trabajo de fin de grado
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Alumno : Francisco Sánchez GarcíaDirectores : Félix Quintero Martínez
Antonio Riveiro RodríguezGrado de Ingeniería en Tecnologías
Industriales
Diseño de una estación de microprocesado láser conatmósfera controlada y
monitorización del área de trabajo
Escuela de Ingeniería IndustrialDepartamento de Física Aplicada
Universidad de Vigo
Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales
• ¿Qué es el micromecanizado?
Proceso de fabricación
1 µmMaterial base
Pieza con dimensiones del orden de decenas o centenas de micras
MicromecanizadoIntroducción
• Ejemplos de micromecanizado
Micromecanizado
Stent coronarioMEDICINA
Micro-taladrosMICROFLUIDICAELECTRÓNICA
Inyector de tintaELECTRÓNICA
Introducción
Dept. Física Aplicada
• Micromecanizado por haz láser Utiliza un haz de fotones para fundir o vaporizar. La energía se concentra en un área muy reducida. Acabados excelentes. Elevada precisión.
Técnicas de micromecanizadoIntroducción
Dept. Física Aplicada
• No hay contacto entre la pieza y la herramienta.
• Posibilidad de trabajar con materiales muy diversos.
• Diámetros de focalización pequeños. Elevada precisión.
• Velocidades de corte elevadas.
Ventajas del micromecanizado con láserIntroducción
Dept. Física Aplicada
Diseño de una estación de microprocesado láser que cumpla los siguientes
requisitos:
o Modular
o Con atmósfera controlable
o Monitorización del área de trabajo
o Multipropósito
o Compacta y fácilmente transportable
Objetivo
Dept. Física Aplicada
Posicionamiento y sujeción de
muestras planas
Diseño
Posicionamiento y sujeción de muestras cilíndricas
Posicionamiento y sujeción de muestras
planas
Soporte cabezal de
procesamientoFocalización, protección y
aporte de gas
Sistema de monitorización
Reductor de haz
Sistema de alimentación del haz
Sopo
rte
Prot
ecci
ón y
alim
enta
ción
• Objetivo de focalización
Transmisión del 98% radiación 1064 nm
Irradiancias máx. Distancia trabajo: 35 mm
Requisitos particulares: Diámetro en el foco < 50 µm
Distancia focal reducida (<50 mm)
Transmisión elevada para longitudes de onda λ
Cabezal de procesamientoDiseño
Dept. Física Aplicada
• Objetivo de focalización. Diámetro mínimo del área de trabajo.
< 50
Cabezal de procesamientoDiseño
Dept. Física Aplicada
• Objetivo de focalización. Ensamblaje.
Objetivo de focalización
Taladro roscado
Adaptadores de rosca
Cabezal de procesamientoDiseño
• Objetivo de focalización. Protección del objetivo y aporte de gases.
Pieza superior
Pieza inferior
Boquilla
Taladro para rácor de aporte de gas
• Ventana de protección Modelo EO Ref.: 84-446. Transmite radiación de 1070 nm. Irradiancia máx para pulsos de
10 ns. Protección rozamiento mediante
juntas tóricas.
Cabezal de procesamientoDiseño
• Sistema reductor de hazCabezal de procesamientoDiseño
𝐷h𝑎𝑧=𝐷𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒
1,5
• Sistema reductor de hazCabezal de procesamientoDiseño
• Lente plano-cónvexa Transmitancia elevada para
radiación 1070 nm. Distancia focal 100mm. Irradiancia máx para pulsos de
10 ns.
• Lente plano-cóncava Transmitancia elevada para
radiación de 1070 nm. Distancia focal 40mm Irradiancia máx para pulsos de
10 ns.
Posicionamiento y sujeción de
muestras cilíndricas
Posicionamiento y sujeción de
muestras planas
Diseño
Posicionamiento y sujeción de
muestras planas
Posicionamiento y sujeción de muestras cilíndricas
Posicionamiento y sujeción de muestras
planas
Soporte cabezal de
procesamientoFocalización, protección y
aporte de gas
Sistema de monitorización
Reductor de haz
Sistema de alimentación del haz
Sopo
rte
Prot
ecci
ón y
alim
enta
ción
• Cámara USB
Requisitos particulares: Dimensiones reducidas.
Bajo peso.
Posibilidad de ver procesos a escala micrométrica. Edmund Optics
EO-0413C
44x44x25.4 mm
Peso aprox. 50 g
Tamaño de píxel: 6x6 µm
Cabezal de procesamientoDiseño
Dept. Física Aplicada
• Cámara USB
Soporte cámara
CámaraRanura conexión
USB Tuerca de sujeción
Peso aproximado del conjunto:215 g
Cabezal de procesamientoDiseño
Dept. Física Aplicada
• Cámara USB. Espejo dicroico.
Cámara
Substrato
Espejo dicroico
Radiación láser
Radiación visible
Cabezal de procesamientoDiseño
• Cámara USB. Espejo dicroico.
Edmund Optics
Irradiancia máx. para pulsos de 10 ns.
Banda de transmisión 1045 a 1650 nm.
Banda de reflexión 200 a 1005 nm.
Diámetro 50 mm.
Cabezal de procesamientoDiseño
Dept. Física Aplicada
Diseño
Posicionamiento y sujeción de muestras cilíndricas
Posicionamiento y sujeción de muestras
planas
Cabezal de procesamiento
Focalización, protección y
aporte de gas
Sistema de monitorización
Reductor de haz
Sistema de alimentación del haz
Sopo
rte
Prot
ecci
ón y
alim
enta
ción
Recorrido: 100 mm Velocidad máx.: 500 mm/s Resolución: 0.5 µm Carga máx.: 1 kg.
Sistema de posicionamiento de muestras planasDiseño
Dept. Física Aplicada
• Sistema de posicionamiento (EJE X)
• Sistema de posicionamiento (EJE Z)
MLJ050/M Thorlabs
Recorrido: 50 mm Velocidad máx.: 3 mm/s Resolución: 0.8 nm Carga máx.: 20 kg
Sistema de posicionamiento de muestras planasDiseño
Dept. Física Aplicada
Pieza fija
Pieza móvil
Sistema de sujeción de muestras planasDiseño
Sistema de movimiento y fijación
Mesa rotatoria
Mesa de posicionamiento grueso (EJE Y)
Sistema de posicionamiento de muestras cilíndricasDiseño
Dept. Física Aplicada
Mesa de posicionamiento fino (EJE X)
Requisitos particulares: Tubos de diferentes
diámetros. Inmovilización total de
las piezas. Muestra coaxial al eje
de la mesa rotatoria.
Sistema de sujeción de muestras cilíndricasDiseño
Dept. Física Aplicada
Muestra
Camisa
Sistema de
sujeción
Dos escuadras. Sujeción a la estructura
principal mediante un perfil ITEM adicional.
Cabezal intercambiable entre las dos estaciones.
Estructura soporte. Sujeción del cabezal.Diseño
Dept. Física Aplicada
Estructura soporte. Sujeción del cabezal.Diseño
Haz láser
Estructura soporte. Sujeción del cabezalDiseño
Desplazamiento en el eje Y:-
Desplazamiento en el eje X:
Dept. Física Aplicada
Y
X
Requisitos particulares: Dimensiones similares a la
base de la estructura soporte. Debe soportar el peso de los
sistemas de posicionamiento. Versátil.
450 x 600 mm 10 mm de espesor Matriz de taladros
Thorlabs MB4560:
Estructura soporte. Sistemas de posicionamientoDiseño
• Cubiertas exteriores. Paneles de metacrilato
Sellado mediante juntas de hilo tórico.
Sistema de protección para radiación difusa: film adhesivo opaco para radiación de 1070 nm.
Estructura soporte. AislamientoDiseño
Dept. Física Aplicada
• Cubiertas exteriores. Panel de aluminio
Pasamuros para aporte de gases
Pasamuros eléctrico conexión multi-pin
Pasamurosconexión
USB
Estructura soporte. AislamientoDiseño
Sellado mediante juntas de hilo tórico.
Dept. Física Aplicada
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