УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к порошковой металлургии, в частности, к технологии послойного синтеза деталей сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка методом селективного лазерного плавления и/или спекания (СЛП) по компьютерной 3-D модели и может найти применение в различных отраслях машиностроения, например, для изготовления сверхпрочных, жаростойких деталей и узлов.
Из уровня техники известно устройство послойного получения изделий из порошкообразного материала компании Phenix System (Франция) (Патент США US7789037, B05C 13/00, 2006 г.). Согласно патенту устройство состоит из следующих основных частей:
- станочная часть с входящими в нее механизмами и устройствами;
- лазер с системой сканирования;
- система управления.
Станочная часть устройства выполнена в виде коробчатой конструкции, обладающей высокой жесткостью для базирования всех остальных узлов. В станочную часть комплекса входят следующие основные узлы и оборудование:
- каркас;
- устройство разравнивания порошка;
- рабочая платформа;
- устройство подачи порошка;
- герметичная камера (или печь);
- газовое оборудование и охлаждение;
- электрооборудование.
Каркас, закрепленный на фундаменте, является базовым узлом. Он представляет из себя конструкцию коробчатой формы, состоящую из металлических труб квадратного сечения. На каркасе установлены все основные узлы (герметичная камера, камера ограждения и др.).
Камера ограждения состоит из панелей, закрепленных снаружи каркаса.
Устройство разравнивания порошка совершает возвратно-поступательное движение в горизонтальном направлении благодаря электроприводу. Основной составляющей устройства разравнивания порошка является ролик с V-образным вырезом. Вырез расположен вдоль оси вращения ролика. Ролик, совершая возвратно-поступательные движения, перетаскивает, разравнивает и уплотняет порошок на рабочей платформе. Материал порошков: любые керамические и металлические порошки (диаметр гранул 10-100 мкм).
Рабочая платформа закреплена снизу высокоточной плиты устройства разравнивания порошка. Рабочая платформа имеет форму колодца, внутри которого перемещается вверх или вниз рабочий стол. На рабочем столе происходит «выращивание» изделия. Стол двигается на четырех круглых направляющих при помощи прецизионной шарико-винтовой пары. Шарико-винтовая пара вращается электродвигателем. Точность позиционирования рабочего стола ±0,001 мм. Размер рабочей зоны: диаметр 250 мм, высота 300 мм, полезный объем 1,5 л.
Устройство подачи порошка закреплено снизу высокоточной плиты механизма разравнивания порошка. Устройство подачи порошка имеет форму колодца, внутри которого перемещается вверх или вниз стол подачи порошка. Стол подачи порошка двигается на четырех круглых направляющих при помощи прецизионной шарико-винтовой пары. Шарико-винтовая пара вращается электродвигателем. Точность позиционирования стола подачи порошка ±0,001 мм.
Герметичная камера (или печь) закрепляется сверху высокоточной плиты механизма разравнивания порошка. Она образует замкнутое пространство, в которое может подаваться газ (аргон, азот и др.). Пространство в герметичной камере может нагреваться до 900°C.
Газовое оборудование и охлаждение. Газовое оборудование осуществляет создание в герметичной камере необходимой атмосферы (аргоновой, азотной и др.). Система охлаждения установки осуществляет охлаждение волоконного лазера мощностью 50 или 100 Вт (в зависимости от комплектации).
3
Волоконный лазер подключен к сканирующей системе, которая позволяет управлять лучом лазера в двух пространственных направлениях. Скорость построения: 1-10 мм/сек.
Недостатком данного устройства является отсутствие контроля уровня поверхности изделия в зоне его формирования, который приводит к неравномерному нанесению порошка, что в конечном итоге резко понижает качество изготавливаемого изделия.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение качества изделия, изготовленного методом селективного лазерного плавления, за счет однородного нанесения порошка.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в контроле уровня поверхности изделия в зоне его формирования.
Заявленный технический результат, получаемый при решении поставленной технической задачи, достигается за счет того, что в устройстве для получения изделий из порошкообразных материалов, содержащем жесткий каркас с установленной на нем высокоточной плитой с базовой поверхностью, камеру, предназначенную для защиты обслуживающего персонала, рабочий бункер, состоящий из поршня с нагревательным элементом и закрепленной сверху подложкой, предназначенной для послойного формирования изделия, и бункер подачи порошка, установленные с возможностью независимого возвратно-поступательного перемещения относительно верхней плоскости высокоточной плиты, бункер сбора излишков порошка, лазерный узел, расположенный над станиной с возможностью обеспечения фокусировки лазерного луча в технологически заданную зону формирования изделия, средство подачи и уплотнения порошкообразного материала в виде разравнивающего ножа, установленное с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формирования слоя изделия, а также средство обеспечения контроля уровня поверхности изделия, средство обеспечения контроля поверхности представляет собой оптический дальномер, установленный в лазерном узле.
Сущность заявленного технического решения заключается в следующем.
При селективном лазерном плавлении происходит полное и/или частичное расплавление частиц порошка лазерным лучом. Изделие формируется послойно. Толщина слоя порошка является одним из важнейших параметров. Подавляющее большинство машин селективного лазерного плавления контроля толщины, нанесенных слоев порошка. Толщину слоя принято считать за величину смешения рабочей платформы. Данный метод не учитывает неравномерность нанесения слоя на рабочей платформе и величину усадки материала после воздействия лазера, что влияет на толщины последующих слоев, и в итоге на качество изделия. Полезная модель поясняется графическими материалами, где схематично изображены на:
Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов состоит из следующих основных деталей, узлов и оборудования:
- каркас 1;
- высокоточная плита 2;
- камера 3;
- рабочий бункер 4;
- поршень 5;
- подложка 6;
- бункер сбора излишков порошка 7;
- разравнивающий нож 8;
- бункер подачи порошка 9;
- лазерный узел 10;
- дальномер 11;
- контроллер 12;
- привод поршня 13.
Каркас 1 (фиг. 1) изготавливается в виде сварной или сборной жесткой конструкции коробчатой формы из металлических труб квадратного сечения. Каркас является базовым узлом для закрепления основных деталей, узлов и оборудования установки.
Высокоточная плита 2 (фиг. 1) устанавливается на каркасе 1 и содержит сквозное отверстие 16 необходимое для перемещения в нем подложки 6 вместе с поршнем 5. Также в высокоточной плите 2 предусмотрено отверстие 15 для ссыпания через него излишков порошка в бункер сбора излишков порошка 7 и отверстие 16 для подачи порций порошка бункером подачи порошка 9.
Камера 3 устанавливается на высокоточную плиту 2. Камера 3 является сборной конструкцией, состоящей из пяти стенок, плотно прилегающих друг к другу. Спереди камера закрывается двумя дверьми со стеклянными защитными окнами. Камера 3 необходима для защиты персонала, обслуживающего устройство для получения изделий из порошкообразного материала, от частиц порошка, которые при работе устройства превращаются во взвесь, для защиты от лазерного излучения и перемещающихся узлов устройства. Внутри камеры 3 возможно осуществление подогрева рабочего пространства до необходимой температуры с целью снижения теплового градиента при формировании изделия. Подогрев рабочего пространства, осуществляется при помощи нагревательного элемента 17 встроенного в поршень 5.
Рабочий бункер 4 установлен на нижней плоскости 18 высокоточной плиты 2 и имеет форму «колодца» квадратного сечения, внутри которого поршень 5 может осуществлять вертикальное возвратно-поступательное перемещение благодаря приводу поршня 13. На поршне 5 установлена подложка 6, на которой происходит формирование изделия. После того как изделие изготовлено оно извлекается из устройства вместе с подложкой 6.
Бункер сбора излишков порошка 7 установлен на нижней плоскости 18 высокоточной плиты 2 и предназначены для сбора излишков порошка.
Разравнивающий нож 8 установлен консольно на задней стенке камеры 3 и имеет возможность горизонтального возвратно-поступательного перемещения параллельно верхней плоскости 19 высокоточной плиты 2 благодаря направляющей рельсового типа 20 и электроприводу (на фигурах не показан).
Бункер подачи порошка 9 предназначен для подпитки рабочего бункера 4 новыми не подвергнутыми лазерной обработке порциями порошка, которые при совместной работе с разравнивающим ножом 8 расстилаются тонким слоем по поверхности подложки 6 (в случае нанесения первого слоя порошка), либо по поверхности обработанного перед этим предыдущего слоя порошка.
Лазерный узел 10 установлен на верхней стенке камеры 3 и необходим для обеспечения фокусировки лазерного луча 21 в технологически заданную зону селективной обработки каждого нанесенного слоя порошка при формировании изделия.
Оптический дальномер 11 имеет форму параллелепипеда и установлен на верхней стенке камеры 3, и имеет возможность определять расстояние до поверхности в определенной точке на подложки 6. Определение величины расстояния может проводиться до нанесения порошка на подложку 6, с целью определения и последующего контроля нулевого уровня подложки 6 и верхней плоскости 19 высокоточной плиты 2. Определение величины расстояние после нанесения порошка на подложку 6, с целью определения и последующего контроля толщины слоя. Определение величины расстояния после сплавления порошка на подложке 6, с целью определения и последившего контроля нулевого уровня. Контроль нулевого уровня и контроль толщины порошка производится за счет корректировки положения поршня 5 на основании показателей датчика дальномера через контроллер 12 (фиг. 1).
Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов 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.
При технологической необходимости в камере 3 рабочее пространство нагревается до необходимой температуры, как правило 70-100°C, нагревательным элементом 17 (фиг. 1).
Поршень 5 устанавливается в нулевое положение, дальномер 11 определяет расстояние, и в случае несоответствия корректирует положение подложки 6 через контроллер.
Поршень 5 в рабочем бункере 4 опускается вниз вместе с подложкой 6 на величину необходимого слоя порошка, который будет подвергнут лазерной обработке.
Бункер подачи порошка 9 поднимает порцию порошка с необходимым запасом над верхней плоскостью 19 высокоточной плиты 2 (фиг. 1).
Разравнивающий нож 8 находящийся в крайнем правом положении перемещается влево (фиг.1 показано пунктиром). По ходу движения нож сгребает порцию порошка над бункером подачи порошка и, проходя над рабочей платформой, наносит равномерный слой порошка на подложку 6. Далее дальномер определяет расстояние до поверхности порошка, и в случае несоответствия положение поршня 5 корректируется и разравнивающий нож 8 повторно наносит или сгребает порошок в зависимости от показаний датчика. Остатки лишнего порошка разравнивающий нож 8 сбрасывает в бункер сбора излишков порошка 7.
Разравнивающий нож 8 возвращается в крайнее правое положение.
Через трубку (на рисунке не показан) пространство внутри каркаса 1 заполняется защитным газом.
Лазерный луч 21, генерируемый и управляемый лазерным узлом 10, по программе селективно переплавляет нанесенный слой порошка.
Дальномер 11 определяет расстояние до переплавленного слоя и с помощь контроллера корректирует положение для последующего нанесения порошка.
Далее на подложку 6 наносится новый слой порошка и процесс повторяется до полного изготовления изделия. При этом всю последовательность технологических процессов осуществляют в автоматическом режиме в технологически регламентированных условиях посредством специальных программно-аппаратных средств.
Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет обеспечить повышение точности геометрии изделия, изготовленного методом селективного лазерного плавления, за счет повышения точности наносимых слоев.
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 получения изделий из порошкообразных материалов сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка методом селективного лазерного плавления и/или спекания по компьютерной 3-D модели и может найти применение в различных отраслях машиностроения, например, для изготовления сверхпрочных, жаростойких деталей и узлов.
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.