ES2880440T3 - Equipo de deposición multicámara para fabricación de un sólido de forma libre - Google Patents
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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Abstract
Un sistema (100) de cámara para la fabricación de un sólido de forma libre que comprende: uno o más cámaras (110, 120) de carga/descarga controladas de forma independiente; una cámara (130) de deposición controlada de forma independiente, la cámara (130) de deposición que incluye un aparato (150) de deposición y un actuador (131) para controlar la posición y el movimiento de un material base; una o más puertas (111, 112, 121, 122) que conectan la cámara (130) de deposición con cada una de la una o más cámaras (110, 120) de carga/descarga; y una cámara (140) de servicio controlada de forma independiente conectada a la cámara (130) de deposición, la cámara (140) de servicio dimensionada para albergar al aparato (150) de deposición, y que está alineada con la cámara (130) de deposición, el aparato (150) de deposición y una alimentación (160) de alambre al aparato (150) de deposición de tal manera que el aparato (150) de deposición se puede mover dentro y fuera de la cámara (140) de servicio sin retirar o doblar la alimentación (160) de alambre.
Description
DESCRIPCIÓN
Equipo de deposición multicámara para fabricación de un sólido de forma libre
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método y a una disposición para la producción de objetos mediante la fabricación de un sólido de forma libre, en especial objetos de titanio y aleación de titanio.
Antecedentes de la invención
Partes de metal que tienen tolerancias dimensionales precisas pueden estar hechas de titanio o aleaciones de titanio, se fabrican convencionalmente por fundición, forja o mecanizado de una palanquilla. Estas técnicas pueden requerir grandes plazos de entrega o un uso de material alto de un metal de titanio caro o ambos, en la fabricación de la parte de metal.
Los objetos físicos totalmente densos pueden ser fabricados por una tecnología de producción conocida como prototipado rápido, producción rápida, producción estratificada, fabricación del sólido de forma libre (SFFF), fabricación aditiva, producción aditiva e impresión en 3D. Esta técnica emplea un software de diseño asistido por ordenador (CAD) para construir primero un modelo virtual del objeto que se va a fabricar y después transformar el modelo virtual en rebanadas paralelas delgadas o capas, normalmente orientadas de forma horizontal. El objeto físico se puede fabricar por tanto colocando sucesivas capas de material en bruto en forma de líquido, pasta, polvo u otra forma que se pueda disponer en capas, que se pueda extender o forma fluida, tal como un metal fundido, por ejemplo, a partir de un alambre de soldadura fundido o preformado como un material de chapa que se asemeja a la forma de las capas virtuales hasta que se forma el objeto completo. Las capas se pueden derretir entre sí para formar un objeto denso sólido.
La fabricación de un sólido de forma libre es una técnica de manufactura en capas flexible que permite la creación de objetos de casi cualquier tamaño a velocidades de producción relativamente rápidas, normalmente variando de algunos minutos a varios días para cada objeto. La técnica por tanto es adecuada para la formación de prototipos y series de producción pequeñas y se puede escalar para la producción en masa.
La técnica de producción en capas puede expandirse para incluir la deposición de piezas del material de construcción, es decir, cada capa estructural del modelo virtual del objeto se divide en un conjunto de piezas que cuando se colocan una al lado de la otra forman la capa. Esto permite la formación de objetos metálicos mediante soldadura de un alambre sobre un sustrato en sucesivas bandas que forman cada capa de acuerdo con el modelo en capas virtual del objeto y repitiendo el proceso para cada capa hasta que se forma el objeto físico completo. La precisión de la técnica de soldadura es normalmente demasiado basta para permitir la formación de forma directa del objeto con dimensiones aceptables. El objeto formado por tanto se considerará normalmente un objeto verde o preforma que necesite ser mecanizado a una precisión dimensional aceptable.
Taminger y Hafley (“Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net Shape Manufacturing (Fabricación de forma libre con haz de electrones para una producción conformada casi neta rentable)” NATO/RTOAVT-139 Specialists' Meeting on Cost Effective Manufacture via Net Shape Processing (Reunión de especialistas en producción rentable a través de un procesamiento de forma de red) (Amsterdam, Países Bajos, 2006) (NATO)) divulga un método y un dispositivo para la producción estructural de partes de metal directamente a partir de datos de diseño asistido por ordenador combinados con fabricación de forma libre de haz de electrones (EBF). La parte estructural es construida mediante soldadura en capas sucesivas de un alambre de soldadura metálico que se suelda mediante la energía térmica proporcionada por el haz de electrones. El proceso EBF incluye la soldadura de un alambre de metal dentro de un baño de fusión realizado y mantenido por un haz de electrones enfocado en un entorno de alto vacío. El posicionamiento del haz de electrones y del alambre de soldadura se obtiene teniendo la pistola de haz de electrones y el actuador que soporta el sustrato articulados de forma móvil a lo largo de uno o más ejes (X, Y, Z, y rotación) irregular la posición de la pistola de haz de electrones y del sustrato de soporte mediante un sistema de control de movimiento de cuatro ejes. El proceso se informa que tiene casi un 100% de eficiencia en el uso de material y un 95% de efectividad en el uso de energía. El método se puede emplear tanto para una deposición de metal en bruto como para deposiciones detalladas más delgadas y el método es reivindicado para obtener un efecto significativo en la reducción del tiempo de entrega y un menor material y costes de mecanizado en comparación con el enfoque convencional de mecanizado de las partes de metal. La tecnología de haz de electrones tiene la desventaja de ser dependiente de un alto vacío de 10-1 Pa o menos en la cámara de deposición.
Se conoce (por ejemplo, véase Adams, publicación de solicitud de patente estadounidense No. 2010/0193480) utilizar un soplete de soldadura TIG para construir objetos mediante SFFF, donde las capas sucesivas de un material de materia prima metálica con baja ductilidad se aplican en un sustrato. Una corriente de plasma se crea proporcionando energía a un gas que fluye utilizando un electrodo de arco, el electrodo de arco que tiene una corriente de magnitud variable suministrada al mismo. La corriente de plasma es dirigida a una región objetivo predeterminada para precalentar la región objetivo predeterminada antes de la deposición. La corriente se ajusta y el material de materia prima se introduce en la corriente de plasma para depositar materia prima fundida en la región objetivo predeterminada. La corriente se ajusta y la materia prima fundida se enfría lentamente a una temperatura elevada, normalmente por
encima de la temperatura de transición de frágil a dúctil del material de materia prima, en una fase de enfriamiento para minimizar la existencia de tensiones de material.
Withers y otros (publicación de solicitud de patente estadounidense No. 2006/185473) también describe el uso de un soplete TIG en lugar de láser caro utilizado tradicionalmente en un proceso de fabricación del sólido de forma libre (SFFF) con un material de alimentación de titanio relativamente de bajo coste combinando la alimentación de titanio y los componentes de aleación de una manera que reduce de forma considerable el coste de los materiales en bruto. Withers y otros también describen el uso de un material de esponja de titanio mezclado con elementos de aleación formados en un alambre donde se puede utilizar en un proceso de SFFF en combinación con un soplete de soldadura por plasma u otros haces de energía de alta potencia para producir componentes de titanio conformado casi neto.
Abbott y otros (WO 2006/133034, 2006) describe un proceso de deposición directa de metal utilizando un proceso híbrido de láser/arco para fabricar formas tridimensionales complejas que comprende las etapas de proporcionar un sustrato y depositar la primera capa de metal fundido sobre el sustrato de una materia prima metálica utilizando radiación láser y un arco eléctrico. El arco eléctrico en una soldadura por arco metálico con gas se puede proporcionar utilizando la materia prima metálica como un electrodo. Abbott y otros, enseña que el uso de una radiación láser en combinación con una soldadura por arco metálico con gas estabiliza el arco y proporciona supuestamente tasas de deposición más altas. Abbott y otros utiliza un electrodo consumible guiado por y que sale de una vía de alambre. El metal del electrodo consumible es fundido en el extremo y el metal fundido se deposita mediante el posicionamiento del extremo sobre el punto de deposición. El calor requerido para fundir el electrodo consumible es suministrado por un arco eléctrico que se expande entre la punta del electrodo y el sustrato de la pieza de trabajo/deposición y mediante un láser que irradia el área de deposición. La soldadura mediante fusión de un electrodo consumible calentado por un arco eléctrico es conocida como soldadura por arco metálico con gas (GMAW) la cual en el caso de utilizar gases no reactivos para producir el arco también se denomina como soldadura de metal con gas inerte (soldadura MIG).
Herzog (DE 102004057866) divulga una carcasa para una cámara de trabajo donde la cámara de trabajo se puede mover en raíles desde una posición (15) de trabajo, donde se expone a una fuente (10) de radiación de escaneado hasta una posición (16) de descarga inferior donde es accesible (17) desde arriba. En la posición de trabajo la cámara se puede elevar para hacer sellado contra una tapa a través de muelles de compresión. La parte delantera de la posición de trabajo contiene el panel (25) de operación con una pantalla (26) y un teclado (27). Una caja de guantes se puede montar sobre la abertura (17) de acceso para conservar el gas protector utilizado en la cámara de trabajo. Una segunda estación de descarga se puede colocar en el otro lado de la posición (15) de trabajo de forma opcional también provista de una caja de guantes.
Migronet y otros (US 2015/069668) divulga un sistema de construcción de componentes multidimensional de ejemplo que incluye una primera cámara que tiene al menos una base dispuesta en la misma, una segunda cámara adyacente a y en comunicación fluida con la primera cámara a través de una primera puerta, y una tercera cámara adyacente a y en comunicación fluida con la segunda cámara a través de una segunda puerta. La segunda cámara está sellada de forma fluida de la primera cámara si la primera puerta está en una posición cerrada. La segunda cámara está configurada para recibir la al menos una base a través de un mecanismo de transferencia si los parámetros de fluido de la primera cámara son aproximadamente iguales a los parámetros de fluido de la segunda cámara. La segunda cámara incluye una fuente de calor directa y un material de acumulación configurado para formar un componente en la al menos una base mediante fundición o sinterización. La tercera cámara está sellada de forma fluida de la segunda cámara si la primera puerta está en una posición cerrada. La tercera cámara está configurada para recibir la al menos una base, que tiene un componente formado dispuesto sobre la misma, a través de un segundo mecanismo de transferencia si la segunda puerta está en una posición abierta. Los parámetros de fluido de la segunda cámara no se ven afectados de forma sustancial por la comunicación fluida con la primera cámara o la tercera cámara.
Fey y Heugel (DE 102013223411) enseña un sistema (1) modular para producir un objeto (2) tridimensional mediante la aplicación de un material (13) de acumulación en polvo en capas y mediante la solidificación de forma selectiva, este último contiene un primer módulo (30, 34-36; 40, 41) que es adecuado para llevar a cabo una primera operación que sirve para producir el objeto (2) tridimensional y al menos un segundo y un tercer módulo (30, 34-36; 40, 41) que son adecuados para llevar a cabo operaciones adicionales que sirven para producir el objeto (2) tridimensional. El primer y tercer módulos (30, 34-36; 40, 41) están configurados de tal manera que el segundo y tercer módulo, o ambos, se pueden conectar de forma selectiva e intercambiable al primer módulo de tal manera que sus carcasas están acopladas directamente entre sí.
Albarado (US 2007/052543) divulga un recinto construido alrededor de un área en la cual se va a realizar un trabajo en caliente en una instalación que contiene un material inflamable o combustible. El trabajo en caliente incluye cosas tales como soldadura, corte por soplete, trituración y similares. Las instalaciones incluyen plataformas de perforación y producción de petróleo, tanques de petróleo, plantas de petróleo y químicas y granjas de tanques de petróleo. Se utilizan aparatos de monitorización de detección de gas con el recinto los cuales apagarán de forma automática simultáneamente uno o más recintos.
Twelves y otros (US 2010/305742) enseña una celda de producción aditiva integrada (IAMC) que combina tecnologías de producción convencionales con procesos de producción aditiva, se divulga. Las IAMC pueden estar configuradas y optimizadas para familias de partes específicas de componentes complejos u otras aplicaciones industriales. Las
IAMC incorporan características que reducen el coste del equipo y el tiempo y que permite una personalización de aleación local para la optimización de las propiedades de material en componentes complejos.
El metal de titanio o las aleaciones de titanio calentados por encima de 400 °C pueden estar sujetos a oxidación tras el contacto con el oxígeno. Por tanto es necesario proteger la soldadura y el objeto calentado que está siendo formado mediante la producción en capas contra el oxígeno en la atmósfera ambiente. El documento WO 2009/068843 divulga un escudo de gas inerte para soldadura que produce un flujo de salida uniforme del gas inerte de protección. Mediante la colocación del escudo por encima del objeto que necesita ser protegido, el flujo uniforme de gas inerte desplazará a la atmósfera ambiente sin crear vórtices que pueden arrastrar el gas que contiene oxígeno ambiente. El escudo puede estar formado de una caja hueca de la cual el gas inerte entra en el interior y se permite que escape del interior de la caja a través de un conjunto de aberturas estrechas realizadas en una pared de la caja. Otra solución para evitar la oxidación de titanio es realizar el proceso de deposición bajo vacío.
Para los procesos anteriores, el aparato utilizado a menudo incluye una sola cámara que se requiere que se evacue o en la cual la atmósfera se debe reemplazar cada vez que se cargue o se descargue y antes de que se inicie la deposición. Tipos similares de aparatos de una sola cámara también se utilizan en procesos de revestimiento y calentamiento. Algunos ejemplos incluyen los divulgados en la patente estadounidense No. 4,328,257 que divulga un aparato de una sola cámara utilizado para el revestimiento por plasma. La publicación de solicitud de patente estadounidense No. 2005/0173380 divulga una cámara de vacío única equipada de una pistola de haz de electrones utilizada para lograr la deposición. La publicación de solicitud de patente estadounidense No. 2002/0139780 divulga un aparato de una sola cámara utilizado para deposición por soldadura.
Un problema que se va a bordar es la velocidad del proceso de deposición y los gastos que resultan de la evacuación de la cámara cada vez que se carga o se descarga un nuevo sustrato. También, durante la deposición de arco de plasma, es importante poder controlar la temperatura de la cámara y del equipo para evitar el sobrecalentamiento. Se debe lograr el control de temperatura al tiempo que se evita que el metal de titanio o las aleaciones de titanio se calienten por encima de 400 °C mientras están sujetas a oxidación evitando el contacto con el oxígeno.
Existe una necesidad, por lo tanto, de un sistema de deposición de cámara que proporcione procesos más eficientes y rentables que aborde uno o más de los problemas anteriores. Esto puede llevar además a una productividad y rendimiento mayores de los productos formados por deposición metálica directa sin riesgo de oxidación.
Resumen de la invención
Un objetivo de la presente invención es proporcionar un aparato que permita una productividad y un rendimiento mayores de productos formados utilizando una deposición de metal directa o SFFF sin tener que gastar tiempo y gato para reemplazar la atmósfera en la cámara de deposición en cada vez que sea necesario un servicio del aparato de deposición o cada vez que se cargue un sustrato de soporte o se descargue una pieza de trabajo desde la cámara de deposición.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un aparato que permita una producción en capas rápida de objetos de titanio o aleaciones de titanio.
Esta invención aborda las necesidades de un método mejorado económico para la realización de una deposición metálica directa. Esta invención además aborda la necesidad de un método de una productividad y rendimiento mayores de partes formadas por una deposición metálica directa.
En el presente documento se proporciona un sistema de cámara para una fabricación de un sólido de forma libre que tiene una o más cámaras de carga/descarga controladas de forma independiente. El sistema de cámara incluye al menos una cámara de deposición controlada de forma independiente, la cámara de deposición que incluye un aparato de deposición y un actuador que controla la posición y el movimiento del material base. Una o más puertas conectan la cámara de deposición con cada una de la una o más cámaras de carga/descarga. Una cámara de servicio controlada de forma independiente se conecta a la cámara de deposición, la cámara de servicio está dimensionada para albergar el aparato de deposición.
Cada una de la una o más cámaras de carga/descarga incluye una o más puertas que proporcionan acceso a la cámara de carga/descarga. Un sistema de transporte o similar se puede ubicar en el interior de cada cámara de carga/descarga. También, cada cámara de carga/descarga puede estar equipada de una o más ventilaciones. Una o más ventilaciones se pueden ubicar en una porción superior de la cámara de carga/descarga y una o más ventilaciones se pueden ubicar en la porción inferior de la cámara de carga/descarga. La una o más ventilaciones ubicadas en la porción superior se pueden conectar de forma operativa a una bomba de vacío y a un suministro de aire. La una o más ventilaciones ubicadas en la porción inferior se pueden conectar de forma operativa a una bomba de vacío y a una fuente de gas inerte o de mezcla de gases inertes. Dos cámaras de carga/descarga pueden tener una pared
compartida entre las mismas. También, cada una de las dos cámaras de carga/descarga puede incluir una pared común con una cámara de deposición.
La cámara de deposición también puede incluir una o más ventilaciones ubicadas en una porción superior de la cámara de deposición y una o más ventilaciones ubicadas en una porción inferior de la cámara de deposición. Como las cámaras de carga/descarga, una o más ventilaciones ubicadas en la porción superior se pueden conectar de forma operativa a una bomba de vacío y a un suministro de aire y una o más ventilaciones ubicadas en la porción inferior se pueden conectar de forma operativa a una bomba de vacío y/o una fuente de gas inerte o de una mezcla de gases inertes. La cámara de deposición también puede incluir uno o más portales de visualización. La cámara de deposición puede incluir un sistema de recirculación que tiene un ventilador y un intercambiador de calor.
La cámara de servicio se alinea con la cámara de deposición y el aparato de deposición de tal manera que el aparato de deposición puede moverse dentro y fuera de la cámara de servicio sin retirar o doblar el alambre del sistema de alimentación de alambre. La cámara de servicio también puede incluir una o más ventilaciones en una porción superior de la cámara de servicio y una o más ventilaciones en una porción inferior de la cámara de servicio. La una o más ventilaciones ubicadas en la porción superior se pueden conectar de forma operativa a una bomba de vacío y a un suministro de aire y la una o más ventilaciones ubicadas en la porción inferior se pueden conectar de forma operativa a una bomba de vacío y a una fuente de gas inerte o de una mezcla de gases inertes. La cámara de servicio puede incluir un portal de acceso. La cámara de servicio también puede incluir un conjunto de guantes.
También se proporcionan en el presente documento métodos de funcionamiento de un sistema de cámara para SFFF. Los métodos de funcionamiento de un sistema de cámara para una fabricación del sólido de forma libre incluyen reemplazar de forma independiente de la atmósfera en la cámara de deposición de un sistema de cámara con una atmósfera inerte; transferir un primer sustrato de soporte en un actuador ubicado en el interior de la cámara de deposición mientras se mantiene la atmósfera inerte en la cámara de deposición; realizar una fabricación del sólido de forma libre para formar una primera pieza de trabajo; y transferir la primera pieza de trabajo fuera de la cámara de deposición mientras se mantiene la atmósfera inerte en la cámara de deposición. El sistema de cámara incluye al menos dos cámaras de carga/descarga y una cámara de servicio, cada una de las dos cámaras de carga/descarga y la cámara de servicio que están en comunicación con la cámara de deposición a través de una o más puertas independientes. Cada una de, la cámara de deposición, la primera y segunda cámaras de carga/descarga y la cámara de servicio se pueden controlar de forma independiente. La una o más puertas en cada una de, la cámara de deposición, la primera y segunda cámaras de carga/descarga y la cámara de servicio se pueden controlar utilizando uno o más sensores. La fabricación del sólido de forma libre se puede detener si uno o más sensores detectan que al menos una puerta no está cerrada sellada de forma apropiada.
Los métodos también pueden incluir cargar un primer sustrato de soporte en un transportador ubicado en el interior de una primera cámara de carga/descarga; reemplazar la atmósfera en la primera cámara de carga/descarga con la misma atmósfera inerte que en la cámara de deposición; y mantener la atmósfera en el interior de la primera cámara de carga/descarga durante la transferencia del sustrato de soporte en el actuador y durante la fabricación del sólido de forma libre. El método también puede incluir cargar un segundo sustrato de soporte en un transportador de una segunda cámara de carga/descarga mientras se mantiene la atmósfera inerte en la primera cámara de carga/descarga; reemplazar la atmósfera de la segunda cámara de carga/descarga con la misma atmósfera inerte que en la cámara de deposición. La primera pieza de trabajo se puede descargar mediante la transferencia de la misma fuera de la cámara de deposición y dentro de la primera cámara de carga/descarga mientras se mantiene la atmósfera inerte en la primera cámara de carga/descarga; sellar la primera cámara de carga/descarga de la cámara de deposición; reemplazar la atmósfera inerte en la primera cámara de carga/descarga con aire ambiente; y descargar la pieza de trabajo de la cámara de carga/descarga. Después de sellar la primera cámara de carga/descarga de la cámara de deposición, un segundo sustrato de soporte se puede transferir desde una segunda cámara de carga/descarga en el actuador mientras se mantiene la atmósfera inerte en la cámara de deposición.
Características y ventajas adicionales de la invención se establecerán en la descripción siguiente, y en parte serán evidentes a partir de la descripción o se pueden aprender mediante la práctica de la invención. Los objetivos y otras ventajas de la invención se realizarán y se alcanzan mediante la estructura remarcada de forma particular en la descripción escrita y las reivindicaciones de la misma así como en los dibujos adjuntos.
Se debe entender que tanto la descripción general anterior como la descripción detallada siguiente son a modo de ejemplo y explicativas y están destinadas a proporcionar una explicación adicional de la invención como se reivindica.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, que se incluyen para proporcionar una comprensión adicional de la invención y se incorporan y constituyen una parte de la memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y junto con la descripción sirven para explicar los principios de la invención.
En los dibujos:
La figura 1 es una vista superior esquemática ilustrativa de un sistema de cámara de acuerdo con un modo de realización de ejemplo en el cual el aparato de deposición está ubicado dentro de la cámara de deposición.
La figura 2 es una vista superior esquemática ilustrativa de un sistema de cámara de acuerdo con un modo de realización de ejemplo en el cual el aparato de deposición está ubicado en el interior de la cámara de servicio.
La figura 3 es una vista esquemática de un sistema de recirculación que se puede utilizar para enfriar la atmósfera de una cámara, por ejemplo la cámara de deposición.
La figura 4 es una vista esquemática de una disposición de ventilaciones en un modo de realización de ejemplo, tal como en la cámara de deposición.
Las figuras 5A y 5B son modos de realización de ejemplo de un mecanismo de transferencia entre una cámara de carga/descarga y la cámara de deposición.
Descripción detallada
A. Definiciones
A menos que se defina de otro modo, todos los términos técnicos y científicos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que el entendido de forma común por un experto en la técnica a la cual pertenece la invención. Todas las patentes, solicitudes de patente, solicitudes publicadas y publicaciones, sitios de Internet y otros materiales publicados referidos a lo largo de toda la divulgación del presente documento, a menos que se señale de otro modo, se incorporan por referencia en su totalidad. En el caso de que haya una pluralidad de definiciones para términos en el presente documento, prevalece en los que están en esta sección. Cuando se haga referencia a una URL u otro identificador o dirección de este tipo, se entiende que dichos identificadores pueden cambiar y la información particular en Internet puede ir y venir, pero se puede encontrar información equivalente buscando en Internet. La referencia a la misma evidencia la disponibilidad y diseminación pública de dicha información.
Tal y como se utiliza en el presente documento, las formas singulares “un/uno/una” y “el/la/lo” incluyen referentes plurales a menos que el contexto dicte claramente lo contrario.
Tal y como se utiliza en el presente documento, los términos primero, segundo, tercero, etc. se pueden utilizar en el presente documento para describir varios elementos, componentes, regiones capas y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones capas y/o secciones no deberían estar limitados por estos términos. Estos términos pueden ser únicamente utilizados para distinguir un elemento, componente, región, capa o sección de otra región, capa o sección. Términos tales como “primero”, “segundo”, y otros términos numéricos cuando se utilizan en el presente documento no implican una secuencia u orden a menos que se indique de forma clara por el contexto. Por tanto, un primer elemento, componente, región, capa o sección expuesto más abajo podría ser denominado como un segundo elemento, componente, región, capa o sección sin alejarse de las enseñanzas de los modos de realización de ejemplo.
Tal y como se utiliza en el presente documento, rangos y cantidades se pueden expresar como “aproximadamente” un valor o rango particular. “Aproximadamente” también incluye la cantidad exacta. Por tanto, “aproximadamente 5 por ciento” significa “aproximadamente 5 por ciento” y también “5 por ciento”. “Aproximadamente” significa dentro de un error experimental típico para la aplicación o propósito pretendidos.
Tal y como se utiliza en el presente documento, “opcional” o “de forma opcional” significa que el elemento o circunstancia descritos posteriormente suceden o no suceden y que la descripción incluye casos en los que el evento o circunstancia sucede y casos en los que no lo hace. Por ejemplo, un componente opcional en un sistema significa que el componente puede estar presente o puede que no esté presente en el sistema.
Tal y como se utiliza en el presente documento, una “combinación” se refiere a cualquier asociación entre dos términos o entre más de dos elementos. La asociación puede ser espacial o referirse al uso de los dos o más elementos para un propósito común.
Tal y como se utiliza en el presente documento, una “fabricación de sólido de forma libre” se refiere a un prototipado aditivo y un proceso de producción en el cual un objeto tridimensional se forma mediante la adición de forma sucesiva de capas de material para formar el objeto final.
Tal y como se utiliza en el presente documento, el término “pieza de trabajo” se refiere a un cuerpo de metal producido utilizando una fabricación de sólido de forma libre.
Tal y como se utiliza en el presente documento, “SFFF” se refiere a una fabricación de sólido de forma libre.
Tal y como se utiliza en el presente documento, un “soplete de soldadura de arco de plasma” o “soplete de PAW” se refiere a un soplete de soldadura que se puede utilizar en una soldadura de arco de plasma. El soplete está diseñado de manera que un gas puede calentarse a una temperatura alta para formar plasma y se hace eléctricamente conductor, el plasma después transfiere un arco eléctrico a un material base, y el calor intenso del arco puede fundir el metal y/o derretir dos piezas de metal juntas. Un soplete de PAW puede incluir una boquilla para constreñir el arco por lo tanto aumentando la densidad de potencia del arco. El gas de plasma normalmente es argón. El gas de plasma se puede alimentar a lo largo de un electrodo e ionizarse y acelerarse en las proximidades de un cátodo. El arco puede ser dirigido hacia el material base y es más estable que un arco de combustión libre (tal como un soplete de TIG). El soplete de PAW también normalmente tiene una boquilla exterior para proporcionar un gas de escudo. El gas de escudo puede ser argón, helio o combinaciones de los mismos y el gas de escudo ayuda a minimizar la oxidación del metal fundido. La corriente normalmente es de hasta 400 A, y la tensión normalmente está en el rango de aproximadamente 25-35 V (pero puede llegar a aproximadamente 14 kW). Los sopletes de PAW incluyen sopletes de arco transferido de plasma.
El término “soplete de arco transferido de plasma” o “soplete de PTA” tal y como se utiliza de forma intercambiable en el presente documento se refiere a cualquier dispositivo que puede calentar y excitar una corriente de gas inerte a plasma mediante una descarga de arco eléctrico y después transferir el flujo de gas de plasma incluyendo el arco eléctrico fuera a través de un orificio (tal como una boquilla) para formar una pluma constreñida que se extiende fuera del orificio y transfiere el calor intenso del arco a una región objetivo. En modos de realización de ejemplo un soplete de PTA puede funcionar con efectos de 5-6 kW o más altos.
El término “alimentación de alambre” tal y como se utiliza en el presente documento se refiere a un alambre que es alimentado al aparato de deposición que funde la alimentación de alambre durante la fabricación del sólido de forma libre. El término “material de alimentación de alambre” tal y como se utiliza en el presente documento se refiere al material que constituye la alimentación de alambre y puede ser cualquier metal conocido o concebible o aleación metálica que se pueda formar en un alambre y se emplee en un proceso de fabricación del sólido de forma libre para formar un objeto tridimensional. Ejemplos de material es adecuados incluyen, pero no están limitados a: titanio y aleaciones de titanio tales como, por ejemplo, aleaciones Ti-6A1-4V, níquel o aleaciones de níquel.
El término “sustrato de soporte” tal y como se utiliza en el presente documento se refiere a un sustrato objetivo que es cargado primero dentro de las cámaras tras lo cual un material adicional, el mismo o diferente del del sustrato de soporte, se deposita utilizando la técnica de SFFF de fabricación de un sólido de forma libre para formar una pieza de trabajo. En modos de realización de ejemplo, el sustrato de soporte es una capa plana. En modos de realización alternativos, el sustrato de soporte puede ser una parte forjada. En modos de realización alternativos, el sustrato de soporte puede ser un objeto sobre el cual un material adicional se va a depositar. En modos de realización de ejemplo, el sustrato de soporte puede llegar a ser parte de la pieza de trabajo. El material para el sustrato de soporte puede ser un metal o una aleación metálica. En modos de realización de ejemplo, el sustrato de soporte está constituido del mismo metal que el material de alimentación de alambre.
El término “material base” tal como se utiliza en el presente documento se refiere a un material objetivo. Este será el sustrato de soporte cuando se deposita la primera capa de material. Cuando una o más capas de material han sido depositadas horizontalmente sobre el sustrato de soporte, el material base será la capa superior del material metálico depositado en el cual se va depositar una nueva capa de material metálico. El material base y el material depositado pueden ser metales o aleaciones metálicas. En modos de realización de ejemplo, el material base es el mismo que el material de alimentación de alambre.
El término “aparato de deposición” tal y como se utiliza en el presente documento se refiere a cualquier sistema que se puede utilizar para una fabricación del sólido de forma libre. Modos de realización de ejemplo de sistemas de sólido de forma libre incluyen los que utilizan un arco de plasma (PAW), incluyendo un arco transferido de plasma (PTA), una sinterización por láser, un haz de electrones o cualquier combinación de los mismos como una fuente de calor para la soldadura. En modos de realización de ejemplo, el aparato de deposición incluye uno o más sopletes tales como un soplete de PAW, un soplete láser o una pistola o soplete de haz de electrones. En modos de realización de ejemplo, el aparato de deposición incluye uno o más sopletes de arco de plasma transferido. Un soplete de PAW puede tener cualquier configuración capaz de crear un arco eléctrico para calentar y fundir el electrodo consumible, tal como un alambre de metal, tal como un soplete de soldadura por arco metálico con gas (GMAW) o un soplete de gas inerte de tungsteno (TIG), que utiliza de forma particular gases inertes o nobles para constituir el arco. El alambre de metal es utilizado como un electrodo consumible y se funde en el plasma producido por el soplete utilizando el arco eléctrico y el electrodo consumible de fusión se deposita en la superficie de o dentro de un baño de fusión en el material base para añadir a, y para formar, los cuerpos metálicos conformados casi netos o piezas de trabajo. Los dispositivos de láser pueden generar un haz de láser que tenga una suficiente energía térmica para fundir el alambre de metal sobre el material base. Ejemplos de dispositivos de láser adecuados incluyen un láser de granate de aluminio e itrio dopado con neodimio (Nd:YAG), un láser de CO2 , un láser de CO, un láser de diodo acoplado de fibra de iterbio, un láser de Nd:cristal, un láser de ortovanadato e itrio dopado con neodimio (Nd:YVO); un láser de Cr:rubí, un láser de diodo, un láser bombeado de diodo, un láser excimer, un láser de gas, un láser de semiconductor, un láser de estado sólido, un láser de color, un láser de rayos X, un láser de electrón libre, un láser de ion, un láser de mezcla de gas, un láser químico y combinaciones de los mismos. Se prefieren láseres de Nd:YAG y láseres de CO2. Los dispositivos de haz de electrones se pueden utilizar para el calentamiento y fusión del alambre de metal sobre el material base. El dispositivo de haz de electrones se puede situar y disponer para dirigir un haz de electrones en la punta (extremo distal) de un alambre de metal situado por encima del material base, de manera que la energía térmica producida por el haz de electrones del dispositivo de haz de electrones funda el extremo del alambre, formando gotitas de alambre de metal fundido que caen en el material base por debajo del extremo del alambre de metal. El dispositivo de haz de electrones puede tener una salida de potencia variable que se puede ajustar para proporcionar una potencia o una cantidad de energía sustancialmente constantes al alambre de metal en una cantidad que proporciona una velocidad de fusión sustancialmente constante del alambre de metal. Las pistolas de electrones están disponibles comercialmente y se describen en la técnica. La pistola de haz de electrones se puede seleccionar de manera que contenga bobinas electromagnéticas que modulen el haz de electrones. La pistola de haz de electrones puede proporcionar energía en forma de una corriente concentrada de electrones acelerada hacia el alambre de metal. Los electrones se pueden acelerar utilizando un potencial de alta tensión (por ejemplo, mayor de aproximadamente 15 kV, tal como en el rango desde a aproximadamente 15 kV aproximadamente 150 kV) sólo o en combinación con campos magnéticos. Los electrones pueden generarse dentro de la pistola de haz de electrones utilizando uno o más filamentos calentados. La potencia de salida de la pistola de haz de electrones puede controlarse típicamente regulando el flujo de electrones a la pieza de trabajo. Por ejemplo, se puede utilizar una potencia de haz de a aproximadamente 30 kW, pero en general está dentro del rango de aproximadamente 2,5 kW a aproximadamente 10 kW o de aproximadamente 3 kW a aproximadamente 6 kW. La corriente de haz en general es mayor de aproximadamente 100 miliamperios, y puede estar en el rango de aproximadamente 100 miliamperios a aproximadamente 600 miliamperios. La potencia de haz es variable y se genera utilizando una tensión de entrada en el rango de aproximadamente 100 V a aproximadamente 500 V. Una tensión de entrada de ejemplo es de aproximadamente 110 V.
El término “modelo de diseño asistido por ordenador” o modelo de CAD” tal como se utiliza de forma intercambiable en el presente documento se refiere a cualquier representación tridimensional virtual conocida o concebible del objeto que se va a formar que se puede emplear en el sistema de control de la disposición de acuerdo con el segundo aspecto de la invención: para regular la posición y el movimiento del sustrato de soporte y para poner en funcionamiento el soplete de soldadura con el alimentador de alambre integrado de tal manera que se construye un objeto físico derritiendo depósitos sucesivos del material metálico sobre el sustrato de soporte en un patrón lo cual tiene como resultado una constitución de un objeto físico de acuerdo con el modelo tridimensional virtual del objeto. Esto puede, por ejemplo, obtenerse mediante la formación de un modelo en capas vectorizado virtual del modelo tridimensional mediante la división en primer lugar del modelo tridimensional virtual en un conjunto de capas paralelas virtuales y después la división de cada capa paralela en un conjunto de piezas casi unidimensionales virtuales. Entonces, el objeto físico se puede formar acoplando el sistema de control para depositar y derretir una serie de piezas casi unidimensionales (gotitas) de la alimentación de material metálico en el sustrato de soporte en un patrón de acuerdo con la primera capa del modelo en capas vectorizado virtual del objeto. La alimentación de material metálico también puede depositarse como un suministro continuo de gotitas, las cuales pueden formar una cadena o flujo de material metálico. Después, repitiendo la secuencia para la segunda capa del objeto mediante la deposición y el derretido de
una serie de piezas casi unidimensionales del material sol dable sobre la capa depositada previamente en un patrón de acuerdo con la segunda capa del modelo en capas vectorizado virtual del objeto. La repetición continúa durante los procesos de deposición y derretido capa por capa para cada capa sucesiva del modelo en capas de actualizado virtual del objeto hasta que se forma el objeto completo.
Sin embargo, la invención no está limitada a cualquier modelo de CAD específico y/o software informático para poner en funcionamiento el sistema de control de la disposición de acuerdo con la invención ni tampoco la invención está limitada a cualquier tipo específico de sistema de control. Se puede emplear cualquier sistema de control conocido o concebible (modelo de CAD, producción ayudada por ordenador (CAM) sistema o software, software informático, equipo informático y actuadores, etc.) capaces de constituir objetos tridimensionales metálicos mediante una fabricación del sólido de forma libre. En modos de realización de ejemplo, el sistema de control se puede ajustar para poner en funcionamiento de forma separada un primer soplete para precalentar el material base y un segundo soplete para fundir la alimentación de alambre de material metálico en el baño de fusión. El primer soplete puede proporcionar una energía suficiente para precalentar el material base de manera que es receptivo a las gotas fundidas de alambre de metal fundido, es decir, el material metálico fundido se va a depositar. El precalentamiento del material base puede asegurar una masa fundida adecuada al material base mediante el material metálico proporcionado por las gotitas de metal del alambre de metal fundido. El primer soplete facilita el derretido entre el material base y el material metálico fundido profundizando la masa fundida en el material base. En algunos modos de realización, el calentamiento no funde el material base. En modos de realización alternativos, al menos una porción del material base es fundida en primer lugar para hacer el material base más receptivo. En algunos modos de realización, se aplica un calor suficiente por el primer soplete para formar un baño de fusión en el material base en la posición en la cual se va a depositar el material metálico.
B. Conjunto multicámara
Modos de realización de ejemplo se describen más abajo en conjunción con las figuras adjuntas. La siguiente descripción es únicamente ilustrativa y no debería verse como limitativa.
La figura 1 muestra un diagrama de un sistema 100 de cámara de ejemplo que tiene cuatro cámaras 110, 120, 130 y 140. Las cuatro cámaras se pueden conectar entre sí. Por propósitos de descripción las cámaras 110 y 120 se referirán como las cámaras de carga/descarga, la cámara 130 se referirá como la cámara de deposición y la cámara 140 se referirá como la cámara de servicio.
Como implican sus respectivos nombres, las cámaras 110 y 120 de carga/descarga se pueden utilizar para cargar los sustratos de soporte que se van a usar para formar los objetos mediante la fabricación de sólido de forma libre y para descargar las piezas de trabajo formadas. Del mismo modo, la cámara 130 de deposición es una cámara en la cual sucede el proceso de fabricación de sólido de forma libre. En modos de realización de ejemplo, la fabricación de sólido de forma libre se realiza utilizando sopletes de arco transferido de plasma. El aparato de deposición es un aparato de deposición de alimentación de alambre que en un modo de realización de ejemplo emplea dos sopletes de arco transferido de plasma, uno para formar el baño de fusión en un material base dentro del cual cae el metal fundido de la alimentación de alambre y el segundo soplete para fundir el metal de alimentación de alambre. En modos de realización de ejemplo, el material de alimentación de alambre y el material base son los mismos. En modos de realización de ejemplo, el material de alimentación de alambre y el material base son metales o aleaciones metálicas. En modos de realización de ejemplo son el mismo metal o aleación metálica. Metales o aleaciones metálicas de ejemplo para el material de alimentación de alambre y el material base son titanio, aleaciones de titanio, níquel o aleaciones de níquel. Se pueden utilizar otros metales o aleaciones metálicas. La cámara 140 de servicio puede ser una cámara dedicada para el trabajo de mantenimiento en el aparato de deposición.
Aunque se describirán modos de realización ilustrativos que tienen cuatro cámaras, debería entenderse que las cámaras 110 y 120 de carga/descarga podrían reemplazarse mediante una única cámara de carga/descarga. De forma alternativa, se podrían emplear más de dos cámaras de carga/descarga y de forma similar conectadas a la cámara de deposición.
Cada cámara del sistema 100 de cámara puede estar sellada y controlarse de forma independiente. Cada cámara puede estar sellada de las otras cámaras conectadas a la misma. Cada cámara también puede estar sellada de la atmósfera exterior. Cada cámara puede estar separada de otras cámaras o de la atmósfera exterior utilizando una o más puertas de sellado oscilantes o deslizantes. En modos de realización de ejemplo, una puerta puede estar hecha del mismo material que la cámara. En modos de realización alternativos, cada puerta puede estar hecha de un material
de sellado. En modos de realización de ejemplo, independientemente del material del cual esté hecha la puerta, cada puerta puede estar equipada de un miembro de sellado. El miembro de sellado puede ser un anillo, una membrana o una junta. El material de sellado utilizado para el miembro de sellado o la puerta de cámara deberías ser capaz de proporcionar un sellado impermeable a gases. En modos de realización de ejemplo, el material de sellado es cualquier material de sellado de alto vacío. En modos de realización de ejemplo, el material de sellado puede ser poliuretano. En modos de realización alternativos, el material de sellado puede ser uno cualquiera de, caucho de nitrilo, fluorocarbono, silicona, fluorosilicona o un elastómero perfluorado. En modos de realización de ejemplo, puede utilizarse más de un material de sellado para cada miembro de sellado o puerta de cámara. En más modos de realización alternativos, cada puerta puede estar equipada de más de un miembro de sellado. Por ejemplo se pueden colocar dos o tres miembros de sellado en la puerta para mejorar la impermeabilidad a gases.
La atmósfera en cada cámara puede ser evacuada de forma independiente. En algunos modos de realización, cada cámara puede ser evacuada de forma independiente y reemplazada con una atmósfera libre de oxígeno. En algunos modos de realización, cada cámara puede ser evacuada de forma independiente y después llenada con un gas o una mezcla de gases inertes. Cada cámara puede estar equipada de un controlador de flujo individual que puede medir y controlar el flujo de gas dentro de la cámara, tal como un controlador de flujo de masa o un controlador de flujo volumétrico. También, la temperatura en cada cámara se puede monitorizar, controlar y mantener de forma independiente. La presión en cada cámara puede también ser monitorizada, controlada y mantenida de forma independiente. En modos de realización en los cuales se llena una cámara con un gas inerte, tal como argón, la presión de la cámara se mantiene de forma preferible por encima de la presión atmosférica. En modos de realización de ejemplo, la presión de la cámara llenada con un gas inerte se mantiene a aproximadamente de 1 a 6 milibar por encima de la presión atmosférica. Mantener la presión de una cámara por encima de la presión atmosférica ayudará a prevenir que el oxígeno u otros gases del exterior de la cámara se fuguen dentro de la cámara. Se puede utilizar cualquier gas inerte para formar una atmósfera inerte. En modos de realización de ejemplo, el gas inerte utilizado es más pesado que el aire. Un gas inerte de ejemplo es el argón. Se pueden utilizar otros gases inertes también, solos o en combinación. En algunos modos de realización, se puede utilizar una mezcla de gases en lugar de un único gas. Por ejemplo, se puede utilizar una mezcla de argón con cualquiera de helio, neón, xenón o kriptón. Otros posibles gases que se pueden utilizar solos o en una mezcla incluyen xenón y kriptón.
Por propósitos de esta memoria descriptiva, los términos “pesado” o “más pesado” que se refieren a un gas, una mezcla de gases o la atmósfera y los términos “ligero” o “más ligero” que también se refieren a un gas, una mezcla de gases o a la atmósfera también se utilizan para distinguir entre cualquier dos tipos de atmósferas que pueden utilizarse en las cámaras descritas en el presente documento. Como se ejemplifico anteriormente, un gas pesado o más pesado es argón o una mezcla de argón con helio cuando se compara con una atmósfera más ligera tal como el aire. Sin embargo, este emparejamiento es únicamente a modo de ejemplo y no debería verse como limitativo. También, aunque en el presente documento se describen las ventilaciones en términos de ventilaciones de gas pesado y de ventilaciones de gas ligero, debería entenderse que dos atmósferas que son iguales o muy próximas en peso podrían utilizarse en cuyo caso se podría utilizar cualquier ventilación para inyectar o evacuar cualquier atmósfera.
En modos de realización de ejemplo, cuando no se llena con un gas inerte o durante el proceso de llenado de una cámara con un gas inerte o durante el proceso de evacuación de una cámara de un gas inerte se puede mantener la cámara a presión atmosférica. En modos de realización alternativos, cuando no se llena con un gas inerte, una cámara puede mantenerse en condiciones de vacío. También, cuando se llena una cámara con un gas inerte o cuando se evacúa una cámara de un gas inerte, la presión en esa cámara puede ser cualquiera por encima o por debajo de la presión atmosférica.
Cada cámara en el sistema 100 de cámara puede estar hecha de cualquier material adecuado que pueda soportar las condiciones de presión y de temperatura de la cámara. Por ejemplo, el material utilizado para formar la cámara 130 de deposición debería soportar las condiciones de presión y de temperatura del proceso de fabricación del sólido de forma libre llevado a cabo en esa cámara. En modos de realización de ejemplo las cámaras están hechas de metal. Por ejemplo, las cámaras pueden estar hechas de metal de aluminio o de aleación de aluminio. En un modo de realización alternativo, las cámaras pueden estar hechas de acero. Se puede utilizar cualquier acero. Aceros de ejemplo incluyen acero de bajo carbono, acero de aleación baja, acero de alto carbono, acero inoxidable, acero inoxidable de la serie 300, acero inoxidable de la serie 400, acero inoxidable austenítico, aceros ferríticos de alto Cr y aceros de Cr-Mo. En más modos de realización alternativos, las cámaras pueden estar hechas de una combinación de metales. Las paredes de metal pueden estar conectadas de forma apropiada a tierra para reducir el riesgo de generación de descargas estáticas o para minimizar el riesgo de descarga eléctrica en caso de cualquier mal funcionamiento del equipo.
En modos de realización preferidos, las cámaras se mantienen justo por encima de la presión atmosférica, por tanto un material adecuado puede incluir un material que sea capaz de al menos mantener la integridad física al menos a la presión atmosférica o a una presión que vaya de aproximadamente 1-20 milibar por encima de la presión atmosférica o de aproximadamente 1-10 milibar por encima de la presión atmosférica o aproximadamente 2-8 milibar por encima de la presión atmosférica. De forma preferible, el material utilizado para las cámaras también será capaz de mantener la integridad física por debajo de la presión atmosférica, tal como por debajo del vacío. En dichos modos de realización, el material utilizado debería ser capaz de mantener la integridad física a una presión que está por debajo de la presión atmosférica, en particular por debajo de las condiciones de vacío utilizadas.
Cualquier cámara del sistema 100 de cámara también puede estar equipada de uno o más portales de visualización de manera que permita a un operario ver el funcionamiento interior. En modos de realización de ejemplo, los portales de visualización pueden ser ventanas. La descripción del presente documento se referirá a portales de visualización como ventanas, sin embargo, esto no debería contemplarse como limitativo ya que se puede implementar cualquier tipo de portal de visualización en el presente documento. En modos de realización de ejemplo, la cámara 130 de deposición puede tener una ventana grande en al menos un lado de manera que permita a un operario ver el proceso de fabricación en curso. También, en un modo de realización preferido la cámara 140 de servicio también puede estar equipada de al menos una ventana grande para permitir a un operario ver el aparato 150 de deposición cuando está en el interior de la cámara 140 de servicio. La una o más ventanas pueden estar hechas de cualquier material transparente adecuado que pueda soportar las condiciones de presión y de temperatura de la cámara. Por ejemplo, el material utilizado para formar la ventana en la cámara 130 de deposición debería soportar las condiciones de presión y de temperatura del proceso de fabricación del sólido de forma libre llevado a cabo en esa cámara. En modos de realización de ejemplo, el material utilizado para la ventana en una cualquiera o más de las cámaras es un material acrílico. En modos de realización de ejemplo, las ventanas están hechas de poli(metil metacrilato). De forma alternativa, el material de ventana puede ser un cristal. En modos de realización de ejemplo, las ventanas están hechas de cristal de silicato a base de sosa y cal. El cristal puede estar revestido con una o más capas de óxido metálico transparente que puede reflejar longitudes de onda seleccionadas de una radiación electromagnética. En algunos modos de realización, el cristal puede reflejar una radiación electromagnética infrarroja. En algunos modos de realización, el cristal puede reflejar una radiación electromagnética ultravioleta. El cristal puede estar presente en una única capa o se puede utilizar una pluralidad de capas de cristal. En algunos modos de realización, están presentes al menos dos capas de cristal, separadas por un espacio. El espacio entre las dos capas de cristal puede estar relleno de un gas inerte. En algunos modos de realización, el espacio entre las dos capas de cristal está relleno de argón. Esta configuración puede bloquear que se transmita a aproximadamente hasta un 85% de la radiación ultravioleta a través de la ventana. En algunos modos de realización, están presentes al menos dos capas de cristal y una capa intermedia de películas de polímero presente entre las dos capas de cristal que forman un cristal laminado. La película de polímero puede ser de cualquier material polimérico, tal como polivinilbutiral (PVB), acetato de vinilo etileno (EVA). El cristal laminado puede bloquear que se transmita casi un 100% de la radiación ultravioleta a través de la ventana.
De forma alternativa, el material de ventana puede ser un polímero termoplástico. Por ejemplo, el material puede ser un policarbonato, un acrílico o un tereftalato de polietileno. El termoplástico puede estar presente como una única capa o dos o más hojas se pueden fabricar para incluir un espacio entre las hojas, el cual se puede de forma opcional rellenar con argón o se puede preparar una ventana de plástico laminada incluyendo una capa intermedia de película de polímero entre dos hojas de polímero termoplástico. El material utilizado para la una o más ventanas de una cámara puede ser el mismo o diferente del material utilizado para la una o más ventanas de cualquier otra cámara. También, se pueden constituir diferentes ventanas de una cámara del mismo o diferentes materiales.
En modos de realización de ejemplo, una o más cámaras pueden estar equipadas de uno o más dispositivos de visualización. Dispositivos de visualización de ejemplo pueden ser cámaras de video. El video capturado por la una o más cámaras se puede grabar. El video también se puede retransmitir en vivo. Pantallas de video que reproducen el video, en modo en vivo o grabado pueden proporcionarse en el exterior de la respectiva cámara desde la cual se capturó el video. El video se puede ver en un monitor próximo a la cámara desde el cual se capturó el video. El video se puede ver en un monitor ubicado en una ubicación remota desde la cámara en la cual se capturó el video. También se puede utilizar cualquier combinación de disposiciones de visualización de videos descritas anteriormente.
Cada cámara también puede estar equipada de uno o más elementos de emisión de luz tales como fuentes de luz visible para iluminar la cámara. Estas pueden proporcionar una iluminación en el interior de la una o más cámaras de manera que proporcionan una mejor visibilidad. Se puede obtener un nivel de brillo uniforme en la cámara situando los elementos de emisión de luz de forma simétrica alrededor de la cámara. El uno o más elementos de emisión de luz pueden ser cualquier dispositivo de emisión de luz adecuado. Por ejemplo, el elemento de emisión de luz puede
incluir accesorios de iluminación. Ejemplos adicionales pueden incluir dispositivos de diodo emisor de luz, luces de neón, bombillas de luz incandescente o fluorescente o cualquier combinación de las mismas. El brillo de los elementos de emisión de luz puede ser ajustable. Se pueden proporcionar cubiertas protectoras apropiadas de materiales transparentes adecuados para iluminar, para proteger el elemento de emisión de luz de condiciones de la cámara en las cuales se ubica el elemento de emisión de luz. En modos de realización de ejemplo cada cámara del sistema 100 de cámara incluye al menos un elemento de emisión de luz. En modos de realización de ejemplo, la cámara 130 de deposición incluye uno o más elementos de emisión de luz. En modos de realización de ejemplo, la cámara 140 de servicio incluye uno o más elementos de emisión de luz. En modos de realización de ejemplo, una o más de las cámaras 110 y 120 de carga/descarga pueden incluir uno o más elementos de emisión de luz. Cualquier combinación de estas disposiciones de iluminación también se puede implementar para el sistema 100 de cámara. Los elementos de emisión de luz de cada cámara pueden ser controlados de forma independiente. De forma alternativa, todos los elementos de emisión de luz se pueden controlar de una forma conectada de manera que se puedan encender y apagar al mismo tiempo. De forma alternativa, los elementos de emisión de luz de dos o más cámaras del sistema 100 de cámara pueden controlarse de forma simultánea. Los controles de iluminación pueden ser uno o más sistemas de control manual o informatizado o una combinación de ambos.
Cada cámara también puede estar equipada de un sensor de oxígeno o un dispositivo de monitorización de oxígeno. En modos de realización de ejemplo, el sensor de oxígeno o el dispositivo de monitorización se pueden utilizar para comprobar la cantidad de oxígeno en la cámara cuando funciona bajo una atmósfera inerte. Tal y como se expuso anteriormente, durante la deposición, los metales se pueden calentar a altas temperaturas haciendo los propensos a la oxidación. Por ejemplo, el titanio a una temperatura de 400 °C o más se oxida normalmente en presencia de oxígeno. Para evitar la oxidación es ventajoso mantener una atmósfera que esté libre de oxígeno o de forma alternativa una atmósfera que tenga un contenido de oxígeno muy bajo. En modos de realización de ejemplo, cuando funciona en un atmósfera inerte, la cámara de deposición se mantiene a una presión de aproximadamente 105 Pa con un contenido de oxígeno de menos de 100 ppm, en general en un rango de aproximadamente 0 a aproximadamente 100 ppm, o en un rango de aproximadamente 0 a aproximadamente 50 ppm. En modos de realización alternativos, el contenido de oxígeno de la cámara de deposición bajo condiciones similares se puede mantener de aproximadamente 0 a aproximadamente 25 ppm o de aproximadamente 0 a aproximadamente 20 ppm.
En modos de realización de ejemplo, el contenido de oxígeno y otras condiciones atmosféricas incluyendo la presión de cualquier cámara dentro del sistema 100 de cámara es similar o inferior al contenido de oxígeno de la cámara de deposición al menos cuando dichas cámaras están colocadas en comunicación atmosférica con la cámara de deposición si se desea mantener a la cámara de deposición en una atmósfera inerte. Del mismo modo, en modos de realización de ejemplo, en los cuales la cámara de deposición se mantiene bajo vacío, las otras cámaras del sistema 100 de cámara también están bajo condiciones de vacío similares al menos cuando están en comunicación atmosférica con la cámara de deposición. En modos de realización de ejemplo, donde la cámara de deposición contiene aire, las otras cámaras pueden también contener aire al menos cuando están en comunicación atmosférica con la cámara de deposición. Al mantener las mismas condiciones atmosféricas de tipo similar entre las cámaras cuando están en comunicación atmosférica entre sí, es posible mantener mejor y controlar las condiciones deseadas dentro de las mismas. Esto puede ser especialmente importante para la cámara de deposición debido a que puede ayudar a evitar una introducción no deseada de impurezas o de oxidación durante el proceso de producción que sucede en la cámara de deposición.
En modos de realización de ejemplo, se controla el nivel de humedad dentro de la cámara. El nivel de humedad se mantiene a niveles reducidos para reducir el contenido de hidrógeno en la cámara. Por ejemplo, cuando el alambre de metal es de o contiene titanio, un contenido de hidrógeno demasiado alto dentro de la cámara puede hacer el titanio depositado frágil. En modos de realización de ejemplo, el nivel de humedad dentro de cualquiera de las cámaras dentro del sistema 100 de cámara se puede reducir a un nivel menor de 250 ppm o menor de 200 ppm. En modos de realización de ejemplo, el nivel de humedad de las cámaras conectadas a la cámara de deposición es similar a o inferior que el nivel de humedad de la cámara de deposición, al menos cuando dichas cámaras se colocan en comunicación atmosférica con la cámara de deposición si se desea mantener el nivel de humedad reducido dentro de la cámara de deposición.
Aunque cada cámara puede funcionar de forma independiente, debería entenderse que en modos de realización de ejemplo se puede utilizar el mismo equipo para afectar a más de una cámara. Por ejemplo, en modos de realización de ejemplo se puede emplear una única bomba de vacío para crear un vacío en dos o más cámaras. En un modo de realización de ejemplo, una única bomba de vacío se conecta a las cuatro cámaras mediante un sistema de ventilación común. En dichos modos de realización, se puede utilizar el vacío para evacuar la atmósfera en cada cámara de forma
independiente utilizando un sistema de válvulas que conectan de forma separada el sistema de ventilación a cada cámara. Por tanto, mediante la abertura y cierre de forma independiente de cada válvula, se puede aplicar el vacío a una cualquiera o más cámaras o bien de forma simultánea o en diferentes momentos. También, se pueden conectar ventilaciones diferentes de una cámara a un vacío o bien de forma simultánea o en diferentes momentos controlando el conjunto de válvulas. Del mismo modo, en modos de realización de ejemplo, un sistema de suministro único de gas inerte se puede conectar a dos o más cámaras por medio de válvulas controladas de forma independiente. Por tanto, accionando cada válvula de forma independiente, se puede proporcionar gas inerte a cada cámara o bien de forma simultánea como la otra o más de las otras cámaras o bien en momentos diferentes.
El sistema se puede configurar de manera que las válvulas pueden permitir o evitar la comunicación atmosférica entre cámaras. Por ejemplo, se puede aislar una primera cámara de una segunda cámara de manera que la primera cámara pueda continuar conteniendo un gas inerte o noble, tal como argón, mientras que la segunda cámara es evacuada. Un sistema similar se puede utilizar para suministrar aire u otro gas. El suministro de gas inerte o de una mezcla de gases, aire u otra atmósfera puede realizarse mediante una o más ventilaciones en cada cámara a través del control de válvulas. De forma alternativa, cada válvula puede estar equipada de su propia bomba de vacío independiente. También, cada cámara puede estar equipada de su propia fuente independiente de aire, de gas inerte o de mezcla de gases u otro gas tal y como se desee.
Los controles para el sistema 100 de cámara y el funcionamiento de cada cámara se pueden alojar en un sistema de control. Un sistema de control se puede accionar de forma manual. Por ejemplo, un sistema de control accionado de forma manual puede incluir válvulas accionadas de forma manual, engranajes, interruptores o dispositivos similares. En una alternativa, se puede automatizar un sistema de control. Por ejemplo, el sistema de control puede consistir en un sistema de control informatizado. En más modos de realización alternativos, un sistema de control puede ser una combinación de controles manual e informático. Cada cámara puede estar equipada de su propio sistema de control individual. En un modo de realización de ejemplo, un único sistema de control puede controlar de forma independiente cada cámara. Un sistema de control de ejemplo puede incluir un ordenador industrial, que puede estar configurado para contener una unidad de procesamiento central para ejecutar un programa de usuario, una o más fuentes de alimentación y módulos de señal como entradas y/o salidas. El sistema de control puede incluir una pantalla de CPU y una protección integrada de señales analógicas. Dichos sistemas de control pueden estar diseñados por un experto. Un sistema comercialmente disponible de ejemplo es el SIMATIC-S7-1500 de Siemens AG (Múnich, Alemania). Un sistema de control separado puede utilizarse para regular el equipo ubicado en el interior de las cámaras. Por ejemplo, un sistema de control separado puede utilizarse para regular el actuador 131. Un sistema comercialmente disponible de ejemplo es el sistema IndraMotion MTX disponible de Bosch Rexroth AG (Lohr am Main, Alemania). Un sistema de control separado se puede utilizar para controlar el equipo de soldadura. Un sistema comercialmente disponible de ejemplo es el sistema informático industrial compacto SIGMATEK C-IPC disponible de SIGMATEK GmbH & Co. KG (Lamprechtshausen, Austria). Cada cámara puede tener su propio sistema de control separado para el equipo utilizado en la misma. De forma alternativa, cada equipo puede tener un sistema de control separado asociado. También se puede utilizar un sistema de control central para controlar el equipo ubicado en el interior de las cámaras. De forma alternativa, el sistema de control central puede estar en comunicación con cada sistema de control separado.
Cámaras de carga/descarga
En un modo de realización de ejemplo e ilustrativo, el sistema 100 de cámara puede incluir dos cámaras 110 y 120 de carga/descarga. En modos de realización alternativos, el sistema 100 de cámara puede incluir sólo una cámara de carga/descarga. En más modos de realización alternativos, el sistema 100 de cámara puede incluir más de dos cámaras de carga/descarga. El funcionamiento de una cámara de carga/descarga no cambia y es independiente de cuántas de estas cámaras se incluyan en el sistema 100 de cámara. En el ejemplo ilustrativo mostrado en la figura 1, las cámaras 110 y 120 de carga/descarga se pueden disponer de tal manera que tengan una pared en común.
Una ventaja de tener al menos dos cámaras de carga/descarga es la disminución en la producción del tiempo de ciclo lo cual es un resultado de la habilidad de cargar y descargar más rápidamente los sustratos de soporte y las piezas de trabajo. Por ejemplo, en modos de realización en los cuales se mantiene una atmósfera inerte en la cámara 130 de deposición, la cámara de carga/descarga debe también tener una atmósfera inerte cuando está en comunicación atmosférica con la cámara 130 de deposición. Sin embargo, cargar un sustrato de soporte dentro de la cámara de carga/descarga expone a la cámara de carga/descarga a la atmósfera exterior. Por tanto, con el fin de tener una cámara de carga/descarga en una atmósfera de gas inerte, el aire en la cámara de carga/descarga debe ser eliminado y reemplazado con gas inerte antes de que la puerta que conecta la cámara de carga/descarga a la cámara de deposición se pueda abrir de manera que nada de aire se introduzca en la atmósfera inerte de la cámara de deposición.
Este es el mismo caso si la cámara de deposición funcionase bajo condiciones de vacío o cualquier atmósfera diferente del aire. Al tener al menos dos cámaras de carga/descarga es posible tener una cámara de carga/descarga lista para recibir una pieza de trabajo de la cámara de deposición, mientras que la otra cámara de carga/descarga está lista para cargar el siguiente sustrato de soporte.
Cada cámara de carga/descarga puede estar equipada de al menos dos puertas. En los modos de realización de ejemplo, la cámara 110 de carga/descarga incluye una puerta 111 que proporciona acceso a la cámara 110 desde el exterior de la cámara. La cámara 110 también puede estar equipada de una segunda puerta 112 que conecta la cámara 110 a la cámara 130 de deposición. Del mismo modo, la cámara 120 de carga/descarga puede estar equipada de puertas 121 y 122 similares. Tal y como se expuso anteriormente, cada puerta 111, 112, 121 y 122 puede estar hecha o bien de material de sellado o incluir uno o más miembros de sellado de manera que cada puerta sea impermeable a gases. Las puertas 111, 112, 121 y 122 son puertas deslizantes o puertas basculantes. En modos de realización de ejemplo las puertas 111, 112, 121 y 122 pueden ser puertas deslizantes que se deslizan de lado a lado o de arriba a abajo para abrirse y cerrarse. Las puertas 111, 112, 121 y 122 pueden estar también equipadas de bisagras que proporcionan presión en las puertas cuando se cierran para mejorar su sellado y para liberar la presión cuando las puertas se van a abrir. En modos de realización de ejemplo se pueden accionar de forma manual las puertas 111, 112, 121 y 122. De forma alternativa, las puertas 111, 112, 121 y 122 se pueden accionar de forma automática o mediante un sistema de control. En modos de realización de ejemplo, las puertas 111, 112, 121 y 122 se pueden accionar tanto de forma manual como de forma automática. También, cada puerta 111, 112, 121 y 122 puede ser un conjunto de dos o más puertas que se pueden accionar de forma simultánea o de forma independiente.
La cámara de servicio y cada cámara de carga/descarga pueden estar equipadas de su propio sistema de ventilación independiente. Por ejemplo, cada cámara 110, 120 y 140 se pueden ventilar de forma independiente. Cada cámara 110, 120 y 140 puede llenarse de forma independiente de un gas inerte tal como argón. Cada cámara 110, 120 y 140 se puede llenar de forma independiente de aire. El flujo de entrada de cualquiera de las cámaras 110, 120 y 140 puede estar en el rango de aproximadamente 100 a aproximadamente 1500 litros/min. El flujo dentro de las cámaras se puede controlar mediante un controlador de flujo de masa. La presión dentro de una cámara es un bucle cerrado controlado por la abertura y el cierre de una válvula de escape. Por ejemplo, el cierre de todas las ventilaciones conectadas a un vacío mientras se abre al menos una ventilación conectada a un suministro de gas inerte puede aumentar la presión dentro de la cámara. La longitud del tiempo necesario para reemplazar una atmósfera de aire dentro de una cámara con un gas inerte para lograr que un cierto nivel de oxígeno varíe de acuerdo con las dimensiones de la cámara así como la cantidad de equipo dentro de la cámara, que desplaza un cierto volumen que de otro modo necesitaría ser ocupado por el gas dentro de la cámara.
Cada cámara 110, 120 y 140 puede mantenerse bajo condiciones de vacío de forma independiente. La atmósfera en cada cámara 110, 120 y 140 se puede evacuar de forma independiente. Las ventilaciones utilizadas para evacuar la atmósfera de las cámaras 110, 120 y 140 pueden funcionar a cualquier caudal adecuado. El caudal puede definirse por la capacidad del ventilador utilizado. Por ejemplo, ventilaciones de evacuación pueden funcionar a 3000 a 6000 Sm3/h. En un modo de realización de ejemplo, la capacidad del ventilador utilizado es 4500 Sm3/h. Del mismo modo, las ventilaciones de entrada que inyectan un gas inerte, noble u otro o el aire en el interior de las cámaras 110, 120 y 140 pueden funcionar a cualquier flujo adecuado. En algunas aplicaciones, el flujo de entrada máximo en una cualquiera de las cámaras 110, 120 y 140 es 1500 l/min. Un controlador de flujo de masa se puede utilizar para regular el flujo de entrada de gas inerte o de otro gas o de aire dentro de cualquiera de las cámaras. El flujo de entrada puede estar en un rango de aproximadamente 10 a aproximadamente 1500 l/min, o de aproximadamente 100 a 1500 l/min. La presión dentro de una cualquiera de las cámaras puede ser un sistema controlado de bucle cerrado en el cual la presión se puede regular mediante la abertura y cierre de una válvula de escape. El sistema puede incluir un modo de inactividad en el cual el sistema se mantiene a una presión y a un nivel de oxígeno deseados. Durante el modo de inactividad, se puede mantener un flujo bajo de gas inerte u otro gas dentro de una cualquiera de las cámaras, tal como un flujo en el rango de aproximadamente 10 l/min a aproximadamente 100 l/min y se puede modificar ajustando la válvula de salida para aumentar o disminuir el flujo a través de la válvula de escape. Las ventilaciones de entrada y de salida pueden también tener una funcionalidad intercambiable. Las ventilaciones de entrada pueden funcionar como ventilaciones de salida y las ventilaciones de salida pueden también funcionar como ventilaciones de entrada. Las ventilaciones pueden incluir válvulas para controlar el caudal de gas a través de las ventilaciones y por lo tanto regular la presión resultante dentro de una cámara. La cámara puede incluir monitores de presión y en respuesta a una lectura de un monitor de presión, la válvula de una ventilación conectada a una fuente de gas inerte se puede abrir o cerrar para ajustar la presión dentro de la cámara.
La temperatura y presión de cada cámara 110 y 120 se pueden controlar de forma independiente y mantenerse. En modos de realización de ejemplo en los cuales un gas inerte más pesado que el aire se utiliza como la atmósfera en el interior del sistema 100 de cámara, las cámaras 110 y 120 de carga/descarga pueden incluir una o más ventilaciones que introducen el gas inerte o la mezcla de gases ubicadas en una porción inferior de las cámaras y una o más ventilaciones conectadas a un vacío para evacuar aire u otros gases ligeros en una porción superior de las cámaras. De esta manera, el gas inerte más pesado se introduce desde la parte inferior y la atmósfera más ligera, por ejemplo aire, es ventilada desde la porción superior de las cámaras. Cada ventilación puede incluir una conexión a un distribuidor que permite la conexión de la ventilación a varias fuentes diferentes con diferentes gases así como a una fuente de vacío, el distribuidor que contiene válvulas para regular cual fuente estará disponible para la ventilación en un momento dado. Esto permite un sistema más efectivo para eliminar completamente y reemplazar la atmósfera con un gas inerte. Del mismo modo, si el gas inerte más pesado o una mezcla de gases se van a reemplazar con una atmósfera más ligera tal como aire, las ventilaciones inferiores se pueden utilizar para evacuar el gas inerte y las ventilaciones superiores se pueden utilizar para introducir la atmósfera más ligera. En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones inferiores se pueden ubicar en el suelo. En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones inferiores se pueden ubicar en la parte inferior de las paredes de cámara justo por encima del suelo. En más modos de realización alternativos, una o más ventilaciones inferiores se pueden ubicar tanto en el suelo como en la porción inferior de las paredes de cámara. En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones superiores están ubicadas en el techo de la cámara. En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones superiores están ubicadas en la porción superior de las paredes de la cámara justo por debajo del techo de cámara. En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones superiores están ubicadas tanto en el techo como en la porción superior de las paredes de cámara justo por debajo del techo de cámara. Cada ventilación inferior y superior puede estar equipada de forma independiente de un ventilador.
Cuando funcionan una o más ventilaciones para evacuar un gas o la atmósfera de las cámaras 110 y 120 cada ventilación se puede conectar a bombas de vacío separadas. De forma alternativa, cada ventilación puede conectarse por medio de válvulas de control de forma independiente a una bomba de vacío común utilizada para todo el sistema 100 de cámara. Cada ventilación puede estar conectada con su propia válvula controlada de forma independiente. De forma alternativa, dos o más ventilaciones utilizadas para evacuar la cámara 110 se pueden conectar al vacío a través de una válvula accionada de forma independiente común. Del mismo modo dos o más ventilaciones utilizadas para evacuar la cámara 120 se pueden conectar a un vacío a través de una válvula accionada de forma independiente común. De forma alternativa, todas las ventilaciones superiores de la cámara 110 pueden conectarse al vacío a través de una primera válvula accionada de forma independiente común y todas las ventilaciones inferiores de la cámara 110 se pueden conectar al vacío a través de una segunda válvula accionada de forma independiente común. Las ventilaciones superiores e inferiores en la cámara 120 se pueden conectar de forma similar al vacío como se hizo en la cámara 110.
Las ventilaciones utilizadas para introducir un gas inerte, una mezcla de gases, aire u otra atmósfera dentro de las cámaras 110 y 120 se pueden disponer de forma similar a las ventilaciones utilizadas para evacuar las cámaras 110 y 120. Por ejemplo, cada ventilación se puede conectar a una fuente independiente. De forma alternativa, dos o más ventilaciones se pueden conectar a una fuente común. En este último modo de realización, cada ventilación puede ser controlada de forma independiente mediante una válvula controlada de forma independiente. De forma alternativa, dos o más ventilaciones de la cámara 110 se pueden conectar a una válvula controlada de forma independiente común. Del mismo modo, dos o más ventilaciones de la cámara 120 se pueden conectar a una válvula controlada de forma independiente común. De forma alternativa, todas las ventilaciones superiores de la cámara 110 se pueden conectar a una fuente común a través de una primera válvula accionada de forma independiente común y todas las ventilaciones inferiores de la cámara 110 se pueden conectar a una fuente común a través de una segunda válvula accionada de forma independiente común. Las ventilaciones superiores e inferiores en la cámara 120 se pueden conectar de forma similar a una o más fuentes tal y como se hizo en la cámara 110.
Cada cámara 110 y 120 de carga/descarga puede estar equipada de un dispositivo de control de temperatura. El dispositivo de control de temperatura de cada cámara 110 y 120 se puede controlar de forma independiente. El dispositivo de doble temperatura puede incluir un calentador eléctrico, un calentador de gas, un intercambiador de calor, un sistema de enfriamiento, un sistema de refrigeración, un enfriador o una combinación de los mismos. Cada cámara 110 y 120 también puede estar equipada de uno o más termómetros, termopares u otros dispositivos de detección de temperatura o una combinación de los mismos para determinar la temperatura de la cámara. Los dispositivos de detección de temperatura y el dispositivo de control de temperatura pueden estar conectados al sistema de control respectivo que controla la cámara a la que afectan.
Cada cámara 110 y 120 de carga/descarga también puede estar equipada de uno o más manómetros de presión, manómetros de vacío o una combinación de los mismos. Los manómetros se pueden conectar al sistema de control respectivo que controla la cámara que miden.
Cada cámara 110 y 120 de carga/descarga puede cada una estar equipada de forma respectiva con un mecanismo 113 y 123 de trasferencia, cada uno capaz de recibir un sustrato de soporte y transferir el sustrato de soporte dentro de la cámara 130 de deposición. El mecanismo 113 y 123 de transferencia puede ser capaz de recuperar una pieza de trabajo de la cámara 130 de deposición y transferirla a otra ubicación, por ejemplo al espacio de operario en el exterior de la cámara.
Cualquier mecanismo de transferencia que puede manejar el peso del sustrato de soporte y de la pieza de trabajo y la atmósfera, la temperatura y la presión de la cámara, se puede utilizar para el mecanismo 113 y 123 de transferencia. En modos de realización de ejemplo, el mecanismo de transferencia puede ser un transportador. En modos de realización de ejemplo, el transportador puede comprender una cinta transportadora, un transportador de cadena u otro sistema transportador mecánico. El transportador puede incluir un conjunto de engranajes y ruedas que sean capaces de soportar y transferir el sustrato de soporte con la pieza de trabajo. En modos de realización de ejemplo, el mecanismo 113 y 123 de transferencia también puede incluir un conjunto de brazos mecánicos y/o hidráulicos que pueden ayudar en la transferencia, la elevación o el posicionamiento del sustrato de soporte o de la pieza de trabajo. En modos de realización de ejemplo, el mecanismo 113 y 123 de transferencia puede además incluir un conjunto de ruedas que pueden extenderse hasta un actuador 131 en el interior de la cámara 130 de deposición. En modos de realización de ejemplo, un par de brazos extensibles con ruedas están diseñados para extenderse hasta el actuador 131. Las ruedas en los brazos extensibles se pueden diseñar para estar situadas por debajo del sustrato de soporte de la pieza de trabajo y entonces elevar el sustrato de soporte con la pieza de trabajo y situar la misma o bien sobre la actuador 131 o de vuelta sobre el mecanismo 113 o 123 de transferencia.
Por ejemplo, tal y como se ilustra en las figuras 5A y 5B, el mecanismo 113 de transferencia puede incluir un par de transportadores 171 y 172 de cadena paralelos que pueden actuar como brazos que pueden retraerse completamente dentro de la cámara 110 de carga/descarga y extenderse fuera de la cámara 130 de deposición para alcanzar las pistas 132 y 133. Las pistas 132 y 133, que se pueden configurar para moverse ortogonal mente entre sí, pueden situar al actuador 131 en frente de la puerta 112. Cuando el actuador 131 está en posición, el par de transportadores 171 y 172 de cadena que constituyen el mecanismo 113 de transferencia se extiende fuera de la cámara 110, con un transportador de cadena en un lado del actuador 131 y el otro transportador de cadena en el otro lado del actuador 131 como por ejemplo se ilustra en la figura 5A. La activación del mecanismo 113 de transferencia mueve al sustrato de soporte fuera de la cámara 110 y puede situar el sustrato de soporte por encima del actuador 131. El actuador 131 se acopla con el sustrato de soporte tal como mediante la elevación del sustrato de soporte con respecto al mecanismo 113 de transferencia de manera que el sustrato de soporte ya no se acople con el mecanismo 113 de transferencia. El mecanismo 113 de transferencia que ahora está desacoplado se puede retraer dentro de la cámara 110 como se ilustra por ejemplo en la figura 5B. Con el mecanismo 113 de transferencia movido fuera del trayecto, las pistas 132 y 133 pueden situar el actuador 131 con el sustrato de soporte fijado dentro de una posición apropiada con respecto al aparato 150 de deposición para someterse a una fabricación de forma libre. El sustrato de soporte o el material base pueden continuar moviéndose mediante el actuador 131 durante el proceso de deposición. Una vez que se completa la deposición, la pieza de trabajo se puede transferir de vuelta dentro de las cámaras de carga/descarga de una manera similar a la que fue cargada. Por ejemplo, el actuador 131 que transporta la pieza de trabajo puede situarse a sí mismo en frente de la puerta de la cámara de carga/descarga y el mecanismo 113 de transferencia puede extender de nuevo los brazos 171 y 172 desde la cámara de carga/descarga dentro de la cámara de deposición y elevar la pieza de trabajo fuera del actuador 131. El mecanismo 113 de transferencia puede entonces transportar a la pieza de trabajo dentro de la cámara de carga/descarga retrayéndose dentro de la cámara de carga/descarga a la vez que transporta la pieza de trabajo. En modos de realización de ejemplo un conjunto de rodillos o una estructura de soporte y transferencia similar (no mostrada) también se pueden proporcionar en el exterior de las cámaras 110 y 120 en las proximidades de la puerta 111 y 121 para ayudar en la carga/descarga de los sustratos de soporte y de las piezas de trabajo.
En modos de realización de ejemplo, las cámaras 110 y 120 de carga/descarga están bajo las mismas condiciones atmosféricas que la cámara 130 de deposición cuando están en comunicación con la cámara 130 de deposición. Por tanto, por ejemplo si la cámara 130 de deposición funciona bajo la atmósfera de gas inerte, las cámaras 110 y 120 de carga/descarga también funcionan bajo la atmósfera de gas inerte cuando están en comunicación atmosférica con la cámara 130 de deposición. En dichos modos de realización de ejemplo, la atmósfera de gas inerte puede incluir argón, o una mezcla de argón y helio.
Una cualquiera o más de las puertas que proporciona acceso a las cámaras 110 y 120 de carga/descarga pueden estar equipadas de uno o más sensores capaces de detectar cuando la puerta dada está abierta o cerrada. El uno o más sensores se pueden conectar al sistema de control que controla el aparato 150 de deposición. En modos de realización de ejemplo, si el uno cualquiera del uno o más sensores detecta que una cualquiera o más de las puertas de las cámaras 110 y 120 de carga/descarga está abierta cuando la una o más puertas deberían estar cerradas o si la una o más puertas no están cerradas y selladas de forma apropiada como deberían estar, el uno o más sensores lo comunican al uno o más sistemas de control del sistema 100 de cámara. El uno o más sistemas de control pueden enviar una señal al aparato 150 de deposición para detener el proceso de fabricación si está en progreso o para evitar que empiece. El uno o más sensores también puede activar una alarma auditiva, tal como una sirena, una voz de advertencia y/o un gruido de pitido, una alarma visual tal como una luz intermitente, el parpadeo de elementos de emisión de luz en el interior de una o más cámaras, advertencias en pantalla en el uno o más sistemas de control o una combinación de los mismos.
Cámara de deposición
El sistema 100 de cámara incluye al menos una cámara 130 de deposición. La cámara 130 de deposición es lo suficientemente grande para albergar todo el equipo necesario para producir la pieza de trabajo utilizando SFFF. En modos de realización de ejemplo, la cámara 130 de deposición es la más grande de las cámaras que constituyen el sistema 100 de cámara. La cámara 130 de deposición es una cámara en la cual se realiza la fabricación del sólido de forma libre. La cámara 130 de deposición puede estar diseñada para soportar las condiciones que son requeridas durante la fabricación del sólido de forma libre. En modos de realización de ejemplo, la fabricación del sólido de forma libre se realiza utilizando un arco transferido de plasma. De forma particular, en modos de realización de ejemplo, la fabricación del sólido de forma libre se puede llevar a cabo utilizando dos sopletes de arco transferido de plasma. En modos de realización alternativos, la fabricación del sólido de forma libre puede utilizar una deposición por haz de electrones. La cámara de deposición puede estar diseñada y configurada de manera que cualquier método de fabricación de sólido de forma libre o cualquier combinación de múltiples métodos de fabricación de capa se puede realizar en el interior de la cámara 130 de deposición. Con propósitos ilustrativos, la cámara 130 de deposición se describe en el presente documento en conjunción con un método de fabricación de un sólido de forma libre de tipo de arco transferido de plasma.
El método de fabricación del sólido de forma libre incluye un aparato 150 de deposición móvil. El grado de movilidad del aparato 150 de deposición se puede diseñar como se desee. En modos de realización de ejemplo, el aparato 150 de deposición está provisto en un dispositivo a modo de brazo robótico, mecánico y/o hidráulico que es capaz de mover el aparato de deposición en cualquier dirección durante el proceso de fabricación. Por ejemplo, en la fabricación de arco transferido de plasma, uno o más sopletes de arco transferido de plasma se pueden conectar a uno o más brazos mecánicos que pueden mover los sopletes de arco transferido de plasma tal y como sea necesario para formar la pieza de trabajo. De forma alternativa, el movimiento del aparato 150 de deposición puede estar limitado a únicamente un eje. En otros modos de realización, el movimiento del aparato 150 de deposición puede estar limitado a dos ejes. Por ejemplo, tal y como se ilustra en las figuras 1 y 2, el movimiento del aparato 150 de deposición puede estar limitado a movimientos de avance y retroceso a lo largo de la misma línea que la alimentación 160 de alambre. En el ejemplo ilustrado, el aparato 150 de deposición puede acoplarse con una pista, rail o sistema transportador. La pista, rail o sistema transportador pueden estar ubicados por ejemplo en el techo de la cámara 130 de deposición. De forma alternativa, la pista, el rail o el sistema transportador pueden estar ubicados a lo largo de una pared de la cámara 130 de deposición. De forma alternativa, la pista, el rail o el sistema transportador pueden estar ubicados en el suelo de la cámara 130 de deposición. En modos de realización de ejemplo, el aparato 150 de deposición puede estar conectado a más de una pista, rail, o sistema d transportador y las pistas, raíles o sistemas transportadores ubicados en uno o más de, el techo, las paredes y/o el suelo de la cámara 130. En más modos de realización alternativos, el aparato 150 de deposición es móvil únicamente en la dirección vertical o dirección Z. En más modos de realización alternativos, el aparato 150 de deposición puede moverse en la dirección vertical, es decir, arriba y abajo, así como moverse desde la cámara de deposición a la cámara de servicio a través de una o más pistas, raíles y/o sistemas transportadores tal y como se describió anteriormente.
Cualquier combinación de motores, engranajes, ruedas, sistemas de poleas y transportadores se puede utilizar para implementar el movimiento del aparato 150 de deposición. Cualquiera de dichos motores, engranajes, ruedas, sistemas de poleas y transportadores se pueden proporcionar en el aparato 150 de deposición. De forma alternativa pueden ser proporcionados en el interior o en el exterior de la cámara 130 de deposición. En modos de realización de ejemplo, alguno de los motores, engranajes, ruedas, sistemas de poleas y transportadores son proporcionados en el aparato 150 de deposición y algunos son proporcionados o bien en el interior o en el exterior de la cámara 130 de
deposición. El movimiento del aparato 150 de deposición puede controlarse utilizando un sistema de control asociado con la cámara 130 de deposición. De forma alternativa, el control del movimiento del aparato 150 de deposición se puede lograr a través de un sistema de control independiente. El sistema de control para el movimiento del aparato 150 de deposición puede ser manual, automatizado o una combinación de los mismos.
En modos de realización de ejemplo, la cámara 130 de deposición también puede incluir un actuador 131. El actuador 131 puede ser utilizado para sujetar la estructura de soporte o el material base durante la fabricación de un objeto. El actuador 131 también puede estar diseñado para mover la estructura de soporte, el material base o la pieza de trabajo en múltiples direcciones. De forma alternativa, el movimiento del actuador 131 se puede diseñar para permanecer en una ubicación fija. En modos de realización de ejemplo, el actuador 131 es capaz de moverse en múltiples direcciones mientras el aparato 150 de deposición permanece en la ubicación fija durante la fabricación. De forma alternativa, el aparato 150 de deposición y el actuador 131 ambos se mueven durante la fabricación. En un modo de realización alternativo más el aparato 150 de deposición se mueve durante la fabricación mientras que el actuador 131 permanece en una posición fija. Al mover el aparato 150 de deposición y/o el actuador 131 se puede definir un patrón de deposición para completar el objeto 3D o la pieza de trabajo depositando sucesivas capas de material metálico obtenido de la fusión del alambre de metal.
El actuador 131 se puede proporcionar en un sistema de pista que permite el movimiento al actuador en cualquier dirección deseada. El mecanismo usado para mover el actuador no debería contemplarse como limitativo. En modos de realización de ejemplo ilustrados en las figuras 1 y 2, el actuador 131 puede ser proporcionado en una primera pista 132 que es capaz de mover el actuador 131 a lo largo del primer eje. La pista 132 pueden sí misma ser proporcionada en la segunda pista 133 que es capaz de mover la pista 132 y por tanto el actuador 131 a lo largo de un segundo eje. En un modo de realización preferido, el eje de movimiento de la pista 132 es perpendicular al eje de movimiento de la pista 133. En la disposición ilustrada, cualquier movimiento, incluyendo una rotación de 360° se puede lograr para el actuador 131. El actuador 131 puede también estar equipado de un brazo o pistón de elevación o descenso o un dispositivo similar que pueda mover el actuador 131 en la dirección vertical. Las pistas 132 y 133, y el actuador 131 pueden formarse de cualquier material que sea adecuado para la presión, la temperatura, la atmósfera y para sujetar el sustrato de soporte o la pieza de trabajo durante la fabricación del sólido de forma libre. En modos de realización de ejemplo, las pistas 132 y 133 y el actuador 131 están constituidos del mismo material. En modos de realización alternativos, el actuador 131 está hecho de un material que es diferente del de las pistas 132 y 133. De forma alternativa, cada pista 132 y 133, y el actuador 131 están hechos de un material diferente. Materiales de ejemplo que se pueden utilizar incluyen metales, tales como aluminio, aleaciones de aluminio y acero.
También, uno cualquiera o más de, el actuador 131, y de las pistas 132 y 133 pueden estar equipados de un sistema de calentamiento o enfriamiento. En modos de realización de ejemplo, uno o más de, el actuador 131 y las pistas 132 y 133 están equipados de un intercambiador de calor. En modos de realización de ejemplo, uno o más de, el actuador 131 y las pistas 132 y 133 están equipados de un calentador. En modos de realización de ejemplo, uno o más de, el actuador 131 y las pistas 132 y 133 están equipados de un disipador térmico. En modos de realización de ejemplo, uno o más de, el actuador 131 y las pistas 132 y 133 están equipados de un enfriador o un sistema de enfriamiento que incluye un fluido de enfriamiento. El fluido de enfriamiento puede ser aire, un gas inerte o agua u otro fluido adecuado. Ejemplos de fluidos de enfriamiento que son líquidos incluyen agua, alquilenglicol (por ejemplo, etilen o propilenglicol), aceite mineral, aceite de silicona o combinaciones de los mismos. En algunas aplicaciones, el fluido de enfriamiento incluye agua y un alquilenglicol. El fluido de enfriamiento en el lado frío del intercambiador de calor se puede seleccionar para estar en un rango de temperatura de aproximadamente 5 °C a aproximadamente 25 °C.
Las pistas 132 y 133 pueden accionarse por cualquier combinación de motores, engranajes, sistema de poleas o un mecanismo similar. El movimiento del actuador 131 se puede controlar mediante un sistema de control. El sistema de control puede ser manual o automatizado. El sistema de control para la actuador 131 puede ser el mismo sistema que controla la cámara 130 de deposición. De forma alternativa, el actuador 131 puede tener su propio sistema de control independiente.
La atmósfera, temperatura y presión de la cámara 130 de deposición se pueden monitorizar modificar y controlar de la misma manera que la descrita anteriormente para las cámaras 110 y 120 de carga/descarga. Por ejemplo, la cámara 130 de deposición se puede equipar de uno o más manómetros de presión para monitorizar la presión dentro de la cámara 130. Los manómetros de presión pueden estar en comunicación con un sistema de control que controla la cámara 130. También, la cámara 130 de deposición puede estar equipada de dispositivos de control de temperatura. Los dispositivos de control de temperatura pueden incluir un calentador eléctrico, un calentador de gas, un intercambiador de calor, un enfriador, un sistema de enfriamiento eléctrico o una combinación de los mismos. La
cámara 130 de deposición puede estar equipada de uno o más termómetros, termopares u otros dispositivos de detección de temperatura o una combinación de los mismos para determinar la temperatura de la cámara. Los dispositivos de detección de temperatura y los dispositivos de control de temperatura se pueden conectar a un sistema de control que controla la cámara 130 de deposición.
La cámara 130 de deposición puede estar equipada de su propio sistema de ventilación independiente. La cámara 130 de deposición puede ser llenada de forma independiente con un gas inerte tal como argón. La cámara 130 de deposición puede estar llenada de forma independiente con aire. La cámara 130 de deposición puede ser mantenida de forma independiente bajo condiciones de vacío. La atmósfera en la cámara 130 de deposición puede evacuarse de forma independiente. La temperatura y la presión de la cámara 130 de deposición pueden controlarse y mantenerse de forma independiente. Tal y como se ilustra en la figura 4, en modos de realización de ejemplo en los cuales se utiliza un gas inerte o una mezcla de gases más pesada que el aire como la atmósfera durante la fabricación del sólido de forma libre, la cámara 130 de deposición puede incluir una o más ventilaciones 310 de vacío o de gas inerte en una porción inferior de la cámara y una o más ventilaciones 320 de vacío o aire o gas ligero en una porción superior de la cámara. De esta manera, el gas inerte más pesado puede ser introducido o evacuado de la parte inferior y la atmósfera más ligera, por ejemplo aire, puede ser introducida o evacuada de la porción superior de la cámara. Esto permite un sistema más efectivo para eliminar totalmente y reemplazar la atmósfera. Para promover adicionalmente evitar la creación de bolsas de aire muertas, el suelo 330 de la cámara 130 de deposición puede estar curvado. Tal y como se ilustra en la figura 4, por ejemplo, el suelo 330 puede tener lados inclinados hacia abajo que se extienden hasta cada pared de cámara. De forma alternativa, el suelo 330 puede tener únicamente uno o dos lados inclinados hacia abajo.
Las ventilaciones utilizadas para evacuar la atmósfera de la cámara 130 de deposición pueden funcionar a cualquier caudal adecuado dependiendo de la capacidad del ventilador utilizado. Por ejemplo, ventilaciones de evacuación pueden funcionar a 3000 hasta 6000 Sm3/h. En un modo de realización de ejemplo, la capacidad del ventilador utilizado es de 4500 Sm3/h. Del mismo modo, las ventilaciones introducen gas inerte u otro o aire en el interior de la cámara 130 de deposición a cualquier caudal adecuado. En algunas aplicaciones, el flujo de entrada máximo a la cámara 130 de deposición es de 1500 l/min. Un flujo de masa controlado puede utilizarse para regular el flujo de entrada de gas inerte o de otro gas o de aire dentro de la cámara. El flujo de entrada puede estar en el rango de aproximadamente 10 aproximadamente 1500 l/min, o de aproximadamente 100 a 1500 l/min. La presión dentro de la cámara puede ser un sistema controlado de bucle cerrado, en el cual la presión se puede regular abriendo y cerrando una válvula de escape. El sistema puede incluir un modo de inactividad en el cual el sistema se mantiene a un nivel de presión y de oxígeno deseados. Durante el modo de inactividad, se puede mantener un flujo bajo de gas inerte o de otro gas dentro de la cámara, tal como un flujo en el rango de aproximadamente 10 l/min a aproximadamente 100 l/min y puede modificarse ajustando la válvula de salida para aumentar o disminuir el flujo a través de la válvula de escape.
En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones 310 utilizadas para introducir o evacuar una atmósfera de un gas o de una mezcla de gases más pesados se puede ubicar en el suelo. Tal y como se muestra en la figura 4, en modos de realización de ejemplo, se pueden ubicar una o más ventilaciones 310 en la parte inferior de las paredes de cámara justo por encima del suelo. Por ejemplo, las ventilaciones 310 podrían estar ubicadas en una o más esquinas de la cámara 130 de deposición, justo por encima de donde el lado inclinado hacia abajo del suelo 330 se encuentra con las paredes de la cámara. En más modos de realización alternativos, una o más ventilaciones 310 se pueden ubicar tanto en el suelo como en la porción inferior de las paredes de cámara. Las ventilaciones 310 pueden estar equipadas de ventiladores. Los vanos pueden seleccionarse (tal como pare tener una velocidad (r.p.m.) y un flujo de aire (m3/h) y se pueden situar de manera que el funcionamiento del ventilador minimice la introducción de cualquier turbulencia no esférica en el interior de la cámara debido al funcionamiento de los ventiladores.
En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones 320 utilizadas para introducir o evacuar una atmósfera de gas ligera, tal como aire, se ubican en el techo de la cámara. En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones 320 están ubicadas en la porción superior de las paredes de cámara justo por debajo del techo de cámara. En modos de realización de ejemplo, una o más ventilaciones 320 están ubicadas tanto en el techo como en la porción superior de las paredes de cámara justo por debajo del techo de cámara. Las ventilaciones 320 pueden estar equipadas de un ventilador.
Las ventilaciones de la cámara 130 de deposición se pueden conectar a bombas de vacío separadas. De forma alternativa, las ventilaciones de la cámara 130 de deposición se pueden conectar por medio de válvulas controladas de forma independiente a una única bomba de vacío utilizada para todo el sistema 100 de cámara. Cada ventilación se puede conectar al vacío con su propia válvula controlada de forma independiente. De forma alternativa, dos o más
ventilaciones de la cámara 130 se pueden conectar al vacío por medio de una válvula accionada de forma independiente común. Por ejemplo, todas las ventilaciones superiores de la cámara 130 de deposición se pueden conectar al vacío por medio de una primera válvula accionada de forma independiente común y todas las ventilaciones inferiores de la cámara 130 de deposición se pueden conectar al vacío por medio de una segunda válvula accionada de forma independiente común. La presión dentro de la cámara se puede regular mediante la apertura o cierre de estas válvulas. Por ejemplo, mediante el cierre de las ventilaciones conectadas al vacío y la apertura de las ventilaciones conectadas a un gas inerte, se puede aumentar la presión. De forma inversa, mediante el cierre de las ventilaciones conectadas a un gas inerte y la apertura de las ventilaciones conectadas al vacío, se puede disminuir la presión.
Las ventilaciones de la cámara 130 de deposición pueden disponerse de forma similar con respecto a las fuentes de gas. Por ejemplo, cada ventilación se puede conectar a una fuente de gas independiente. De forma alternativa, dos o más ventilaciones se pueden conectar a una fuente de gas común. En este último modo de realización, cada ventilación se puede controlar de forma independiente mediante una válvula controlada de forma independiente. De forma alternativa, dos o más ventilaciones de la cámara 130 de deposición se pueden conectar a una fuente por medio de una válvula controlada de forma independiente común. Por ejemplo, todas las ventilaciones superiores se pueden conectar a una primera fuente de gas por medio de una primera válvula accionada de forma independiente común y todas las ventilaciones inferiores se pueden conectar a una segunda fuente de gas por medio de una segunda válvula accionada de forma independiente común. Las ventilaciones superiores e inferiores también pueden estar conectadas a una fuente de gas común con cada grupo de ventilaciones accionado por una o más válvulas controladas de forma independiente.
Como medios adicionales para controlar la temperatura en el interior de la cámara 130 de deposición, se pueden implementar medios para controlar la temperatura del gas en el interior de la cámara 130. Por ejemplo, tal y como se ilustra en la figura 3, la cámara 130 de deposición puede estar equipada de un sistema 200 de recirculación que incluye un ventilador 220 y de forma opcional un intercambiador 230 de calor. El ventilador 220 se puede utilizar para introducir el gas en el interior de la cámara 130 de deposición y empujarlo para que pase a través del intercambiador 230 de calor. El intercambiador 230 de calor puede o bien enfriar o calentar el gas que pasa a través del mismo tal y como se desee. En un modo de realización de ejemplo, el intercambiador 230 de calor enfría el gas que pasa a través del mismo. Después de pasar a través del intercambiador 230 de calor, el gas enfriado es dirigido de vuelta dentro de la cámara 130 de deposición por medio de tuberías y el sistema 240 de ventilación. Las ventilaciones de entrada se pueden ubicar en el techo de la cámara 130. De forma alternativa, las ventilaciones se pueden ubicar en una cualquiera o más de las paredes de cámara de la cámara 130. De forma alternativa, las ventilaciones de entrada se pueden ubicar en el suelo de la cámara 130. En modos de realización de ejemplo, las ventilaciones de entrada se pueden ubicar en más de una ubicación de, el techo, las paredes de cámara y el suelo de la cámara 130 de deposición. El caudal a través del sistema 200 de recirculación se puede controlar con un ventilador 220. En modos de realización de ejemplo, El ventilador 220 tiene una capacidad que varía de 3000 a 6000 Sm3/h. En un modo de realización de ejemplo, El ventilador 220 tiene una capacidad de 4500 Sm3/h. El flujo de aire se puede monitorizar y controlar de manera que logre las condiciones deseadas dentro de la cámara. El ventilador se puede seleccionar (tal como para tener una velocidad (r.p.m.) deseada y un flujo (Sm3/h) de aire) y puede situarse de manera que el funcionamiento del ventilador minimiza la introducción de cualquier turbulencia atmosférica en el interior de la cámara debido al funcionamiento de los ventiladores. En algunas aplicaciones, los ventiladores se pueden apagar durante la deposición.
El sistema 200 de recirculación puede funcionar de forma independiente de cualquier otro sistema de ventilación de la cámara 130. Los controles para el aparato 200 de recirculación pueden ser manuales, automatizados o una combinación de los mismos. En modos de realización de ejemplo, el sistema de control que actúa en la cámara 130 también puede controlar el sistema 200 de recirculación. De forma alternativa, el sistema 200 de recirculación puede tener su propio sistema de control independiente. En modos de realización de ejemplo, el sistema 200 de recirculación puede funcionar durante la fabricación del sólido de forma libre para modular o controlar mejor la temperatura de la cámara 130 de deposición durante el funcionamiento. Por ejemplo, el sistema 200 de recirculación se puede utilizar para enfriar la atmósfera en el interior de la cámara 130 de deposición durante la fabricación de forma libre de arco transferido de plasma. El enfriamiento de la cámara 130 de deposición durante la fabricación tiene el beneficio de evitar el sobrecalentamiento de la cámara 130 de deposición. También puede evitar el sobrecalentamiento del equipo que se encuentra en la cámara 130 de deposición. Puede evitar adicionalmente el sobrecalentamiento del sistema 100 de cámara completo o al menos de las cámaras adyacentes.
Tal y como se muestra en la figura 1, en modos de realización de ejemplo, la cámara 130 de deposición está equipada de forma preferible con al menos una ventana 135. Se puede formar más de una ventana. La ventana permite a un
operario monitorizar la fabricación del sólido de forma libre. La ventana también permite a un operario monitorizar el equipo que se encuentra en el interior de la cámara 130 de deposición. Una o más ventanas 135 pueden formar cualquier porción de la pared de cámara donde están previstas. Por ejemplo, una ventana 135 puede ocupar la pared de cámara completa. De forma alternativa, la ventana 135 puede tomar aproximadamente tres cuartos de la pared de cámara. De forma alternativa, la ventana 135 puede ocupar aproximadamente la mitad de la pared de cámara. De forma alternativa, la ventana 135 puede ocupar aproximadamente un cuarto de la pared de cámara.
Tal y como se expuso anteriormente, portales de visión, tales como ventanas, se pueden realizar en cualquier material trasparente adecuado. Ejemplos de materiales transparentes incluyen cristal, un material acrílico o polímeros termoplásticos. En modos de realización de ejemplo, el portal de visualización puede realizarse de un material acrílico, tal como poli(metil metacrilato). De forma alternativa, el portal de ventana puede ser un cristal. En modos de realización de ejemplo, el portal de visualización está hecho de cristal de silicato a base de sosa y cal. El cristal puede estar revestido con una o más capas de óxido metálico transparente que puede reflejar longitudes de onda seleccionadas de una radiación electromagnética. En algunos modos de realización, el cristal puede reflejar una radiación electromagnética infrarroja. En algunos modos de realización, el cristal puede reflejar una radiación electromagnética ultravioleta. El cristal puede estar presente en una única capa o se puede utilizar una pluralidad de capas de cristal. En algunos modos de realización, están presentes al menos dos capas de cristal, separadas por un espacio. El espacio entre las dos capas de cristal puede estar relleno de un gas inerte. En algunos modos de realización, el espacio entre las dos capas de cristal está relleno de argón. Esta configuración puede bloquear que se transmita a aproximadamente un 85% de la radiación ultravioleta a través de la ventana. En algunos modos de realización, están presentes al menos dos capas de cristal y una capa intermedia de película de polímero presente entre las dos capas de cristal que forman un cristal laminado. La película de polímero puede ser de cualquier material polimérico, tal como polivinilbutiral (PVB), acetato de vinilo etileno (EVA). El cristal laminado puede bloquear que se transmita casi un 100% de la radiación ultravioleta a través de la ventana.
De forma alternativa, el material del portal de visualización puede ser un polímero termoplástico. Por ejemplo, el material puede ser un policarbonato, un acrílico o un tereftalato de polietileno. El termoplástico puede estar presente como una única capa o se pueden fabricar dos o más hojas para incluir un espacio entre las hojas, el cual se puede de forma opcional rellenar con argón o se puede preparar un portal de visualización de plástico laminado incluyendo una capa intermedia de película de polímero entre dos hojas de polímero termoplástico. El material utilizado para el uno o más portales de visualización de una cámara puede ser el mismo o diferente del material utilizado para uno o más portales de visualización de cualquier otra cámara. También, se pueden constituir diferentes portales de visualización de una cámara del mismo o diferentes materiales.
También, un portal de visualización de la cámara 130 de deposición puede adicionalmente estar equipado de una o más pantallas de visualización si es necesario. Por ejemplo, en modos de realización en los cuales se utiliza un arco trasferido de plasma para la fabricación del sólido de forma libre, no es posible o puede ser difícil monitorizar el arco a simple vista. De hecho, intentar mirar el proceso a simple vista puede dar como resultado una lesión en el ojo debido a la radiación electromagnética emitida por el arco. Por consiguiente, una pantalla de visualización tal como unas lentes de filtro con un número de sombra que proporciona el nivel apropiado de protección se puede proporcionar en una ubicación deseada en la una o más ventanas 135. En modos de realización de ejemplo, las lentes de filtro con un número de sombra apropiado se proporcionan sobre toda la ventana 135. En ejemplos alternativos, las lentes de filtro con un número de sombra apropiado se pueden proporcionar únicamente en una o más ubicaciones discretas sobre la ventana 135 como se desee. También, se pueden proporcionar diferentes números de sombra en diferentes ubicaciones de la ventana 135 ya se utilice en lentes de un único filtro sobre toda la ventana 135 o se proporcionen lentes de múltiples filtros en diferentes ubicaciones discretas. En modos de realización de ejemplo, el número de sombra puede variar entre 5 y 15. En modos de realización de ejemplo, el número de sombra en una o más ubicaciones puede ser 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, o 15.
Las lentes de filtro pueden ser de cualquier material apropiado. Ejemplos de materiales incluyen cristal, polímeros acrílicos y polímeros termoplásticos. En modos de realización de ejemplo, las lentes de filtro pueden estar hechas de un material acrílico tal como poli(metil metacrilato). De forma alternativa, las lentes de filtro pueden ser de cristal. En modos de realización de ejemplo las lentes de cristal están hechas de cristal de silicato a base de sosa y cal. En modos de realización alternativos las lentes de filtro pueden estar hechas de policarbonato. Las lentes de filtro pueden fijarse directamente en una o más ventanas 135. De forma alternativa, las lentes de filtro se pueden utilizar para formar una o más ventanas 135. En modos de realización alternativos, las lentes de filtro se pueden integrar dentro de una o más ventanas 135. En modos de realización de ejemplo, las lentes de filtro pueden estar de pie libres y situadas enfrente
de la ventana 135. En modos de realización de ejemplo, no se proporcionan lentes de cristal en una o más ventanas 135.
Tal y como se expuso anteriormente, la cámara 130 de deposición como cualquiera de las otras cámaras, también puede estar equipada de una o más cámaras para monitorizar la cámara 130. Una o más cámaras en el interior de la cámara 130 de deposición se pueden utilizar para monitorizar el proceso de fabricación. El video grabado por las cámaras de video se puede grabar. El video también puede ser transmitido en vivo a un monitor. El monitor puede estar ubicado en el exterior de la cámara 130. El monitor puede estar ubicado próximo a la cámara 130. El monitor puede estar en una ubicación remota a la cámara 130. La cámara 130 de deposición también puede estar equipada de uno o más accesorios de iluminación tal y como se describió anteriormente para proporcionar una luz en el interior de la cámara 130.
La cámara 130 de deposición incluye una o más puertas. La cámara 130 de deposición incluye al menos una puerta a una cámara de carga/descarga. En un modo de realización de ejemplo mostrado en la figura 1, la cámara 130 de deposición está conectada a dos cámaras 110 y 120 de deposición de carga/descarga. Tal y como se muestra en la figura 1, se puede compartir una pared entre la cámara 130 de deposición y una o más cámaras de carga/descarga. En el modo de realización ilustrado, la cámara 130 de deposición puede compartir la puerta 112 y 122 con las cámaras 110 y 120 de carga/descarga. Las puertas 112 y 122 ya han sido descritas anteriormente en conjunción con las cámaras 110 y 120 de carga/descarga. En un modo de realización alternativo, el paso entre la cámara de deposición y las cámaras de carga/descarga se puede sellar utilizando más de una puerta. Por ejemplo se pueden utilizar dos puertas enfrentadas entre sí. Ya se utilice una puerta o múltiples puertas, la puerta puede tener la misma estructura y estar diseñada para funcionar tal y como ya se expuso anteriormente incluyendo sus materiales y el uno o más miembros de sellado opcionales. En modos de realización en los cuales la cámara de carga/descarga y la cámara de deposición cada una tienen su propia puerta, cada puerta puede funcionar de forma independiente. El funcionamiento de la puerta de la cámara de carga/descarga se puede controlar a través de un sistema de control de la cámara de carga/descarga. El funcionamiento de la puerta de la cámara de deposición se puede controlar a través de un sistema de control para la cámara de deposición. De forma alternativa, cada puerta puede tener su propio sistema de control. En un modo de realización más alternativo, se puede utilizar un sistema de control para poner en funcionamiento ambas puertas.
Una disposición de puerta similar a la descrita anteriormente entre la cámara 130 de deposición y la una o más cámaras de carga/descarga también se puede proporcionar entre la cámara 130 de deposición y la cámara 140 de servicio. Modos de realización alternativos de la puerta de sellado para la cámara 140 de servicios se describirán más abajo.
Aunque no se ilustra, la cámara 130 de deposición también puede tener una puerta al exterior. La estructura y elementos de dicha puerta podrían ser iguales a y diseñados para funcionar como las otras puertas descritas en el presente documento incluyendo el material y el uso opcional de uno o más miembros de sellado.
Una cualquiera o más de las puertas o aberturas que proporcionan acceso a la cámara 130 de deposición se puede dotar de uno o más sensores capaces de detectar cuándo la puerta dada está abierta o cerrada. El uno o más sensores pueden conectarse al sistema de control que controla el aparato 150 de deposición. En modos de realización de ejemplo, si uno cualquiera del uno o más sensores detecta que una cualquiera o más de las puertas de acceso de la cámara 130 de deposición está abierta cuando debería estar cerrada o no sellada de forma apropiada como debería estarlo, los mismos pueden comunicar esto enviando una señal a uno o más sistemas de control del sistema 100 de cámara. Si es durante la fabricación, en respuesta a señales recibidas desde el uno o más sensores el uno o más sistemas de control puede enviar una señal al aparato 150 de deposición para detener el proceso de fabricación si está en progreso o para evitar que comience. El uno o más sensores también puede activar una alarma auditiva, tal como una sirena, una luz de advertencia y/o un ruido de pitido, una alarma visual, tal como una luz intermitente, un parpadeo de elementos de emisión de luz en el interior de una o más cámaras, advertencias de pantalla en el uno o más sistemas de control o una combinación de los mismos.
Cámara de servicio
El sistema 100 de cámara incluye una cámara 140 de servicio. La cámara 140 de servicio, como su nombre indica, puede ser utilizada para el servicio del aparato 150 de deposición sin tener que acceder a la cámara 130 de deposición o sin exponer la cámara 130 de deposición a la atmósfera exterior. Al ser capaz de mantener la atmósfera deseada, haya un vacío, un gas inerte, aire, u otro en el interior de la cámara 130 esto puede llevar a una ventaja económica y
a menos tiempo de inactividad. Esto es debido a que no se requiere energía, materiales o tiempo para reemplazar totalmente la atmósfera en la cámara 130 de deposición cada vez que sea necesario un servicio de mantenimiento en el aparato 150 de deposición.
La cámara 140 de servicio es lo suficientemente grande como para al menos albergar el aparato 150 de deposición. En modos de realización de ejemplo, la cámara 140 de servicio es al menos un 20% más grande que el tamaño del aparato 150 de deposición. De forma alternativa, la cámara 140 de servicio es al menos aproximadamente un 30%, un 40%, un 50%, un 60%, un 70%, un 80%, un 90%, un 100%, un 125%, un 150%, un 175%, un 200%, un 300%, un 400%, un 500% mayor que el tamaño del aparato 150 de deposición. Un tamaño demasiado grande de la cámara 140 de servicio podría requerir demasiada energía para evacuar y llenar la cámara 140 de servicio lo cual podría ser costoso. La cámara 140 de servicio se puede utilizar para evitar tener que gastar el coste y el tiempo de evacuar y rellenar la cámara 130 de deposición. Por tanto el tamaño de la cámara 140 de servicio debería ser mucho más pequeño cuando se compara con el tamaño de la cámara 130 de deposición. En modos de realización de ejemplo, el tamaño de la cámara 140 es tan pequeño como sea posible lo cual aun así permite el albergado del aparato 150 de deposición y un espacio suficiente para realizar al menos algún mantenimiento sin tener que abrir la cámara 140 de servicio.
La cámara 140 de servicio está alineada con la cámara 130 de deposición. En un modo de realización de ejemplo, la cámara 140 de servicio está ubicada de manera que va estar alineada con el medio de una pared extrema de la cámara 130 de deposición. La cámara 140 de servicio está alineada con la alimentación de alambre al aparato 150 de deposición. Mediante la alineación de la cámara 140 de servicio con la alimentación de alambre al aparato 150 de deposición, es posible mover el aparato 150 de deposición dentro y fuera de la cámara 140 de servicio sin doblar la alimentación 160 de alambre o sin requerir la retirada de la alimentación 160 de alambre. Esto proporciona la ventaja de no afectar a la alimentación 160 de alambre ni desperdiciar tiempo retirando y reconfigurando la alimentación 160 de alambre cada vez que se hace un mantenimiento en el aparato 150 de deposición.
La cámara 140 de servicio permite el paso de la alimentación 160 de alambre a través de una abertura 142 ubicada en el extremo distal de la cámara 140 de servicio desde la cámara 130 de deposición. La abertura 142 puede estar provista de medios para evitar que los gases atmosféricos del exterior entren en la cámara 140 de servicio. Dichos medios pueden diseñarse dependiendo de las condiciones de funcionamiento del sistema 100 de cámara. En modos de realización de ejemplo, en los cuales la cámara 130 de deposición se mantiene bajo vacío, los medios pueden incluir medios de sellado, tales como una o más juntas o membranas de sellado que permiten a la alimentación 160 de alambre pasar a través a la vez que mantienen las condiciones de vacío. En modos de realización de ejemplo, en los cuales la cámara 130 de deposición funciona en una atmósfera de gas inerte, la abertura 142 puede estar equipada de un soplador de gas inerte. El soplador de gas puede soplar de forma continua gas inerte fuera de la abertura 142 por tanto ayudando a evitar el flujo de entrada de los gases atmosféricos del exterior. El soplador puede ser cualquier soplador adecuado y la cantidad de gas inerte soplado puede estar en cualquier lugar en un rango apropiado que pueda ayudar a evitar el flujo de entrada de los gases atmosféricos del exterior. En modos de realización de ejemplo, el soplador puede soplar a un caudal de aproximadamente 10l/min. En modos de realización alternativos el soplador puede soplar a un caudal mayor que 10l/min, por ejemplo 11 l/min, 13 l/min, 15 l/min, 20 l/min. En modos de realización de ejemplo, el soplador puede soplar a cualquier caudal que cree una presión que es mayor que la presión en el exterior de la cámara de manera que evite que cualquier gas entre en la cámara.
La cámara 140 de servicio también puede estar equipada de medios apropiados para realizar un mantenimiento del aparato 150 de deposición. Por ejemplo, tal y como se ilustra en la figura 1, la cámara 140 de servicio puede estar equipada de un conjunto de guantes 143 que permiten a un operario trabajar en el aparato 150 de deposición sin abrir la cámara 140 de servicio. Por tanto, se puede proporcionar el servicio sin someter a la cámara 140 de servicio a una comunicación atmosférica de la cámara 140 de servicio con el entorno ambiente exterior. El conjunto de guantes 143 permite que se realice el servicio sin abrir las puertas de la cámara 140 de servicio.
La cámara 140 de servicio también puede estar equipada de una o más ventanas 146. La ventana 146 puede permitir a un operario ver el aparato 150 de deposición sin tener que abrir la cámara 140 de servicio. Por ejemplo, un operario puede usar una o más ventanas 146 para ver el aparato 150 de deposición mientras utiliza los guantes 143.
La cámara 140 de servicio también puede estar equipada de un portal 147 de acceso. El portal puede estar integrado en la una o más ventanas 146. De forma alternativa, el portal 147 puede ser proporcionado de forma separada de la una o más ventanas 146. El portal 147 puede estar diseñado para permitir el acceso directo al aparato 150 de deposición de manera que se realice el mantenimiento en el aparato 150 de deposición. Por ejemplo, el portal 147
puede utilizarse para reemplazar partes en el aparato 150 de deposición. El portal 147 puede estar diseñado para permitir la retirada o instalación del aparato 150 de deposición. Como en las puertas expuestas previamente, el portal 147 puede estar diseñado para abrirse por basculación o deslizamiento. El portal 147 también puede comprender dos paneles que se abren por basculación. El portal 147 puede estar diseñado para formar un sellado impermeable a gases cuando se cierra. El sellado puede lograrse utilizando uno o más miembros de sellado tal y como se describió anteriormente para el uso con puertas. Uno o más mecanismos de presión, tales como bisagras y/o muelles, pueden también utilizarse para poner presión en el portal 147 cuando se cierra de manera que mejoran el sellado. La presión se puede retirar cuando el portal 147 se abre. El portal 147 también puede incluir un sensor que es capaz de detectar cuando el portal 147 está abierto o cerrado. El sensor puede estar conectado al sistema de control controlando el aparato 150 de deposición. En modos de realización de ejemplo, si el sensor del portal 147 detecta que el portal 147 está abierto durante la fabricación, el sistema de control puede enviar una señal para detener el proceso de fabricación.
El aparato 150 de deposición se puede transferir desde la cámara 130 de deposición a la cámara 140 de servicio a través de un sistema de pistas tal y como se describió anteriormente con respecto al movimiento del aparato proporcionado para el aparato 150 de deposición mientras está en el interior de la cámara 130 de deposición. En modos de realización de ejemplo, se proporciona un sistema de pistas en el techo de la cámara 140 de servicio. De forma alternativa, la pista puede estar provista en una pared de cámara o en la parte inferior de la cámara 140 de servicio. La pista en el interior de la cámara 140 también puede ser una extensión de la pista proporcionada en la cámara 130 de deposición a la cual está conectado el aparato 150 de deposición mientras está en la cámara 130 de deposición. De forma alternativa, la pista en la cámara 140 puede ser una pista separada que es capaz de acoplarse al aparato 150 de deposición cuando entra en la cámara 140 de servicio. El aparato 150 de deposición se puede empujar o tirar en la pista en el interior de la cámara 140 de servicio mediante los mismos motores, engranajes, ruedas, sistemas de poleas y transportadores proporcionados en el interior o el exterior de la cámara 130 de deposición. De forma alternativa, unos motores, engranajes, ruedas, sistemas de poleas y transportadores se pueden proporcionar en el aparato 150 de deposición. De forma alternativa, motores, engranajes, ruedas, sistemas de poleas y transportadores separados se pueden proporcionar en el interior o el exterior de la cámara 140 de servicio. De forma alternativa, algunos de los motores, engranajes, ruedas, sistemas de poleas y transportadores se pueden proporcionar en el interior o el exterior de la cámara 140 de servicio y algunos son proporcionados en el aparato 150 de deposición.
La cámara 140 de servicio puede estar en comunicación con la cámara 130 de deposición a través de la abertura 141. La abertura 141 debería estar dimensionada de forma preferible de manera que permita al menos que el aparato 150 de deposición pase a través de la misma. La abertura 141 puede estar sellada de la cámara 130 de deposición utilizando una o más puertas tal y como se describió anteriormente entre la cámara 130 de deposición y las cámaras 110 y 120 de carga/descarga. El mismo tipo de estructura de puerta, materiales, diseño y controles se puede utilizar en este caso. En un modo de realización alternativo, en lugar de colocar una puerta en la abertura 141. Una puerta 144 con uno o más miembros 145 de sellado opcionales se puede fijar en el aparato 150 de deposición en un extremo distal del aparato 140 de servicio. En dichos modos de realización de ejemplo, tal y como se muestra en la figura 2, la puerta 144 se puede disponer de tal manera que cuando el aparato 150 de deposición es transferido a la cámara 140 de servicio, la puerta 144 y el uno o más miembros 145 de sellado opcionales sellan la abertura 141. Por tanto, la abertura 141 es sellada mediante la puerta 144 y uno o más miembros 145 de sellado de forma automática mediante la transferencia de la cámara 150 de deposición dentro de la cámara 140 de servicio. Una ventaja del modo de realización ilustrado de las figuras 1 y 2, es la habilidad de sellar la abertura 141 sin tener que preocuparse sobre el doblado o tener que retirar la alimentación 160 de alambre. Tal y como se ilustra en la figura 1, esta disposición también proporciona que la cámara 140 de servicio esté en comunicación con la cámara 130 de deposición cada vez que el aparato 150 de deposición está ubicado en el interior de la cámara 130 de deposición.
Como otras cámaras, la cámara 140 de servicio también puede estar provista de su propio sistema de ventilación independiente que permite a la cámara 140 de servicio estar bajo vacío, en una atmósfera de gas inerte o de otro gas o en aire. La misma disposición de ventilaciones se puede utilizar como se describió anteriormente de forma especial si el gas inerte utilizado es más pesado que el aire, por ejemplo argón o una mezcla de argón y helio. En modos de realización de ejemplo, se proporciona una o más de las ventilaciones utilizadas para introducir y/o evacuar un gas o una mezcla de gases más pesados en una porción inferior de la cámara 140 de servicio mientras que las ventilaciones utilizadas para introducir/o evacuar el gas o la mezcla de gases más ligeros, por ejemplo aire, se proporcionan en una porción superior de la cámara 140 de servicio.
La cámara 140 de servicio también se puede proporcionar con sus propios dispositivos de monitorización y control de temperatura y presión independientes similares a los descritos para todas las otras cámaras. Todas las puertas, portales y aberturas de la cámara 140 de servicio también se pueden equipar de uno o más sensores de una manera
similar a las puertas y las aberturas en las cámaras 110 y 120 de carga/descarga y de la cámara 130 de deposición para detectar si una puerta o abertura no está sellada de forma apropiada cuando debería estarlo y para comunicar a uno o más sistemas de control del sistema 100 de cámara que pueden entonces establecer una alarma visual y/o auditiva y que pueden detener o evitar que comience la fabricación del sólido de forma libre. Con respecto a la abertura 142, uno o más sensores se pueden utilizar para monitorizar que el soplador de gas u otros medios para evitar que los gases atmosféricos del exterior entren en la cámara 140 de servicio, funcionen de forma apropiada.
Las siguientes explicaciones de ejemplo están incluidas por propósitos ilustrativos únicamente y no están destinadas a limitar el alcance de los modos de realización opcionales en el presente documento.
Uso de cámaras de carga/descarga
La cámara 130 de deposición está preparada para la fabricación de un sólido de forma libre por el establecimiento de la atmósfera deseada. El aire es evacuado de la cámara 130 de deposición y reemplazado por un gas inerte o una mezcla de gases inertes tales como el argón o una mezcla de argón y helio. El aire es evacuado de la cámara 130 de deposición utilizando una bomba de vacío conectada a un primer conjunto de una o más ventilaciones en la porción superior de la cámara 130 de deposición. Después de la activación de la bomba de vacío, se utiliza un sistema de control para accionar las válvulas que conectan el vacío al primer conjunto de ventilaciones del sistema 130 de deposición. El sistema de control puede ser manual, informatizado o una combinación de los mismos. El primer conjunto de ventilaciones se puede ubicar por ejemplo en el techo y/o en una porción superior de las paredes de cámara. Mediante la aplicación de vacío, el aire es eliminado de la cámara 130 de deposición desde el primer conjunto de ventilaciones ubicado en la porción superior de la cámara 130 de deposición. De forma simultánea a la evacuación del aire desde la cámara 130 de deposición, un sistema de control, que puede ser el mismo o diferente del sistema de control que acciona las válvulas que conectan el vacío con el sistema de ventilación de la cámara 130 de deposición, se utiliza para introducir un gas inerte o una mezcla de gases inertes dentro de la cámara 130 de deposición. Este último sistema de control puede también ser manual, informatizado o una combinación de los mismos. El gas inerte o una mezcla de gases inertes se introduce dentro de la cámara 130 de deposición mediante un segundo conjunto de una o más ventilaciones ubicadas en una porción inferior de la cámara 130 de deposición, es decir, el suelo y/una porción inferior de las paredes de cámara. El gas inerte o la mezcla de gases inertes incluye al menos un gas que es más pesado que el aire. De esta manera, a medida que el aire es evacuado de la parte superior de la cámara 130 de deposición, el gas inerte o la mezcla de gases inertes se introduce desde la parte inferior. El suministro de gas inerte o de la mezcla de gases inertes se puede proporcionar mediante válvulas de apertura conectadas a un segundo conjunto de ventilaciones de la cámara 130 de deposición que está separado del primer conjunto de ventilaciones.
El suministro de gas inerte o la mezcla de gases inertes y la evacuación del aire en la cámara 130 de deposición se realizan de tal manera que la formación de bolsas de aire muertas se minimiza o se elimina. Este proceso continúa durante un periodo de tiempo suficiente hasta que un sensor de oxígeno presente en la cámara 130 de deposición detecta que la presencia de oxígeno está por debajo de 50 ppm. Durante este proceso, la presión de la cámara de deposición es monitorizada utilizando un manómetro de presión y se ajusta para estar en el rango de aproximadamente 3 a aproximadamente 6 milibar por encima de la presión atmosférica.
Durante el proceso anterior la cámara 130 de deposición es sellada de cualquiera de, la cámara de carga/descarga y de la atmósfera exterior mediante una o más puertas.
Un sustrato de soporte es cargado dentro de la cámara 110 de carga/descarga por la puerta 111 de abertura de la cámara 100 de carga/descarga que proporciona acceso a un operario y situando el sustrato de soporte sobre el transportador 113 ubicado en el interior de la cámara 110 de carga/descarga. Una vez que el sustrato de soporte es cargado en la cámara 110 de carga/descarga, la una o más puertas 111 de acceso pueden cerrarse de manera que proporcionan un sellado impermeable a gases. La atmósfera de la cámara de carga/descarga es entonces reemplazada con uno de, un gas inerte o una mezcla de gases inertes. El proceso es similar al descrito para la cámara 130 de deposición. Una bomba de vacío se conecta al primer conjunto de una o más ventilaciones en la porción superior de la cámara de carga/descarga para evacuar el aire de la cámara mientras que el gas inerte o la mezcla de gases inertes más pesados que el aire se introducen desde un segundo conjunto de una o más ventilaciones ubicadas en la parte inferior de la cámara de carga/descarga. La atmósfera de la cámara de carga/descarga está constituida para ser sustancialmente la misma que la de la cámara de deposición midiendo las condiciones que utiliza el sensor de oxígeno y el manómetro de presión independientes de la cámara de carga/descarga.
Una vez que la atmósfera de la cámara 110 de carga/descarga es sustancialmente similar a la de la cámara 130 de deposición, se abre la una o más puertas 112 que sellan la cámara 110 de carga/descarga de la cámara 130 de deposición. El transportador 113 en el interior de la cámara 110 de carga/descarga es entonces accionado para transferir el sustrato de soporte al actuador 131 ubicado en el interior de la cámara 130 de deposición y situado en las proximidades de la una o más puertas 112 listo para recibir el primer sustrato de soporte.
Una vez que se logra la transferencia, el actuador 131 se mueve dentro de la posición de inicio para la fabricación del sólido de forma libre y se cierra la una o más puertas 112. El proceso de fabricación del sólido de forma libre comienza entonces en el interior de la cámara 130 de deposición. Durante la fabricación, se mantiene la atmósfera inerte en el interior de la cámara 110 de carga/descarga. Durante la fabricación, también se puede activar el sistema 200 de recirculación de la cámara 130 de deposición para enfriar el gas inerte o la mezcla de gases durante la fabricación del sólido de forma libre para evitar el sobrecalentamiento de la cámara 130 de deposición y/o del equipo ubicado en el interior de la cámara 130 de deposición.
Mientras tanto un segundo sustrato de soporte se carga dentro de la cámara 120 de carga/descarga mediante la apertura de la cámara 121 de acceso y el posicionamiento del segundo sustrato de soporte en el transportador 123. La puerta 121 de acceso entonces se cierra para proporcionar un sellado impermeable a gases y la atmósfera en el interior es reemplazada con una atmósfera inerte tal y como se describió anteriormente para la cámara 110 de carga/descarga.
Una vez que se completa la fabricación del sólido de forma libre utilizando el primer sustrato de soporte de manera que se produce una primera pieza de trabajo, el proceso de fabricación se detiene y el actuador 131 que sujeta ahora a la primera pieza de trabajo se mueve de vuelta a una posición próxima a la una o más puertas 112. La una o más puertas 112 se abren de nuevo y el transportador 113 recupera la primera pieza de trabajo del actuador 131. Después de que la primera pieza de trabajo se coloca de vuelta en el transportador 113, la una o más puertas 112 se cierran selladas de nuevo.
Después de que la primera pieza de trabajo haya sido transferida a la cámara 110 de carga/descarga y se haya cerrado la una o más puertas 112, el actuador 131 se mueve hasta una posición próxima a la una o más puertas 122. La una o más puertas 122 entonces se abren y el transportador 123 transfiere el segundo sustrato de soporte al actuador 131. Una vez que se ha producido la transferencia, la una o más puertas 122 se cierran selladas, el actuador 131 se mueve de vuelta a la posición de inicio para la fabricación del sólido de forma libre y comienza la fabricación del sólido de forma libre en el segundo sustrato de soporte. Durante este proceso de fabricación, se mantiene la atmósfera inerte en la cámara 120 de carga/descarga.
Mientras tanto, la atmósfera en la cámara 110 de carga/descarga es reemplazada con aire aplicando un vacío al conjunto inferior de una o más ventilaciones de la cámara 110 de carga/descarga e introduciendo aire a través del conjunto superior de una o más ventilaciones de la cámara 110 de carga/descarga. Una vez que la atmósfera en la cámara 110 de carga/descarga ha sido reemplazada con aire ambiente a presión atmosférica, se abre la una o más puertas 111 y se recupera la primera pieza de trabajo. De esta manera, el operario que recupera la primera pieza de trabajo no está expuesto a la atmósfera de gas inerte o de la mezcla de gases inertes que puede ser dañina para el operario. Después de la descarga de la primera pieza de trabajo, el operario puede cargar un tercer sustrato de soporte en el transportador 113. La una o más puertas 111 son entonces cerradas y la atmósfera en el interior de la cámara 110 de carga/descarga es reemplazada de nuevo con una atmósfera inerte tal y como se hizo previamente.
Una vez que se completa la fabricación del sólido de forma libre en el segundo sustrato de soporte para formar una segunda pieza de trabajo, el actuador 131 que sujeta a la segunda pieza de trabajo se mueve de vuelta a una posición próxima a la una o más puertas 122 que entonces se abren y el transportador 123 recupera la segunda pieza de trabajo transfiriéndola de vuelta dentro de la cámara 120 de carga/descarga en una manera similar a la que se hizo para la transferencia de la primera pieza de trabajo en el transportador 113. La una o más puertas 122 son entonces cerradas y el actuador 131 se mueve para estar en una posición próxima a la una o más puertas 112 listo para recibir el tercer sustrato de soporte de la misma manera que se recibió el primer sustrato de soporte.
Mientras tanto, la atmósfera en la cámara 120 de carga/descarga es reemplazada con aire de una manera similar a la que se hizo para la cámara 110 de carga/descarga. La segunda pieza de trabajo es entonces recuperada de la cámara 120 de carga/descarga accediendo a la misma a través de la una o más puertas 121. Un cuarto sustrato de soporte es entonces cargado en el transportador 123.
El proceso anterior es repetido para tantas piezas de trabajo como las que se van a producir. De la manera anterior, es posible agilizar el proceso de producción al no tener que gastar tiempo de espera para la atmósfera en la cámara de carga/descarga que se va a reemplazar para transferir el sustrato de soporte en el actuador 131 ya que este proceso ya se habrá hecho en el momento en el que el actuador 131 está listo para recibir un nuevo sustrato de soporte, mientras que también proporciona una manera para descargar rápidamente la pieza de trabajo formada previamente.
Durante el proceso anterior, se puede utilizar uno o más sensores para monitorizar las puertas que dan acceso a la cámara de deposición durante la fabricación del sólido de forma libre. Si la puerta no está cerrada sellada de forma apropiada o si una puerta se abre durante la fabricación, el uno o más sensores deberían enviar una señal que refleja esto al sistema de control que controla el aparato de deposición y el proceso de fabricación del sólido de forma libre o bien se evita que comience o se detiene si ya ha comenzado. Al hacer esto, la fabricación del sólido de forma libre no se expone a una atmósfera distinta de la que se pretendía.
Uso de la cámara de servicio
El sistema 100 de cámara incluye una cámara 140 de servicio conectada a la cámara 130 de deposición. Esto está en conjunción con tener también una o más cámaras de carga/descarga también conectadas a la cámara 130 de deposición. El funcionamiento de la una o más cámaras de carga/descarga sería como se describió en el primer ejemplo.
El aparato 150 de deposición se puede mover dentro de la cámara 140 de servicio. Se puede proporcionar una o más puertas 144 con uno o más miembros 145 de sellado en un extremo del aparato 150 de deposición de manera que el aparato de deposición entre en la cámara 140 de servicio, una o más puertas 144 con uno o más miembros 145 de sellado se acercan a la abertura 141. Con esta configuración, cuando el aparato 150 de deposición está completamente en el interior de la cámara 140 de servicio, una o más puertas 144 y uno o más miembros 145 de sellado cierran la abertura 141 para crear un sellado impermeable a gases entre la cámara 140 de servicio y la cámara 130 de deposición.
Después de que el aparato 150 de deposición se mueve dentro de la cámara 140 de servicio, la atmósfera en la cámara 130 de deposición puede modificarse de forma independiente tal y como se desee de una manera similar a la descrita en el ejemplo 1. Si la atmósfera en la cámara 130 de deposición ya es como se desea, entonces la cámara 130 de deposición se puede mantener simplemente.
La atmósfera en la cámara 140 de servicio puede también modificarse de forma independiente, si se desea, una vez que el aparato 150 de deposición se coloca en el mismo y la abertura 141 ha sido sellada. El reemplazo o ajuste de la atmósfera en la cámara 140 de servicio se puede lograr de una manera similar a la descrita anteriormente para la cámara de deposición y/o las cámaras de carga/descarga. En otras palabras, las ventilaciones están ubicadas en las porciones superior e inferior de la cámara 140 de servicio. La atmósfera de aire o de otro gas más ligero puede introducirse o evacuarse de la cámara 140 utilizando una o más ventilaciones en la porción superior de la cámara 140 de servicio. Del mismo modo, la atmósfera de gas pesado puede introducirse o retirarse utilizando una o más ventilaciones en la porción inferior de la cámara 140 de servicio. Si la cámara 140 de servicio se va utilizar bajo condiciones de vacío, se puede aplicar un vacío a todas las ventilaciones superiores e inferiores de forma simultánea. Lo mismo puede hacerse con cualquier otra cámara. También, si se desean condiciones de vacío, se puede utilizar cualquier subconjunto de ventilaciones superiores e inferiores o combinaciones de ventilaciones superiores e inferiores independientemente de si la atmósfera está siendo evacuada. Esto también aplica a las otras cámaras descritas en el presente documento, incluyendo la cámara 130 de deposición y las cámaras 110 y 120 de carga/descarga.
En un modo de realización en el cual la cámara 140 de servicio ya fue llenada con una atmósfera inerte, puede ser deseable simplemente mantener la atmósfera incluso después de que el aparato 150 de deposición haya sido transferido dentro de la cámara 140. Si el aparato 150 de deposición tiene necesidad de mantenimiento, un operario puede realizar dicho mantenimiento utilizando guantes 143. El operario puede ver el aparato 150 de deposición a la vez que realiza el mantenimiento mirando a través de la ventana 146.
Si el mantenimiento requerido no se puede lograr fácilmente utilizando guantes 143 o si el operario simplemente decide no utilizar los guantes 143 para realizar el mantenimiento, entonces se puede acceder al aparato de deposición a través del portal 147. Para evitar la exposición del operario a gases potencialmente dañinos o si la cámara 140 de servicio está bajo condiciones de vacío cuando el aparato 150 de deposición es transferido en la misma, entonces la atmósfera en el interior de la cámara 140 de servicio se puede reemplazar con aire a presión atmosférica antes de la apertura del portal 147.
Una vez que se completa el mantenimiento, se cierra el portal 147 (si ha sido abierto) y se modifican las condiciones atmosféricas de la cámara 140 de servicio., Si es necesario, para ser similares a las de la cámara 130 de deposición. Una vez que se logran condiciones atmosféricas aceptables en la cámara 140 de servicio, el aparato 150 de deposición se devuelve a la cámara 130 de deposición. De esta manera, la atmósfera en la cámara 130 de deposición no se ve sustancialmente afectada por la abertura 141 no sellada.
Como el aparato 150 de deposición se mueve dentro y fuera de la cámara 140 de servicio, la alimentación 160 de alambre permanece recta. Como el aparato 150 de deposición se mueve hacia la abertura 141, y como entra en la cámara 140 de servicio, una porción de la alimentación 160 de alambre sale de la cámara 140 de servicio por medio de la abertura 142. Como el aparato 150 de deposición entra en la cámara 130 de deposición y se mueve más profundo dentro de la cámara 130 de deposición, la alimentación 160 de alambre entra en la cámara 140 de servicio por medio de la abertura 142. Una alimentación 160 de alambre adicional también entra en la cámara 140 de servicio por medio de la abertura 142. Una alimentación 160 de alambre adicional también entra en la cámara 140 de servicio por medio de la abertura 142 durante la fabricación del sólido de forma libre ya que la alimentación de alambre se utiliza para la fabricación del sólido de forma libre.
Tal y como se describió en el ejemplo 1, cualquier portal u otra puerta o abertura de la cámara 140 de servicio se puede monitorizar por uno o más sensores. Si el uno o más sensores detectan el portal 147 o la puerta o el portal, con la excepción de la abertura 141 y la abertura 142, no está sellada como se desea, o si detecta un flujo entrante de atmósfera de exterior desde la abertura 142, se puede enviar una señal al sistema de control para el aparato de deposición en la cámara 130 de deposición para o bien evitar el inicio de la fabricación del sólido de forma libre o para detener un proceso de fabricación del sólido de forma libre en curso. Esto evita la exposición de la pieza de trabajo a una atmósfera no deseada durante la producción. También, una alarma auditiva, una alarma visual o una combinación de las mismas se puede establecer cuando uno o más sensores señalan una fuga, una falta de sellado o una abertura en la cámara 140 de servicio.
Del mismo modo, uno o más sensores se pueden utilizar para monitorizar el sellado de la abertura 141 cuando el aparato 150 de deposición está en la cámara 140 de servicio. Una alarma auditiva, una alarma visual o una combinación de las mismas se puede establecer si el uno o más sensores detectan que la abertura 141 no está sellada de forma apropiada de manera que un operario es alertado de que la modificación de la atmósfera en la cámara 140 de servicio puede afectar a la atmósfera de la cámara 130 de deposición.
Claims (16)
1. Un sistema (100) de cámara para la fabricación de un sólido de forma libre que comprende:
uno o más cámaras (110, 120) de carga/descarga controladas de forma independiente; una cámara (130) de deposición controlada de forma independiente, la cámara (130) de deposición que incluye un aparato (150) de deposición y un actuador (131) para controlar la posición y el movimiento de un material base;
una o más puertas (111, 112, 121, 122) que conectan la cámara (130) de deposición con cada una de la una o más cámaras (110, 120) de carga/descarga; y
una cámara (140) de servicio controlada de forma independiente conectada a la cámara (130) de deposición, la cámara (140) de servicio dimensionada para albergar al aparato (150) de deposición, y que está alineada con la cámara (130) de deposición, el aparato (150) de deposición y una alimentación (160) de alambre al aparato (150) de deposición de tal manera que el aparato (150) de deposición se puede mover dentro y fuera de la cámara (140) de servicio sin retirar o doblar la alimentación (160) de alambre.
2. El sistema (100) de cámara de la reivindicación 1, en donde cada una de la una o más cámaras (110, 120) de carga/descarga además comprende:
una o más puertas (111, 112, 121, 122) que proporcionan acceso a la cámara (110, 120) de carga/descarga; un transportador (113, 123) ubicado en el interior de la cámara (110, 120) de carga/descarga; y
una o más ventilaciones (310, 320).
3. El sistema (100) de cámara de la reivindicación 2, cada cámara (110, 120) de carga/descarga que comprende al menos una o más ventilaciones (320) ubicadas en una porción superior de la cámara (110, 120) de carga/descarga y al menos una o más ventilaciones (310) ubicadas en una porción inferior de la cámara (110, 120) de carga/descarga; la una o más ventilaciones (320) ubicadas en la porción superior que están conectadas de forma operativa a una bomba de vacío y a un suministro de aire; y
la una o más ventilaciones (310) ubicadas en la porción inferior que están conectadas de forma operativa a una bomba de vacío y a una fuente de gas inerte o de una mezcla de gases inertes.
4. El sistema (100) de cámara de una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que además comprende dos cámaras (110, 120) de carga/descarga con una pared en común entre ellas, y en donde cada cámara (110, 120) de carga/descarga también tiene una pared en común con la cámara (130) de deposición.
5. El sistema (100) de cámara de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, la cámara (130) de deposición que además comprende una o más ventilaciones (320) ubicadas en una porción superior de la cámara (130) de deposición y una o más ventilaciones (310) ubicadas en una porción inferior de la cámara (130) de deposición;
la una o más ventilaciones (320) ubicadas en la porción superior que están conectadas de forma operativa a una bomba de vacío y a un suministro de aire; y
la una o más ventilaciones (310) ubicadas en la porción inferior que están conectadas de forma operativa a una bomba de vacío y a una fuente de gas inerte o una mezcla de gases inertes.
6. El sistema (100) de cámara de una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, la cámara (130) de deposición que además comprende uno o más portales de visualización.
7. El sistema (100) de cámara de una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, la cámara (130) de deposición que además comprende un sistema (200) de recirculación que comprende un ventilador (220) y un intercambiador (230) de calor.
8. El sistema (100) de cámara de las reivindicaciones 1-7, la cámara (140) de servicio que además comprende una o más ventilaciones (320) en una porción superior de la cámara (140) de servicio y una o más ventilaciones (310) en la porción inferior de la cámara (140) de servicio;
la una o más ventilaciones (320) ubicadas en la porción superior que están conectadas de forma operativa a una bomba de vacío y a un suministro de aire; y
la una o más ventilaciones (310) ubicadas en la porción inferior que están conectadas de forma operativa a una bomba de vacío y a una fuente de gas inerte o de una mezcla de gases inertes.
9. El sistema (100) de cámara de la reivindicación 7, la cámara (140) de servicio que además comprende:
a) un portal (147) de acceso; o
b) un conjunto de guantes (143).
10. Un método de funcionamiento de un sistema de cámara para la fabricación de un sólido de forma libre que comprende:
reemplazar de forma independiente la atmósfera en una cámara de deposición del sistema de cámara con una atmósfera inerte; transferir un primer substrato de soporte en un actuador ubicado en el interior de la cámara de deposición mientras se mantiene la atmósfera inerte en la cámara de deposición;
realizar la fabricación del sólido de forma libre utilizando un aparato de deposición dentro de la cámara de deposición para formar una primera pieza de trabajo; y
transferir la primera pieza de trabajo fuera de la cámara de deposición mientras se mantiene la atmósfera inerte en la cámara de deposición;
en donde el sistema de cámara comprende la cámara de deposición, al menos dos cámaras de carga/descarga, y una cámara de servicio, cada una de las dos cámaras de carga/descarga y la cámara de servicio que está en comunicación con la cámara de deposición a través de una o más puertas independientes; y
en donde la cámara de servicio está dimensionada para alojar al aparato de deposición y está alineada con la cámara de deposición, un aparato de deposición dentro de una cámara de deposición una alimentación de alambre al aparato de deposición de tal manera que el aparato de deposición se pueda mover dentro y fuera de la cámara de servicio sin retirar o doblar la alimentación de alambre.
11. El método de la reivindicación 10, que además comprende controlar cada una de la cámara de deposición, la primera y segunda cámaras de carga/descarga y la cámara de servicio de forma independiente.
12. El método de la reivindicación 11, que además comprende:
monitorizar la una o más puertas en cada una de la cámara de deposición, la primera y segunda cámaras de carga/descarga y la cámara de servicio utilizando uno o más sensores; y
detener la fabricación del sólido de forma libre si uno o más sensores detecta que una puerta no está cerrada sellada de forma apropiada.
13. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 10-12, que además comprende:
cargar un primer substrato de soporte en un transportador ubicado en el interior de una primera cámara de carga/descarga;
reemplazar la atmósfera en la primera cámara de carga/descarga con la misma atmósfera inerte que en la cámara de deposición; y
mantener la atmósfera en el interior de la primera cámara de carga/descarga durante la transferencia del sustrato de soporte en el actuador y durante la fabricación del sólido de forma libre.
14. El método de la reivindicación 13, que además comprende:
cargar un segundo sustrato de soporte en el transportador de una segunda cámara de carga/descarga mientras se mantiene la atmósfera inerte en la primera cámara de carga/descarga;
reemplazar la atmósfera de la segunda cámara de carga/descarga con la misma atmósfera inerte que en la cámara de deposición.
15. El método de la reivindicación 13, en donde la transferencia de la primera pieza de trabajo fuera de la cámara de deposición comprende:
transferir la pieza de trabajo dentro de la primera cámara de carga/descarga mientras se mantiene la atmósfera inerte en la primera cámara de carga/descarga;
sellar la primera cámara de carga/descarga de la cámara de deposición;
reemplazar la atmósfera inerte en la primera cámara de carga/descarga con aire ambiente; y
descargar la pieza de trabajo de la cámara de carga/descarga.
16. El método de la reivindicación 15, que además comprende:
después de sellar la primera cámara de carga/descarga de la cámara de deposición, transferir un segundo sustrato de soporte desde una segunda cámara de carga/descarga en el actuador mientras se mantiene la atmósfera inerte en la cámara de deposición.
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