Формирующее устройство для термомагнитной обработки в селективном лазерном плавлении

Полезная модель относится к конструкции устройства для аддитивного производства трехмерных изделий методом селективного лазерного плавления или спекания, в котором дополнительная термообработка и обработка магнитным полем осуществляется непосредственно в устройстве для аддитивного производства, что может способствовать как увеличению производительности, так и улучшению свойств получаемых изделий.
Хорошо известны случаи применения магнитного поля при литье металлов, оказывающие благоприятное влияние на формирование структуры как магнитных, так и немагнитных материалов.  При отливке изделий отмечается возникновение гидродинамических эффектов в расплавленном металле, способствующих образованию более плотной и мелкозернистой структуры. Более того, сильные магнитные поля способствуют большей интенсивности зарождения центров кристаллизации и меньшей скорости их роста, что приводит к измельчению зерна в слитке. Подобные явления приобретают тенденцию к использованию в аддитивном производстве для контроля процесса роста кристаллов и формирования структуры с требуемыми свойствами.
Известна конструкция устройства для аддитивного изготовления изделий лазерным воздействием на порошковый материал, описанная в патенте US 2017336191 (A1), включающая подключенные к процессору электромагнит, связанный с источником питания, и источник энергии, генерирующий энергетический пучок, направление которого контролируется с помощью сканирующего зеркала.
Принцип работы аппарата заключается в следующем. Производится нанесение слоя порошка на платформе с помощью устройства дозирования, далее при одновременной работе электромагнитов, создающих магнитное поле, осуществляется обработка выравненного слоя с помощью лазерного излучения, испускаемого источником энергии и направляемого с помощью сканирующего зеркала на участки слоя, заданные программой. Управление источником питания и электромагнитами производится через процессор так, что магнитное поле изменяется в соответствии с предварительно установленным шаблоном.
Результатом применения данной конструкции является то, что разные магнитные, термические или электрические свойства могут быть реализованы в разных частях изделий.
Ряд конструкционных решений для устройства для аддитивного изготовления изделий представлен в патенте CN107708897. Одно из предложенных устройств для аддитивного производства включает в себя опору для поддержки изготавливаемого объекта, дозатор для подачи слоя порошка и источник энергии для обработки части самого верхнего порошкового слоя. В устройстве также имеются магниты в виде катушек индуктивности, намотанных вокруг вертикальной оси так, что одна расположена между источником энергии и слоем порошка, параллельным опоре, а другая ниже ее уровня, так, чтобы магнитное поле воздействовало как на часть, так и на весь слой порошка. Опора может включать стол с возможностью перемещения в вертикальном направлении с помощью привода, а также стенки для ограничения рабочей области и хранения порошка.
Приведенное выше устройство для аддитивного изготовления изделий обусловлено обеспечением и контролем ориентации и размера зерен с целью формирования однородной или неоднородной структуры, в том числе анизотропной. Так, применение магнитного поля может обеспечить преимущественную ориентацию зерен, например, в вертикальном направлении в случае применения магнитного поля, перпендикулярного слою материала.
Недостатком устройства является то, что при опускании платформа достигает уровня стационарной системы катушек индуктивности, тем самым выходя из области равномерного распределения магнитного поля. Таким образом, заданные параметры магнитного поля искажаются, влияя на равномерность распределения свойств.
Конструкции представленных выше изобретений включают устройства, формирующие магнитное поле, выполненные в виде постоянных магнитов или электромагнитов, и обеспечивающие обработку магнитным полем в различных направлениях. Между тем их конструкции не предусматривают устройств подогрева порошкового материала в рабочей области и в связи с этим вероятность появления структурных дефектов в изделии повышается.
Решение проблемы устранения структурных дефектов предложено в выбранном в качестве прототипа патенте CN106141185. Описанный в документе так называемый формирующий цилиндр, представляющий собой полую трубу для селективного лазерного плавления в сильном магнитном поле, содержит платформу с возможностью возвратно-поступательного движения, а также гидравлический цилиндр и поршень. В стенку формирующего цилиндра встроены нагревательный элемент в виде трубки, а также первый измеритель температуры. Верхняя часть корпуса цилиндра снабжена защитной крышкой, и на ее внешней стороне, охваченной теплоизоляционным слоем, установлены система электромагнитных индукторов в виде катушек, подключенная к источнику питания промежуточной частоты, прибор измерения магнитного поля, а также электромагнитный датчик. Платформа, образующая со стенками цилиндра ванну для порошка, обеспечена нагревательной подложкой, ограниченной с одной стороны теплоизоляционным слоем и содержащей множество нагревательных канавок. Нагревательные элементы стенки цилиндра и подложки, система электромагнитных индукторов, измерители температуры, прибор измерения магнитного поля и электромагнитный датчик подключены к общей системе управления.
Заявленный выше формирующий цилиндр относится к устройству для аддитивного изготовления изделий преимущественно сложной геометрии, обусловленного как высокой по сравнению с другими существующими технологиями производительностью, так и экономической целесообразностью.
Несмотря на то, что данное техническое решение направлено на предотвращение коробления изделия и возникновения дендритной ликвации и других дефектов микроструктуры, а также на обеспечение равномерного внутреннего нагрева заготовки, формирующий цилиндр для селективного лазерного плавления не обеспечивает перемещения источников магнитного поля. Таким образом, магнитное поле формируется только в верхней части формирующего цилиндра, что ограничивает область формирования требуемых свойств заготовки, и как следствие, ее габариты.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является увеличение области магнитного воздействия и расширения функциональных возможностей установки для аддитивного производства.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что устройство включает камеру для обработки слоя порошка, основание, выполненное в виде трубы, и в сквозной полости которой содержится подогреваемая платформа с возможностью возвратно-поступательного движения, образующая в рабочем состоянии со стенками трубы ванну для порошкового материала, и магнитную систему, обеспечивающую создание магнитного поля в зоне расплава и порошковой ванны, при этом магнитная система в виде, по меньшей мере, одной катушки индуктивности, установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно ванны с порошковым материалом и расположена с внешней стороны.
Таким образом, устройство позволяет провести термическую и магнитную обработку без использования дополнительных аппаратов и сформировать однородное магнитное поле как в зоне обработки слоя, так и во всем объеме порошковой ванны, что позволяет получать материалы с однородной или выборочной неоднородной структурой и свойствами с минимумом структурных дефектов, в том числе т.н. функционально-градиентные материалы.
Однородность магнитного поля в области формирования слоя в случае приложения постоянного магнитного поля способствует ориентации кристаллов в соответствии с направлением легкой намагниченности, формируя доменную структуру и тем самым упорядочивая кристаллическую структуру. Кроме того, в случае приложения к обрабатываемому слою порошка переменного магнитного поля в ванне расплава создается термоэлектрический вихревой ток, который способствует дроблению формирующихся дендритных образований. В обоих случаях уменьшение скорости кристаллизации расплава металла обеспечивается за счет использования обогреваемой платформы, передающей тепло к рабочей области, расположенной в полости, ограниченной стенками выполненного в виде трубы основания.
На фиг. 1 представлен один из вариантов осуществления конструкции формирующего устройства для термомагнитной обработки.
Формирующее устройство для термомагнитной обработки в селективном лазерном плавлении состоит из выполненного в виде трубы основания 1, содержащего в полости формируемую деталь 2, расположенную на платформе 3, включающую нагревательное устройство 4 и связанную с поршнем 5, и камеры 6, соединенной с верхней частью основания и располагающейся над ней. Камера 6 содержит перемещаемое устройство нанесения материала 7, и в верхней части пирометр 8 и сканатор 9. С внешней стороны камера 6 и основание 1 формирующего устройства охвачены системой электромагнитов, выполненных в виде соосно расположенных основной катушки индуктивности 10 и дополнительных 11 в количестве более одной, закрепленных на линейных приводах 12. В основание платформы встроены датчики температуры 13 и датчики магнитного поля 14. Также датчики магнитного поля установлены в верхней части внешней поверхности основания.
Послойное лазерное сплавление осуществляется в камере 6 с помощью лазерного пучка, направляемого сканатором 9 на предварительно распределенный с помощью устройства нанесения 7 на платформе 3 слой порошка. Обработка слоя лазерным пучком осуществляется при одновременной работе электромагнитов 10 и 11, далее после обработки слоя платформа 3 вместе с формируемой деталью 2 опускается на высоту слоя с помощью поршня 5 рабочую область основания 1 формирующего устройства. Представленный цикл операций повторяется до момента полного изготовления объекта.
Данная конструкция обеспечивает образование зоны равномерного однородного магнитного поля в области построения детали и порошковой ванне, что позволяет контролировать и формировать однородные свойства во всем объеме материала изделия или в заданной части. Такие условия могут быть достигнуты в случае соосного расположения катушек индуктивности равного диаметра на определенном расстоянии друг от друга. Увеличение зоны распространения однородного магнитного поля, целесообразное для деталей, у которых один размерный параметр превышает по значению два других, возможно при установке дополнительных катушек индуктивности. Дополнительные катушки индуктивности располагаются относительно друг друга соосно на расстоянии, равным радиусу любой установленной катушки индуктивности, так и отличным от него.
Возвратно-поступательное движение катушек осуществляется с помощью линейных приводов, располагающихся на внешней стороне стенок основания и камеры, при этом катушки закреплены коаксиально основанию формирующего устройства на держателях, связанных с линейными приводами. Управление линейными приводами и, соответственно, движением катушек может осуществляться с помощью системы управления по заранее разработанному алгоритму, при этом перемещение катушек индуктивности может осуществляться как в совокупности с другими катушками, так и по отдельности.
Датчики магнитного поля с целью контроля напряженности расположены в основании платформы, например, в центральной и периферийной части платформы, а также с внешней стороны верхней части цилиндра. В качестве устройств измерения магнитного поля в рабочей области могут быть использованы датчики Холла, встроенные в платформу. Управление работой датчиков может осуществляться таким образом, что датчики отключаются при достижении деталью определенной высоты, более конкретно, при выходе детали или ее части из зоны воздействия магнитного поля одной из установленных катушек.
Датчики температуры расположены в основании платформы, фиксируя температуру в центральной и периферийной части платформы. С целью контроля распределения температуры как в рабочей области, так и в объеме изготавливаемого изделия, в верхней части камеры может быть установлен пирометр.