrementa el tiempo de fabricación y difícilmente
resulta rentable para la producción de lotes de una o pocas piezas.
Las técnicas que comprenden la compactación del material cerámico en
polvo conllevan un paso final de sinterización en hornos, en el cual
la pieza se somete a una temperatura homogénea en todo su volumen.
Los elementos aislantes de los hornos están sometidos a la misma
temperatura que la pieza cerámica procesada, lo cual limita las
velocidades de calentamiento que es posible emplear.
La técnica del prototipado rápido basado en
plaqueado láser es una técnica muy extendida para la generación de
prototipos metálicos. El proceso consiste en la inyección de
partículas de material precursor sobre un sustrato mediante un
chorro de gas de arrastre. Un haz láser de alta potencia incide en
la zona de inyección de material precursor creando una piscina de
material fundido. El sustrato presenta un movimiento relativo
respecto al chorro de material precursor y el haz láser, de manera
que se forma una pista de material depositado. Superponiendo varias
pistas de material depositado se obtiene la pieza deseada. La
aplicación convencional de la técnica a la fabricación de piezas
cerámicas se encuentra recogida en publicaciones y patentes previas
(KM Jasim et al., Journal of Materials Science 28, 1993;
NI Shieh, Journal of Materials Science 29, 1994; WO0240744;
US5038014). Esta técnica aplicada de forma convencional presenta
inconvenientes para el procesamiento de cerámicas, como elevados
gradientes espaciales de temperatura y elevadas velocidades de
enfriamiento que pueden provocar la fractura de la pieza procesada.
Sin embargo, el procesamiento mediante radiación láser con la
técnica de prototipado rápido basado en plaqueado láser presenta
características con potencial para obtener piezas cerámicas con una
microestructura diferenciada de las cerámicas procesadas con métodos
convencionales.
La presente invención aplica la radiación láser
para producir piezas de material cerámico y vitrocerámico bifásico o
multifásico. El método está basado en los mismos principios físicos
del plaqueado láser, pero incorpora una serie de diferencias
esenciales que influyen en las transformaciones
físico-químicas experimentadas por el material y
permiten la obtención de piezas con mejores propiedades para su
aplicación final.
Una de las ventajas del objeto de la presente
patente es la inducción controlada de las reacciones en la interfaz
de las diferentes fases presentes en el material precursor mediante
la utilización de dos haces láser de diferente longitud de onda,
presentando una de estas longitudes de onda una absorción
notablemente diferenciada en función de la fase irradiada. Asimismo,
es posible la producción de piezas de cerámicas bifásicas con una
distribución variable de una de las fases, sin que la distribución
modifique el grado de reactividad y la estructura obtenida en la
interfase.
Otra ventaja de la invención es la producción de
piezas cerámicas y vitrocerámicas de formas tridimensionales
complejas directamente a partir del polvo precursor, sin necesidad
de fabricar moldes o negativos de la geometría deseada.
El producto obtenido después del procesamiento
es totalmente puro, ya que no se necesita la adición de productos
secundarios como aglutinantes o inductores de sinterización. El
enfriamiento de la pieza durante y después de la irradiación con
láser es controlado mediante el confinamiento en un entorno
aislante, de manera que se evita la aparición y crecimiento de
grietas propio de elevadas velocidades de enfriamiento.
Para complementar la descripción que, se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de
realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, una única figura en donde, con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado esquemáticamente y
en alzado, un modelo de realización preferente de la invención.
El método de procesamiento de cerámicas
bifásicas objeto de la presente invención, se lleva a cabo con un
sistema adecuado representado en la Figura 1. Una fuente de haz
láser, denominada fuente de haz láser principal (1), emite un haz
láser principal (2) de una determinada longitud de onda y con una
potencia ajustable. La longitud de onda del haz láser principal,
denominada longitud de onda principal, debe presentar una absorción
similar para todos los componentes o fases que forman parte del
material procesado. Un expansor de haz principal (5) modifica el
diámetro y la divergencia del haz láser principal. Por lo tanto,
dicho expansor de haz principal (5) debe presentar una relación de
expansión ajustable y ajuste de colimación. Un elemento óptico plano
paralelo (7) transmite el haz láser principal, produciendo un
desplazamiento lateral de dicho haz láser principal, pero sin
modificar la dirección del mismo. Simultáneamente, una fuente de haz
láser secundaria (3) emite un haz láser secundario (4), dicho haz
láser secundario presenta una potencia ajustable. La longitud de
onda del haz láser secundario, denominada longitud de onda
secundaria, presenta una absorción notablemente diferente en función
de la fase o componente del material procesado. Un expansor de haz
secundario (6) modifica el diámetro y la divergencia del haz láser
secundario. Por lo tanto, dicho expansor de haz secundario (6) debe
presentar una relación de expansión ajustable y ajuste de
colimación. El haz láser secundario (4) es reflejado mediante un
espejo (9) y dicho haz láser secundario es también reflejado por el
elemento óptico plañó paralelo (7). Tanto el haz láser principal (2)
como el haz láser secundario (4) inciden paralelamente entre sí
sobre una lente de focalización (8), de manera que los dos haces
láser son focalizados sobre el mismo eje óptico. El ajuste de
colimación efectuado por el expansor de haz principal (5) y el
expansor de haz secundario (6) permite focalizar el haz láser
principal y el haz láser secundario sobre el mismo punto. En dicho
punto se emplaza la zona de interacción (12) entre el haz láser
principal (2), el haz láser secundario (4), el chorro de material
precursor inyectado (22) y la pieza procesada (13).
El material que se va a procesar, denominado
material precursor, está compuesto por dos o más fases o componentes
diferenciados, dichas fases o componentes se encuentran inicialmente
separados. El depósito primario (15) contiene uno o más componentes,
dichos componentes presentan una absorción baja cuando son
irradiados por el haz láser secundario (4) y su conjunto se denomina
componente primario. El citado valor de la absorción puede deberse
bien a una alta reflectividad o bien a una alta transmitancia frente
a la longitud de onda del haz láser secundario. La electroválvula de
paso primaria (16) permite seleccionar el caudal másico que se
desplaza desde el depósito primario (15) al depósito general (20).
El depósito secundario (17) contiene las fases o componentes del
material a procesar que presentan una absorción elevada para la
longitud de onda del haz láser secundario (4) y su conjunto se
denomina componente secundario. La electroválvula de paso secundaria
(18) permite seleccionar el caudal másico que se desplaza desde el
depósito secundario (17) al depósito general (20). En dicho depósito
general, el componente primario y el componente secundario del
material a procesar se mezclan homogéneamente mediante una hélice y
posteriormente se inyectan mediante un inyector de polvo precursor
(21) hacia la zona de interacción (12). El chorro de material
precursor inyectado (22) alcanza la zona de interacción (12), donde
interacciona con el haz láser principal (2) y el haz láser
secundario (4). El material precursor se funde total o parcialmente,
o bien es sinterizado, dando lugar a la pieza procesada (13) cuando
se produce la solidificación del material precursor procesado sobre
el sustrato (14).
La radiación electromagnética desprendida de la
zona de interacción (12), correspondiente a bandas del espectro
visible e infrarrojo, excepto las bandas correspondientes al haz
láser principal (2) y al haz láser secundario (4), es colimada por
la lente de focalización (8), reflejada total o parcialmente por el
elemento óptico plano paralelo (7) y trasmitida total o parcialmente
a través del espejo (9). Dicha radiación electromagnética incide
sobre un elemento sensor óptico de temperatura (11), que puede ser
un sensor de tipo pirómetro o una cámara CMOS o CCD con su
correspondiente óptica. El elemento sensor óptico de temperatura
(11) envía una señal eléctrica a un sistema de control electrónico
(19). Dicho sistema de control electrónico (19) gobierna la
electroválvula de paso primaria (16) y la electroválvula de paso
secundaria (18), de forma que controla, en cada instante, tanto el
caudal másico que fluye del depósito primario (15) al depósito
general (20), como el caudal que fluye del depósito secundario (17)
al depósito principal (20). Dicho sistema de control electrónico
(19) gobierna, asimismo, la potencia óptica del haz láser principal
(2) emitido por la fuente de haz láser principal (1), de forma que
dicha potencia óptica del haz láser principal (2) es proporcional al
flujo másico del componente primario que atraviesa la electroválvula
de paso primaria (16), pudiéndose seleccionar el valor del factor de
proporcionalidad dentro de un rango. Asimismo, la potencia óptica
del haz láser principal (2) es inversamente proporcional al valor de
absorción del componente primario contenido en el depósito primario
(15) para la longitud de onda del haz láser principal (2). Dicho
sistema de control electrónico (19) gobierna, asimismo, la potencia
óptica del haz láser secundario (4) emitido por la fuente de haz
láser secundario (3), de forma que dicha potencia óptica del haz
láser secundario (4) es proporcional al flujo másico que atraviesa
la electroválvula de paso secundaria (18), pudiéndose seleccionar el
valor del factor de proporcionalidad dentro de un rango. Asimismo,
la potencia óptica del haz láser secundario (4) es inversamente
proporcional al valor de absorción del componente secundario
contenido en el depósito secundario (17) para la longitud de onda
del haz láser secundario (4). Asimismo, la potencia óptica del haz
láser secundario (4) es inversamente proporcional al valor de
absorción del componente secundario contenido en el depósito
secundario (17) para la longitud de onda del haz láser principal
(2). Asimismo, la potencia óptica del haz láser secundario (4) es
inversamente proporcional al valor de de la potencia óptica del haz
láser principal (2).
El sustrato (14), que soporta la pieza procesada
(13), se sitúa encima de una plataforma aislante (28). Dichos tres
elementos, pieza procesada (13), sustrato (14) y plataforma aislante
(28), se mueven solidariamente en un plano normal al plano del
dibujo que contiene la dirección indicada por la flecha horizontal
(29). Dicho movimiento es producido por una estación de control
numérico computerizado o calefactor (25) alojado en la cubierta
aislante móvil (23). De esta manera, se mantiene una temperatura en
la zona de procesamiento adecuada al material procesado, un
gradiente de temperatura entre la zona de interacción (12) y la
pieza procesada (13) reducido y una velocidad de enfriamiento
controlada; siendo los valores de los anteriores parámetros
adecuados para la obtención de la microestructura deseada en la
pieza procesada (13).
Un ejemplo práctico de aplicación de la
invención es el procesamiento de material cerámico consistente en
una mezcla cuyos componentes son vidrio bioactivo e hidroxiapatita.
El vidrio bioactivo es un vidrio de sílice como formador de red y
puede contener otros elementos como calcio, sodio, potasio, fósforo,
magnesio, estroncio, zinc o titanio. El vidrio bioactivo se
corresponde con el componente primario y se deposita en el depósito
primario (15) en forma de polvo, con tamaño de partícula comprendido
entre 50 y 150 \mum. La hidroxiapatita se corresponde con el
componente secundario y se presenta en forma de polvo, con tamaño de
partícula comprendido entre 50 y 150 \mum, se encuentra en el
depósito secundario (17). Ambos materiales se mezclan
controladamente por las electroválvulas de paso primaria (16) y
secundaria (18), dando lugar a una mezcla de proporciones conocidas
y definidas. Esta proporción es variable en el tiempo y se encuentra
en el rango 1:9 a 9:1 de hidroxiapatita:vidrio bioactivo. Este
material precursor en forma de mezcla, es homogeneizado en términos
de distribución de componentes mediante una hélice dentro del
depósito general (20) y alimentado mediante una bomba de
desplazamiento positivo de tornillo helicoidal hacia el inyector de
polvo precursor (21). El inyector de polvo precursor es una boquilla
metálica con forma cónica, con su eje formando un ángulo comprendido
entre 15º y 35º respecto al eje del haz láser principal (2) en la
zona de procesamiento. No se utiliza gas alguno durante la inyección
del polvo precursor, con excepción del aire presente en el entorno
de procesamiento.
La fuente de haz láser principal (1) es una
fuente láser de CO_{2}, con una potencia óptica ajustable entre 5
W y 100 W. El expansor de haz principal (5) es un expansor de
relación de expansión variable comprendida entre 1x y 5x, de diseño
galileano y formado por tres lentes de seleniuro de zinc. La fuente
de haz láser secundario (3) es una fuente de láser de fibra dopada
con iterbio, con una longitud de onda comprendida entre 1060 y 1100
nm y con una potencia óptica ajustable entre 10 W y 200 W. El
expansor de haz secundario (6) es un expansor de haz de relación de
expansión variable comprendida entre 1x y 10x, de diseño galileano y
compuesta por más de dos lentes ópticas de sílice vítrea. El
elemento óptico plano (7) es un sustrato plano paralelo de seleniuro
de zinc con un recubrimiento antirreflectante para la longitud de
onda del haz láser de CO_{2} en la cara superior, y un
recubrimiento dieléctrico multicapa altamente reflectante en el
rango 500 nm a 1250 nm en la cara inferior. El espejo (9) es un
sustrato plano paralelo de sílice vítrea con un recubrimiento
dieléctrico multicapa altamente reflectante en el rango 1060 a 1100
nm en la cara superior. La lente de focalización (8) es una lente
cóncavo-convexa de sulfato de zinc multiespectral,
con una longitud focal comprendida entre 120 mm y 260 mm. El
sustrato (13) es una placa plana de aleación de titanio de espesor 6
mm. La plataforma aislante (28), la cubierta aislante móvil (23) y
la cubierta aislante estática (26) están compuestos por
mullita-alúmina y presentan un grosor de pared de 20
mm. El elemento sensor de temperatura (27) es un termopar de rango
de medición 100 a 800ºC, mientras que el elemento calefactor (25) es
una resistencia de carburo de silicio. La temperatura medida por el
elemento sensor de temperatura (27) se mantiene entre 400 y 600ºC en
función de la composición exacta del componente vidrio bioactivo
empleado.
Claims (9)
1. Método de procesamiento de cerámicas mediante
láser caracterizado por las siguientes etapas:
- -
- Mezcla de los dos componentes primario y secundario de la cerámica manteniendo una proporción conocida en el tiempo entre ambos componentes.
- -
- Inyección de un chorro de material precursor (22) e irradiación de dicho material precursor con un haz láser principal (2) y un haz láser secundario (4) de diferente longitud de onda y focalizados sobre la zona de interacción (12). La longitud de onda del haz láser principal (2) es tal que la absorción de energía por parte del componente primario cuando se irradia con la longitud de onda principal es similar a la absorción de energía por parte del componente secundario cuando se irradia con la misma longitud de onda principal. La longitud de onda del haz láser secundario (4) es tal que la absorción de energía por parte del componente primario cuando se irradia con la longitud de onda secundaria es menor que la absorción de energía por parte del componente secundario cuando se irradia con la misma longitud de onda secundaria.
- -
- Movimiento relativo tridimensional de la pieza procesada (13) respecto a la zona de interacción (12) entre el chorro de material precursor (22), el haz láser principal (2) focalizado y el haz láser secundario (4) focalizado; para generar una pieza de geometría tridimensional.
2. Método de procesamiento de cerámicas de
acuerdo con la reivindicación 1ª, en el cual la concentración del
componente primario y la concentración del componente secundario en
el chorro de material precursor (22) son variables en el tiempo.
Además, la potencia óptica del haz láser principal (2) es:
proporcional a la concentración del componente primario en el chorro
de material precursor (22); inversamente proporcional al valor de
absorción del componente primario para la longitud de onda del haz
láser principal (2). Asimismo, la potencia óptica del haz láser
secundario es: proporcional a la concentración del componente
secundario en el chorro del material precursor (22); inversamente
proporcional a: el valor de absorción del componente secundario para
la longitud de onda del haz láser secundario (4); inversamente
proporcional al valor de absorción del componente secundario para la
longitud de onda del haz láser principal (2); inversamente
proporcional al valor de de la potencia óptica del haz láser
principal
(2).
(2).
3. Método de procesamiento de cerámicas de
acuerdo con las reivindicaciones 1ª a 2ª, en el cual el componente
primario es vidrio bioactivo del sistema
SiO_{2}-CaO-Na_{2}O-P_{2}O_{5}
y el componente secundario es hidroxiapatita. El haz láser principal
procede de una fuente láser de CO_{2} y el haz láser secundario
procede de una fuente láser de fibra dopada con iterbio.
4. Método de procesamiento de cerámicas de
acuerdo con la reivindicación 1ª a 3ª donde la potencia óptica del
haz láser principal está comprendida entre 5 y 100 W, y donde la
potencia óptica del haz láser secundario está comprendida entre 10 y
200 W.
5. Método de procesamiento de cerámicas de
acuerdo con la reivindicación 1ª a 4ª, donde la temperatura de la
zona de procesamiento se mantiene constante entre 400 y 700ºC.
6. Un aparato para procesamiento de cerámicas
que opera según el procedimiento de la reivindicación 1ª, el cual
comprende los siguientes elementos:
- -
- Un expansor de haz principal (5) de relación de expansión variable para ajustar el tamaño y la colimación del haz láser principal (2).
- -
- Un expansor de haz secundario (6) de relación de expansión variable destinado a ajustar el tamaño y la colimación del haz láser secundario (4) en función de la posición del diámetro mínimo del haz láser principal (2) focalizado.
- -
- Un espejo (9) que refleja la longitud de onda del haz láser secundario (4) procedente del expansor de haz secundario (6).
- -
- Un elemento óptico plano (7) que transmite el haz láser principal (2) procedente del expansor de haz principal (5) y, al mismo tiempo, refleja el haz láser secundario (4) procedente del espejo (9) paralelamente al haz láser principal (2).
- -
- Una lente de focalización (8) situada después del elemento óptico plano (7) que focaliza el haz láser principal (2) y, al mismo tiempo, focaliza el haz láser secundario (4).
- -
- Un depósito primario (15) destinado a alojar el componente primario del material precursor.
- -
- Un depósito secundario (17) destinado a alojar el componente secundario del material precursor.
- -
- Una electroválvula de paso primaria (16) situada a la salida del depósito primario (15), destinada a ajustar el flujo de salida del componente primario.
- -
- Una electroválvula de paso secundaria (18) situada a la salida del depósito secundario (17), destinada a ajustar el flujo de salida del componente secundario.
- -
- Un depósito general (20) destinado a alojar y homogeneizar el material precursor mezcla de componente primario y componente secundario procedentes del depósito primario (15) y el depósito secundario (17).
- -
- Un inyector de polvo precursor (21) destinado a inyectar el material precursor procedente del depósito general (20) en el punto de focalización del haz láser principal (2) y el haz láser secundario (4).
- -
- Un substrato (14) que soporta la generación de la pieza procesada (13) mediante el enfriamiento de la mezcla de material precursor procedente de la zona de interacción (12).
7. Un aparato para procesamiento de cerámicas de
acuerdo con la reivindicación 6ª, el cual, adicionalmente, comprende
un elemento sensor óptico de temperatura (11) destinado a captar la
radiación en el espectro visible e infrarrojo cercano procedente de
la zona de interacción (12), siendo dicha radiación colimada por la
lente de focalización (8), reflejada por el elemento óptico plano
(7) y transmitida a través del espejo (9).
8. Un aparato para procesamiento de cerámicas
según la reivindicación 7ª en el cual un sistema de control
electrónico (19) gobierna la electroválvula de paso primaria, la
electroválvula de paso secundaria (18), la potencia óptica del haz
láser principal (2) y la potencia óptica del haz láser secundario
(4), y dicho sistema de control electrónico (19) recibe información
sobre la radiación captada por el sensor óptico de temperatura
(11).
9. Un aparato para procesamiento de cerámicas
según la reivindicación 8ª, el cual comprende, adicionalmente, los
siguientes elementos:
- -
- Un sistema de confinamiento de la zona de procesamiento destinada a reducir las pérdidas de calor en dicha zona de procesamiento y que comprende: una cubierta aislante (23) solidaria a la lente de focalización (8); una plataforma aislante (28) que soporta y es solidaria al sustrato (14); una cubierta aislante estática (26) destinada a reducir las pérdidas de calor en la zona de procesamiento.
- -
- Un elemento calefactor (25), contenido dentro de la cubierta aislante (23), destinado a generar el calor necesario para mantener una determinada temperatura media de la zona de procesamiento.
- -
- Un elemento sensor de temperatura (27) destinado a medir la temperatura media de la zona de procesamiento.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200902063A ES2368079B1 (es) | 2009-10-24 | 2009-10-24 | Método y aparato para la fabricación rápida de piezas funcionales de vidrios y cerámicas. |
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| ES200902063A ES2368079B1 (es) | 2009-10-24 | 2009-10-24 | Método y aparato para la fabricación rápida de piezas funcionales de vidrios y cerámicas. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2368079A1 true ES2368079A1 (es) | 2011-11-14 |
| ES2368079B1 ES2368079B1 (es) | 2012-09-10 |
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ID=44838640
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|---|---|---|---|
| ES200902063A Active ES2368079B1 (es) | 2009-10-24 | 2009-10-24 | Método y aparato para la fabricación rápida de piezas funcionales de vidrios y cerámicas. |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2368079B1 (es) | 2012-09-10 |
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