Устройство для лазерной обработки материалов

Полезная модель относится к области машиностроения, предназначена для лазерной обработки материалов и может быть использована для порошкового спекания, сварки, пайки, резки металлов и сплавов, композиций и ряда пластиков.
Из уровня техники известно устройство послойного получения трехмерного объекта из порошкообразного материала, содержащее технологическую платформу для послойного размещения порошкообразного материала, модуль для нанесения и уплотнения слоев порошкового материала на платформу или на ранее упрочненный слой, содержащего нож, с возможностью его возвратно-поступательного перемещения вдоль платформы, лазерный узел, установленный с возможностью селективной обработки порошкового материала каждого слоя на платформе до формирования готового объекта (Патент РФ на изобретение №2370367, В29С 67/00, 2006 г.).
Недостатком известного технического решения является низкое качество микроструктуры и геометрические погрешности получаемых изделий, обусловленные неоптимальным энергетическим воздействием лазерного источника на исходный порошковый материал.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является устройство для лазерной обработки материалов, включающее средство базирования, предназначенное для размещения обрабатываемого объекта в зоне действия лазерного луча, наличие, по меньшей мере, двух источников лазерного излучения и поворотного зеркала (RU №2383416 С1, опубл. 10.03.2010).
К недостаткам прототипа следует отнести наложение лучей в зоне обработки, что ведет к увеличению энерговклада и, как следствие, возникновению перегрева и других нежелательных эффектов.
Указанный недостаток устранен в устройстве для лазерной обработки материалов, принятом за прототип, включающем один основной лазер, выполненный с возможностью направления луча в зону обработки, по крайней мере один дополнительный лазер, поворотное зеркало, предназначенное для направления луча от дополнительного лазера в зону обработки, средство базирования, предназначенное для размещения обрабатываемого объекта в зоне обработки, и размещенное между поворотным зеркалом и упомянутым средством базирования средство позиционирования лазерного луча, причем поворотное зеркало установлено с возможностью перекрытия луча основного лазера и выполнено с отверстием, предназначенным для прохождения луча основного лазера к зоне обработки (Патент РФ №167356 U1, опубл.).
К недостаткам прототипа следует отнести недостаточное качество обработанного/полученного изделия, обусловленное наличием резкой температурной границы зон нагрева лучами основного и дополнительного лазеров.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является сглаживание температурной границы зон нагрева лучами основного и дополнительного лазеров.
Технический результат заключается в повышении качества получаемых изделий.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для лазерной обработки материалов, включающем один основной лазер, выполненный с возможностью направления луча в зону обработки, по крайней мере один дополнительный лазер, поглотитель части лазерного излучения дополнительного лазера, поворотное зеркало, предназначенное для направления луча от дополнительного лазера в зону обработки, средство базирования, предназначенное для размещения обрабатываемого объекта в зоне обработки, и размещенное между поворотным зеркалом и упомянутым средством базирования средство позиционирования лазерного луча, причем поворотное зеркало установлено с возможностью перекрытия луча основного лазера и выполнено с отверстием, предназначенным для прохождения луча основного лазера к зоне обработки, между поворотным зеркалом и средством позиционирования лазерного луча размещен сглаживающий оптический фильтр, в качестве которого оптимально использовать piShaper.
Полезная модель поясняется изображениями, где:
- на Фиг. 1 представлена схема заявленного устройства;
- на Фиг. 2 схематично представлено пятно нагрева.
Позиции согласно представленным изображениям означают следующее:
1 - основной источник лазерного излучения;
2 - коллиматор;
3 - дополнительный источник лазерного излучения;
4 - коллиматор дополнительного источника лазерного излучения;
5 - поворотное зеркало с отверстием;
6 - рабочий лучевой тракт;
7 - средство позиционирования лазерного луча (сканатор);
8 - фокусирующая линза;
9 - лазерное излучение дополнительного лазера;
10 - лазерное излучение основного лазера;
11 - обрабатываемый объект;
12 - разравнивающий ролик;
13 - базовая поверхность;
14 - исходный порошковый материал;
15 - дозатор исходного порошкового материала;
16 - технологическая платформа;
17 - станина;
18 - средство контроля перемещения;
19 - средство базирования;
20 - зона воздействия основного лазерного излучения;
21 - зона воздействия дополнительного лазерного излучения;
22 - оптический поглотитель лазерного излучения;
23 - сглаживающий оптический фильтр (piShaper);
24 - граница зон нагрева лучами основного и дополнительного лазеров.
Полезная модель основана на выполнении одного из промежуточных зеркал с апертурой (отверстием), концентричным с рабочим трактом установки для возможности получения лазерного пятна с непересекающимися концентричными областями лазерного воздействия. Как правило, лазерные источники генерируют луч с Гауссовым распределением плотности мощности. Такое распределение характеризуется большой интенсивностью излучения в центре пятна и ее уменьшением к периферии. При одновременном использовании двух лазерных источников происходит их наложение в зоне обработки. Температура сильно влияет на микроструктуру материала, которая в свою очередь, во многом определяет физико-механические свойства. Так как селективное лазерное плавление характеризуется полным расплавлением порошка и быстрой кристаллизацией, то во время процесса происходят фазовые превращения, на протекание которых влияет количество сообщенного тепла. Недостаточный нагрев может привести лишь к частичному расплавлению гранул порошка, что приведет гетерогенности единичных валиков (а вместе с ними и изделия, так как оно является суперпозицией единичных треков), возникновению в них пор, а также большому количеству ликваций.
Избыточный энерговклад может привести к испарению материала, что негативно скажется на геометрии трека, и, как следствие, точности размеров изделия. Кроме этого, при работе с двумя и более видами материала (смесь порошков, подложка), всегда есть опасность перегреть более легкоплавкий металл, что может также привести к его испарению, кипению, и в некоторых случаях нежелательному перемешиванию. Все это ведет к значительному порообразованию, трещинообразованию, выделении нежелательных фаз, гетерогенности микроструктуры, неравномерной усадке. Перемешивание слоев - нежелательный эффект, который образуется при высокой концентрации мощности излучения в одной точке. При этом первый слой изделия неизбежно перемешивается с подложкой, в результате чего получается сплав этих материалов со своими физико-химическими свойствами. Все последующие слои, без внесения поправок в рабочие параметры процесса, будут переплавляться с предыдущими, что приведет к многочисленному переплавлению треков. Из-за действия силы тяжести и остаточных напряжений эти валики при постоянном переплавлении и кристаллизации будут нарушать заданную геометрию изделия. Кроме этого многие материалы с увеличением температуры утрачивают жаростойкость и начинают окисляться.
Кроме этого, каждый единичный валик всегда характеризуется зоной, свободной от порошка. Гранулы порошка имеют неправильную форму и, при нанесении очередного слоя, между ними остаются полости. При воздействии лазера тепло распространяется от эпицентра к периферии и там, где достаточно энергии, частицы расплавляются, а более плотный расплав, соответственно, занимает меньший объем. Расплавленные частицы, находящиеся сравнительно далеко от валика имеют свойство консолидироваться, тем самым также освобождая место. Этот эффект влияет на минимальное расстояние между треками при формировании изделия. Для оптимизации процесса необходимо, чтобы ширина зоны, свободной от порошка стремилась к значению ширины валика.
Использование лазерного пятна с непересекающимися концентричными областями лазерного воздействия позволит осуществлять предварительный нагрев материала до его обработки основным лазером. Такой подход позволит уменьшить необходимую мощность основного лазера, что приведет к уменьшению пикового показателя сообщаемой энергии при обычном (Гауссовом) распределении плотности мощности, которое является причиной т.н. «кинжальных» проплавлений, перегревов и испарений.
В частном случае выполнения полезной модели основной лазер выполнен волоконным, а дополнительный - твердотельным с активной средой Nd:YAG.
Ввиду того, что траектории направления основного и дополнительного лазерных излучений совпадают, но при этом не пересекаются, то возникает необходимость в применении поворотного зеркала с отверстием, концентричным рабочему тракту лазера. Отверстие предназначено для беспрепятственного пропускания основного лазерного излучения. Наиболее распространенным распределением плотности мощности лазерных источников является Гауссово распределение. Диаметр пятна и, как следствие, отверстия в этом случае измеряется по порогу абляции и вычисляется по формуле (Siegman А.Е. «How to (maybe) measure laser beam quality», 1997 г.):
,
0
o
где: D - диаметр отверстия, D - диаметр лазерного луча, I - максимальное значение интенсивности.
Такое зеркало, при падении на него от дополнительного источника луча лазера большего диаметра, позволит направлять в зону обработки только периферию пятна, пропуская через отверстие энергию основного лазера.
Часть луча дополнительного лазера, при падении на зеркало с отверстием, отражается от него, попадая в сканирующее устройство, а другая часть беспрепятственно проходит через отверстие, становясь нежелательным излучением. Это излучение нейтрализуется средством поглощения лазерного излучения.
Оптический поглотитель - прибор, который используется для нейтрализации лазерного излучения.
В частном случае при работе с маломощными лазерами конструкция поглотителя может представлять собой лишь предмет, преимущественно черного цвета с низким, близким к нулю, коэффициентом отражения.
Однако при работе со средними и мощными лазерами возникает риск возникновения перегрева поглощающего материала, а также отражения лазерного луча, что может привести к негативным последствиям. Обычный плоский поглотитель в большинстве случаев всегда будет отражать некоторую часть лазерного луча. Для предотвращения такого эффекта применяют оптические поглотители, выполненные в виде камер с глубокими полостями, покрытых специальным материалом. Такая поверхность кроме рассеивающей функции участвует в отводе тепла к внешним границам прибора.
В частном случае при работе на высоких и сверхвысоких мощностях используемых лазеров используются поглотители, в которых дополнительно установлено водяное охлаждение.
На фиг. 2 видно, что существует некая граница 24 между зонами нагрева основного и дополнительного лазеров. Неравномерное распределение температур на границе зон нагрева лучами основного и дополнительного лазеров может способствовать ухудшению качества поверхности спекаемого изделия, появлению негативных эффектов, таких как образование трещин на границе зон нагрева. Этого можно избежать, применив сглаживающий оптический фильтр, в этом случае граница размывается и по факту получается монотонный протяженный переход от одной зоны к другой без термических концентраторов напряжения, таких, например, как явно выраженная граница, присущая прототипу. В качестве сглаживающего оптического фильтра был установлен piShaper. Этот оптический прибор способен преобразовать распределение интенсивности лазерного излучения, что позволит снизить появление негативных эффектов, а также уменьшить напряжения, в спекаемом порошке, за счет более равномерного распределения температур в зоне воздействия лазерного излучения.
Устройство для лазерной обработки материалов (на примере устройства лазерного плавления/спекания порошкового материала) работает следующим образом.
В системе автоматического проектирования (САПР) создают трехмерную компьютерную 3D-модель изделия и разбивают ее на поперечные сечения, которые служат основой для послойного изготовления изделия. Технологическую платформу 16 смещают вниз относительно базовой поверхности 13 станины 17 на расстояние, соответствующее толщине текущего слоя изделия 11. При этом точность перемещения технологической платформы обеспечивается средством контроля положения 18. Далее дозатор 15 исходного порошка 14 в виде основания с порошкообразным материалом перемещают вверх на определенную величину, осуществляя при этом подачу порошкообразного материала с запасом для дальнейшего его перераспределения. После этого разравнивающим валиком 12 совершают горизонтальное поступательное движение относительно технологической платформы, захватывая и подавая при этом порошкообразный материал на технологическую платформу. При этом, посредством разравнивающего валика 12 осуществляют уплотнение порошкообразного материала для увеличения однородности и уменьшения пористости слоя. Далее, разравнивающий валик возвращают в свое первоначальное положение. Для сплавления контура текущего слоя порошка основной источник лазерного излучения 1 генерирует лазерный луч 10, проходящий через коллиматор 2. Лазерный луч 10 проходит через отверстие в поворотном зеркале 5, попадает в сглаживающий оптический фильтр 23 и далее в средство позиционирования луча 7. При этом дополнительный источник генерирует лазерный луч 9, который падает на поворотное зеркало с отверстием. Часть излучения проходит через отверстие и нейтрализуется средством оптического поглощения 22. Та часть пятна лазерного луча 9, которая не попадает в отверстие, отражается от зеркала и попадает в сглаживающий оптический фильтр 23 и средство позиционирования луча 7 соответственно. Это устройство отклоняет лазерный луч, проходящий через фокусирующую ƒ-Theta линзу 8, позволяя спекать необходимый контур лазерным пятном.
Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет повысить качество получаемых изделий, за счет более равномерного распределения температур в зоне воздействия лазерного излучения.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для лазерной обработки материалов и может быть использован для порошкового спекания, сварки, пайки, резки металлов и сплавов, композиций и ряда пластиков;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условий патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.