ES2278521B1

ES2278521B1 - Nodalized nozzle for injecting powder, particularly in powder metallurgy, comprises central body that projects dust of feeding tube settled on body, where moving crown is adjusted and positioned with respect to body

Info

Publication number: ES2278521B1
Application number: ES200502464A
Authority: ES
Inventors: Fernando Lusquiños Rodriguez; Juan M. Pou Saracho; Jorge L. Arias Otero; Mohamed Boutinguiza Larosi; Betty Mireya Leon Fong; Mariano J. Perez-Martinez Y Perez Amor
Original assignee: Universidade de Vigo
Current assignee: Universidade de Vigo
Priority date: 2005-10-10
Filing date: 2005-10-10
Publication date: 2008-06-16
Anticipated expiration: 2025-10-10
Also published as: ES2278521A1

Abstract

Boquilla focalizadora para inyección de polvos. La boquilla, de especial aplicación en la metalurgia de polvos, prototipado rápido, producción de recubrimientos por plaqueado superficial mediante láser, limpieza de objetos por chorreado, soldadura con aporte material en forma de polvo, etc., consiste en un cuerpo central (1) que a través de un orificio axial proyecta el polvo proveniente de un tubo de alimentación (4), estableciéndose sobre dicho cuerpo (1) una corona móvil (2) de posicionamiento regulable con respecto al cuerpo (1) para suministro del gas de confinamiento alimentado a su vez a través de tubos laterales (3) que desemboca en una cámara anular definida entre el cuerpo central (1), la corona móvil (2) y un cuerpo intermedio (8) de fijación para esta última. Mediante un acoplador (7), transparente al haz láser, se fija axial y posteriormente al cuerpo central (1) un alineador (5) para ubicación del generador láser, correctamente posicionado mediante tornillos micrométricos (6).Focus nozzle for powder injection. The nozzle, of special application in powder metallurgy, rapid prototyping, production of coatings by surface plating by laser, cleaning of objects by blasting, welding with material contribution in the form of dust, etc., consists of a central body (1) which, through an axial hole, projects the dust from a feed tube (4), establishing on said body (1) a movable crown (2) of adjustable positioning with respect to the body (1) for supplying the supplied confinement gas in turn, through lateral tubes (3) that flows into a defined annular chamber between the central body (1), the movable crown (2) and an intermediate body (8) for fixing the latter. By means of a coupler (7), transparent to the laser beam, an aligner (5) is attached axially and subsequently to the central body (5) for location of the laser generator, correctly positioned by micrometric screws (6).

Description

Boquilla focalizadora para inyección de polvos.Focus nozzle for injection powder.

Object of the invention

La presente invención se sitúa en el ámbito de la inyección de polvos en forma controlada para aplicaciones como la metalurgia de polvos, prototipado rápido, producción de recubrimientos por la técnica del plaqueado superficial por láser, limpieza de objetos por chorreado, soldadura con aporte de material en forma de polvo, etc.The present invention falls within the scope of powder injection in a controlled manner for applications such as powder metallurgy, rapid prototyping, production of coatings by laser surface plating technique, blasting of objects, welding with material supply in powder form, etc.

Esta invención proporciona un aparato que permite inyectar partículas de forma controlada en el punto de trabajo deseado de tal forma que el flujo de polvos puede ser focalizado sobre dicho punto, controlando a la vez la dirección del mismo y permitiendo establecer una atmósfera de la naturaleza deseada en torno a la zona de trabajo.This invention provides an apparatus that allows to inject particles in a controlled way at the point of desired work such that the powder flow can be focused on that point, while controlling the direction of the same and allowing to establish an atmosphere of nature desired around the work area.

Background of the invention

Existen numerosas actividades industriales en las cuales se utiliza la inyección de partículas. Un campo en el que la inyección de partículas es una parte esencial es la fabricación de piezas por prototipado rápido asistida por láser. Este proceso consiste en inyectar un chorro de partículas sobre el foco de un láser de tal manera que la energía del mismo funde estos polvos. El movimiento del equipo siguiendo un patrón predeterminado permite construir formas tridimensionales complejas. Los problemas surgen al modificar el tamaño del foco del haz láser cuando se necesita cambiar la densidad de potencia del mismo. Dado que el tamaño del chorro de partículas debe ser similar al foco del haz láser, es preciso cambiar el sistema de inyección de polvos cada vez que se modifica el foco del haz láser. Por otra parte el alineamiento del haz láser y del sistema de inyección de polvos debe ser muy preciso para poder obtener piezas que cumplan con las tolerancias normalmente establecidas.There are numerous industrial activities in which particle injection is used. A field in the that particle injection is an essential part is the manufacture of parts by rapid prototyping assisted by laser. This process involves injecting a stream of particles onto the focus of a laser in such a way that its energy melts these powder. The movement of the team following a predetermined pattern allows to build complex three-dimensional shapes. Problems they arise by changing the size of the laser beam focus when You need to change the power density of it. Since the particle jet size should be similar to beam focus laser, it is necessary to change the powder injection system every once the focus of the laser beam is modified. On the other hand the alignment of the laser beam and powder injection system It must be very precise to obtain parts that comply with the Normally established tolerances.

Problemas similares nos encontramos en técnicas como la producción de recubrimientos por plaqueado superficial por láser. Esta técnica consiste en focalizar un haz láser sobre la superficie de la pieza que se desea recubrir e inyectar (en forma de polvo) en la zona irradiada por el haz láser, el material que formará el recubrimiento. De nuevo los problemas surgen por la necesidad de que el diámetro del chorro de partículas sea similar al diámetro de la zona irradiada por el haz láser. Por otra parte, el correcto alineamiento del corro de polvo es fundamental para poder obtener un recubrimiento que tenga las propiedades requeridas. Un alineamiento deficiente puede conducir a una sobreexposición de los polvos al haz láser o, por el contrario, a una interacción láser-polvos insuficiente. En ambos casos las propiedades físico-químicas y mecánicas de los recubrimientos se van a ver alteradas con respecto a los valores deseados, lo cual conlleva unas prestaciones de los mismos claramente insuficientes. A modo de ejemplo podríamos señalar el caso de la obtención de recubrimientos cerámicos como barrera protectora frente a la corrosión a elevadas temperaturas. Una sobreexposición de los polvos supone el agrietamiento del recubrimiento obtenido, mientras que una interacción insuficiente hace que el recubrimiento se desconche. En ambos casos el recubrimiento obtenido no cumple con su cometido de servir como barrera frente a la corrosión del substrato sobre el que se aplican.Similar problems we find in techniques as the production of surface plating coatings by To be. This technique consists in focusing a laser beam on the surface of the piece to be coated and injected (in shape of dust) in the area irradiated by the laser beam, the material that It will form the coating. Again the problems arise from the need for the diameter of the particle stream to be similar to the diameter of the area irradiated by the laser beam. On the other hand, the correct alignment of the dust stream is essential for be able to obtain a coating that has the required properties. Poor alignment can lead to overexposure of dusts to the laser beam or, conversely, to an interaction insufficient laser-powders. In both cases the physical-chemical and mechanical properties of coatings will be altered with respect to values desired, which entails benefits thereof clearly insufficient. As an example we could point out the case of obtaining ceramic coatings as a barrier protective against corrosion at high temperatures. A overexposure of dusts involves cracking the obtained coating, while insufficient interaction causes the coating to peel. In both cases the obtained coating does not fulfill its mission of serving as corrosion barrier of the substrate on which apply

En la soldadura con aporte de material en forma de polvos surgen problemas similares, si bien éstos son más perjudiciales cuanto más focalizada sea la fuente de calor. Así en la soldadura asistida por plasma o por láser es fundamental un correcto alineamiento del chorro de partículas de aporte y un tamaño de dicho chorro acorde con el tamaño de la fuente de energía.In welding with material contribution in form similar problems arise from dusts, although these are more harmful the more focused the source of heat. So in plasma or laser assisted welding is essential a correct alignment of the jet of contribution particles and a size of said jet according to the font size of Energy.

Existen otro tipo de actividades en las que es también muy importante un control adecuado de un chorro de partículas. Nos referimos a la limpieza de objetos por chorreado. En algunos casos, como la limpieza de elementos de artes gráficas por chorreado con partículas de bicarbonato sódico es fundamental un control del diámetro del haz de partículas, así como un adecuado alineamiento del mismo para que la remoción de los restos de tinta o pintura sea eficiente y, a la vez, no se dañe la superficie de las propias piezas.There are other types of activities in which it is also very important an adequate control of a jet of particles We refer to the cleaning of objects by blasting. In some cases, such as cleaning graphic art elements by blasting with sodium bicarbonate particles it is essential a control of the particle beam diameter, as well as a suitable alignment of the same so that the removal of the remains of ink or paint is efficient and, at the same time, does not damage the surface of The pieces themselves.

Un chorro libre circular que descarga contra presión atmosférica., presenta tres regiones bien diferenciadas hasta alcanzar el completo desarrollo del flujo que constituye la región de trabajo:A circular free jet that discharges against atmospheric pressure., has three distinct regions until the complete development of the flow that constitutes the work region:

a)to): Región inicial o corazón potencial en el que la distribución de velocidad es uniforme en cualquier sección.Initial region or potential heart in the one that the speed distribution is uniform in any section.

b)b): Región principal en la que el flujo es asimilable a otro procedente de una fuente puntual, llamado polo del flujo.Main region in which the flow is similar to another from a point source, called polo of the flow.

c)C): Región de transición.Transition region.

Cuando a un chorro libre de gas se superpone otro chorro anular, se modifican sustancialmente las regiones de evolución del flujo gaseoso hasta el estado completamente desarrollado. Podemos distinguir dos regiones: la inicial y la principal. En la primera, los perfiles de velocidad son similares a los de cada chorro por separado, mientras que en la zona principal, los perfiles de velocidades medias y los de intensidades de turbulencia son similares en forma pero con valores diferentes a los de un chorro único. El chorro externo permite reducir la expansión del interno, independientemente del flujo anular. Este fenómeno es más evidente para razones de flujo externo frente a flujo interno elevadas.When a gas free jet overlaps another annular jet, the regions of evolution of the gas flow to the state completely developed. We can distinguish two regions: the initial and the principal. In the first, the speed profiles are similar to those of each jet separately, while in the main zone, the profiles of medium speeds and intensities of turbulence are similar in shape but with different values than of a single stream. External jet reduces expansion of the inmate, regardless of the annular flow. This phenomenon is more evident for reasons of external flow versus internal flow high.

Description of the invention

La boquilla para la inyección de polvos que la invención propone presenta frente a la técnica convencional una serie de ventajas que se centran fundamentalmente en los siguientes aspectos:The nozzle for powder injection that the invention proposes presents in front of conventional technique a series of advantages that focus primarily on the following aspects:

--: Permite focalizar el chorro de polvos, de tal manera que el diámetro del mismo puede ser adaptado según los requerimientos de la aplicación.It allows focusing the powder jet, in such a way that its diameter can be adapted according to The application requirements.

--: Permite modificar el diámetro del chorro de polvos y la distancia focal del mismo sin necesidad de cambiar de boquilla.It allows to modify the diameter of the jet of powders and the focal length thereof without changing nozzle

--: Permite alinear tanto la posición del foco del chorro de polvos como la dirección de dicho chorro previamente al propio establecimiento del chorro de polvos.Allows you to align both the position of the focus of the powder jet as the direction of said jet prior to the establishment of the jet of powder.

--: Permite establecer una atmósfera de la naturaleza deseada (inerte, oxidante, etc...) con independencia del gas utilizado para el arrastre de los polvos.It allows to establish an atmosphere of the desired nature (inert, oxidizing, etc ...) regardless of gas used to carry powders.

Para ello y de forma más concreta la boquilla está estructurada a partir de un cuerpo central, dotado de un orificio axial a través del que se inyecta el flujo de polvos, provenientes de un sistema de fluidificación de los mismos conectado a un tubo lateral que atraviesa el cuerpo central con su orificio axial, estableciéndose sobre la extremidad frontal del cuerpo central una corona móvil que, con la colaboración de un cuerpo intermedio sobre el que está montada a través de un sistema de rosca, genera una cámara a la que accede el gas de confinamiento a través de una serie de tubos laterales, preferentemente en número de tres, y de manera que el posicionamiento relativo entre la corona móvil y el cuerpo central permite modificar a voluntad el diámetro del foco y la distancia focal del chorro de partículas.To do this and more specifically the nozzle It is structured from a central body, equipped with a axial hole through which the powder flow is injected, from a fluidization system thereof connected to a side tube that crosses the central body with its axial hole, settling on the front end of the central body a mobile crown that, with the collaboration of a intermediate body on which it is mounted through a system thread, generates a chamber to which the confinement gas accesses through a series of side tubes, preferably in number of three, and so that the relative positioning between the mobile crown and the central body allows modifying at will the focus diameter and the focal length of the jet of particles

De acuerdo con otra de las características de la invención al cuerpo central, axial, posteriormente y con la colaboración de un acoplador transparente, se conecta el elemento alineador, que aloja en su interior al láser, cuya correcta posición de trabajo, es decir cuya correcta alineación con el cuerpo central, viene determinada por una pareja de tornillos micrométricos, montados lateralmente en el alineador.According to another of the characteristics of the invention to the central body, axially, subsequently and with the collaboration of a transparent coupler, the element is connected aligner, which houses inside the laser, whose correct working position, that is whose correct alignment with the central body, is determined by a pair of screws micrometers, mounted laterally on the aligner.

Description of the drawings

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, una figura única que representa según una vista en alzado lateral y en sección a un cuarto una boquilla focalizadora para inyección de polvos realizada de acuerdo con el objeto de la presente invención.To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of that description, a unique figure that represents according to a side elevation view and in section to a quarter a focus nozzle for powder injection made according for the purpose of the present invention.

Preferred Embodiment of the Invention

A la vista de la figura reseñada puede observarse como la boquilla que la invención propone está estructurada básicamente a partir de un cuerpo central (1) que inyecta el flujo de polvos. Este flujo de polvos es introducido en el aparato a través de un tubo lateral (4) conectado al cuerpo central (1). En la figura no se muestra el sistema de fluidificación de los polvos por existir en el mercado varios equipos perfectamente capaces de acometer satisfactoriamente la tarea de fluidificar los polvos a inyectar manteniendo un flujo másico constante. La salida de este sistema de fluidificación de los polvos se conecta al tubo lateral (4). La focalización del chorro de polvos se consigue por medio de un flujo anular de gas de confinamiento que es introducido en el sistema por medio de tres tubos laterales (3) conectados a una corona móvil (2) de protección. Este gas de confinamiento cumple el papel de proporcionar una atmósfera de trabajo independiente del gas de arrastre. En algunas aplicaciones como la soldadura con aporte de material en forma de polvos o en el prototipado rápido por láser, suele ser deseable utilizar un gas de confinamiento inerte (como el Ar, Ne, He, N_{2}, etc ...) para evitar la oxidación. pero a la vez el gas de arrastre puede ser reactivo. En otras aplicaciones como en el caso de la limpieza por chorreado puede ser deseable el empleo de un gas de confinamiento reactivo (O_{2}, CO_{2}, etc ...) para facilitar el proceso de limpieza.In view of the review figure you can be observed as the nozzle that the invention proposes is basically structured from a central body (1) that inject the flow of dusts. This powder flow is introduced in the device through a side tube (4) connected to the body central (1). The fluidization system is not shown in the figure of the powders because there are several equipment on the market perfectly capable of satisfactorily undertaking the task of fluidize the powders to be injected while maintaining a mass flow constant. The output of this fluidization system of the Dust is connected to the side tube (4). The focus of the jet of powders is achieved by an annular flow of gas from confinement that is introduced into the system by means of three side tubes (3) connected to a mobile crown (2) of protection. This confinement gas plays the role of provide a working atmosphere independent of the gas of drag In some applications such as welding with input from powder-shaped material or rapid laser prototyping, it is usually desirable to use an inert confinement gas (such as Ar, Ne, He, N_ {2}, etc ...) to prevent oxidation. but at Once the entrainment gas can be reactive. In other applications as in the case of blast cleaning it may be desirable to use of a reactive confinement gas (O2, CO2), etc. ...) to facilitate the cleaning process.

La corona móvil (2) se conecta a un cuerpo intermedio (8) por medio de un sistema de rosca que permite adaptar la posición relativa de la corona móvil (2) con respecto al cuerpo central (1) pudiendo así modificar el diámetro del foco y la distancia focal del chorro de partículas. Un elemento fundamental en esta boquilla focalizadora para inyección de polvos objeto de la presente invención es el elemento alineador (5) que se dispone en la parte posterior del aparato. En este elemento alineador (5) se aloja un pequeño láser de HeNe o un láser de diodo (no mostrados en la figura). Previamente a la utilización de la boquilla debe procederse al alineado del propio láser de HeNe o de diodo con los restantes elementos de la boquilla. Esto se consigue por medio de los dos tornillos micrométricos (6) dispuestos sobre el elemento alineador (5). El elemento alineador (5) se conecta al resto de la boquilla por medio de un elemento acoplador (7) que permite el paso del haz láser de alineamiento a la vez que sella la salida de polvos hacia la parte posterior. Para ello este elemento acoplador (7) debe ser construido de un material (como el metacrilato, vidrio, cuarzo sintético, etc ...) que permita el paso del haz láser pero que impida el paso de los polvos a su través y, a la vez, presente la suficiente consistencia mecánica. De este modo el haz láser de alineamiento permite dirigir el chorro de polvo sobre el punto deseado y en la dirección deseada.The mobile crown (2) is connected to a body intermediate (8) by means of a thread system that allows adapting the relative position of the movable crown (2) with respect to the body central (1) thus being able to modify the diameter of the focus and the focal length of the particle stream. A fundamental element in this focusing nozzle for powder injection object of the The present invention is the alignment element (5) which is arranged in the back of the device In this alignment element (5) houses a small HeNe laser or a diode laser (not shown in the figure). Prior to the use of the nozzle must proceed to align the own HeNe or diode laser with the remaining nozzle elements. This is achieved through the two micrometric screws (6) arranged on the element aligner (5). The alignment element (5) is connected to the rest of the nozzle by means of a coupling element (7) that allows the passage of the alignment laser beam while sealing the output of dusts to the back. For this, this coupling element (7) must be constructed of a material (such as methacrylate, glass, synthetic quartz, etc ...) that allows the passage of the beam laser but that prevents the passage of dusts through it and, to the Once, present enough mechanical consistency. In this way the alignment laser beam allows the powder jet to be directed over the desired point and in the desired direction.

A modo de ejemplo, mediante la boquilla que se acaba de describir, se obtuvo un chorro focalizado de partículas de fosfato cálcico con un foco situado a 10 mm de la salida de la boquilla, un diámetro del chorro en el foco de 1,8 mm, utilizando para ello Ar como gas de arrastre de las partículas de polvo con un flujo de 40 l/min (6, 67 x 10^{-4} m^{3}/s) y Ar como gas de confinamiento con un flujo de 10 l/min (1,67 x 10^{-4} m^{3}/s). Estas mediciones fueron hechas por medio de un equipo de velocimetría de partículas por imagen.As an example, using the nozzle that just described, a focused jet of particles of calcium phosphate with a focus located 10 mm from the exit of the nozzle, a diameter of the jet in the focus of 1.8 mm, using for this purpose, Ar as the entrainment of the dust particles with a flow of 40 l / min (6, 67 x 10-4 m 3 / s) and Ar as gas of confinement with a flow of 10 l / min (1.67 x 10-4 m3 / s). These measurements were made by means of a team of particle velocimetry per image.

Claims

1. Powder injection focusing nozzle, which being specially designed to allow the powder jet to be focused, modify the diameter of the jet focus, modify its focal length, align said jet, select its direction and provide a working atmosphere independent of gas of dragging of the powders, it is characterized in that it is constituted from a central body (1), provided with an axial hole through which the injection of the powder flow occurs, establishing on said central body (1) a moving crown of protection (2), mounted on an intermediate body (8) that allows positional adjustment of the movable crown (2) with respect to the central body (1) to modify the diameter of the focus and the focal distance of the jet of particles, the hole being axial of the central body (1) fed through a side tube (4) from the corresponding powder fluidization system, while to the chamber defined between the central body (1), the intermediate body (8) and the movable crown (2) access the confinement gas through a series of lateral tubes (3) that cross the intermediate body (8).

2. Focus nozzle for powder injection, according to claim 1, characterized in that the central body (1) is coaxially coupled and subsequently an aligner (5), intended to receive the laser generator inside it, positionally controllable with the collaboration of micrometric screws (6).

3. Focus nozzle for powder injection, according to previous claims, characterized in that the aligner (5) is fixed to the central body (1) with the collaboration of a coupler (7), of an appropriate material to allow the passage of the laser beam and to seal the powder outlet towards the back, such as methacrylate, glass, synthetic quartz or other similar material of sufficient mechanical consistency.