Установка для аддитивного изготовления трехмерного изделия

Полезная модель относится к технологии аддитивного изготовления изделий с использованием лазерного излучения.
Аддитивное производство включает в себя процессы, направленные на формирование объектов последовательным добавлением материалов, в отличие от традиционных «субтрактивных» методов, применяющихся в машинной обработке и подразумевающих удаление лишней массы (резка, фрезерование, сверление и т.д.).
Известно, что 3D-принтер для изготовления изделий - это специальное устройство, которое дает возможность создавать, в том числе и металлические изделия, путем последовательного нанесения тонких слоев базового материала на заготовку или специальную подложку. Базовая последовательность операций следующая:
- при помощи компьютера, сканера и специального программного обеспечения создается виртуальная модель в трех плоскостях, разделенная на цифровые слои.
- физическое формирование изделия путем послойного нанесения расплавленного или спекаемого металла (или неметалла).
Известен патент RU (11) 2574536, МПК B22F 3/105, B22F 5/04, B23K 26/34, С23С 26/00, F01D 9/02, публикация: 27.05.2015. Техническое решение относится к способу изготовления трехмерной металлической детали, включающему стадии, на которых последовательно наращивают указанную деталь из металлического базового материала с помощью процесса аддитивного изготовления путем сканирования энергетического луча, при этом создают контролируемую ориентацию зерен в направлении Z, перпендикулярном плоскости X-Y детали, и направлении в плоскости X-Y детали, причем ориентацию зерен в плоскости X-Y детали создают путем сканирования энергетического луча в соответствии с профилем ее сечения или условиями локальной нагрузки на деталь, при этом регулирование ориентации зерен в плоскости X-Y детали достигается проведением траекторий движения сканера в последовательных слоях попеременно, параллельно и перпендикулярно направлению, соответствующему наименьшему значению модуля Юнга в детали.
Разнонаправленное сканирование (плавление) слоев порошка не влияет на пористость изделия, шероховатость и квалитет его поверхности, а также энергетические и временные параметры технологии, поэтому недостатками этого технического решения являются не высокая точность и чистота поверхности изделий в особенности сложной конфигурации, в том, числе с сетчатой, ячеистой или сотовой внутренней структурой.
Эти недостатки в значительной степени устранены в принимаемом за прототип патенте RU 2674588 С2 (МПК, B23K 31/00, B23K 26/342, B23K 37/02, публикация 25.10.2018). Техническое решение относится к способу аддитивного изготовления трехмерного изделия и установке для его осуществления. Создают трехмерную модель указанного изделия, разделенную послойно на расчетные сечения для последующего управления процессом послойного плавления лазерным лучом базового материала в виде двух проволок разной тугоплавкости и диаметров. Сначала формируют граничные слои изделия послойным свариванием лазерным лучом более тугоплавкой проволоки и затем заполняют пространство между граничными слоями послойным плавлением лазерным лучом менее тугоплавкой проволоки. Установка содержит конструкционную опору для поддержания изделия во время построения, узел подачи базового материала в зону построения и лазерный узел. Упомянутая конструкционная опора выполнена в виде платформы с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси и движения вдоль нее с помощью позиционера. Узел подачи базового материала состоит из устройства подачи более тугоплавкой проволоки, имеющего возможность движения вдоль двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей, вращения вокруг его вертикальной оси и поворота вокруг продольной оси этого устройства, а также устройства подачи менее тугоплавкой проволоки, имеющего возможность движения вдоль двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей и вращения вокруг его вертикальной оси. Лазерный узел состоит из двух лазерных оптических головок, закрепленных, соответственно, на устройстве подачи более тугоплавкой проволоки и на устройстве подачи менее тугоплавкой проволоки. Технический результат заключается в повышении точности и чистоты поверхности изделий сложной конфигурации, изготовленных посредством аддитивной технологии.
Недостатком установки является недостаточная надежность обеспечения непрерывности процесса аддитивного изготовления трехмерного изделия, особенно при необходимости изменения объема заполнения пространства между граничными слоями в единицу времени и связанная с этим возможность возникновения искажения формы изделия.
Проблема заключается в том, что заполнение полости между граничными слоями необходимо проводить параллельно с процессом сварки этих слоев, так как процесс непрерывен по своей сути (построение граничных слоев невозможно приостановить) и межграничное пространство в готовом изделии герметично замкнуто граничными слоями. Кроме того, стенки полости (граничные слои) тонкие (обычно менее 1 мм) и наращивание их высоты без поддержки нижних слоев может привести к искажениям формы изделия (сверху привариваемая проволока технологически прижимается роликом). Заполнитель полости должен служить поддержкой тонких граничных слоев.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении непрерывности одновременного заполнения полости изделия между граничными слоями с их свариванием и исключения технологического искажения формы изделия.
Указанный технический результат достигается в установке для аддитивного изготовления трехмерного изделия, содержащей конструкционную опору для поддержания изделия во время построения, выполненную в виде платформы, размещенной с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси и движения вдоль этой оси с помощью установленного на силовой раме позиционера, два узла подачи базового материала в зону построения граничных слоев, имеющие возможность движения вдоль горизонтальной оси, вращения вокруг их вертикальных осей и поворота вокруг продольных осей этих узлов, и два лазерных узла, закрепленных на узлах подачи базового материала, тем, что в установку введен закрепленный на опоре силовой рамы узел подачи в пространство зоны построения граничных слоев быстроотверждаемого жидкого состава, адгезионного к материалу граничных слоев, расположенный с возможностью подачи упомянутого состава между узлами подачи базового материала по направлению поворота платформы.
На фиг. 1 показана схема подачи наполнителя в установке для аддитивного изготовления трехмерного изделия.
На фиг. 2 показан общий вид и конструктивная схема механизма перемещения каретки заполнения межграничного пространства.
На фиг. 3 показан общий вид и конструктивная схема механизма регулирования количества подаваемого композитного состава
а) - свободный проход композита по трубкам, б) - полное перекрытие потока.
На фиг. 4 показана схема изготовления изделий с многослойными герметичными стенками методом послойной лазерной сварки (вид сверху и сечения) с двумя узлами подачи базового материала в зону построения граничных слоев и расположением узла подачи быстроотверждаемого жидкого состава между узлами подачи базового материала.
На фиг. 5 представлены примеры изделий с многослойными герметичными стенками: цилиндр и конус (общий вид и разрезы).
Установка (фиг. 1) для аддитивного изготовления трехмерного изделия содержит конструкционную опору 1 для поддержания изделия 2 во время построения, выполненную в виде платформы 3, размещенной с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси и движения вдоль этой оси с помощью установленного на силовой раме 4 позиционера (не показан из прототипа), два узла подачи базового материала 5 в зону построения граничных слоев 6, имеющие возможность движения вдоль горизонтальной оси, вращения вокруг их вертикальных осей и поворота вокруг продольных осей этих узлов, и два лазерных 7 (фиг. 4) узла (не показаны на фиг. 1), закрепленных на узлах подачи базового материала 5,
В установку введен закрепленный на опоре силовой рамы 4 узел подачи 8 в пространство зоны построения граничных слоев 6 быстроотверждаемого жидкого состава, адгезионного к материалу граничных слоев.
Такая совокупность признаков обеспечивает непрерывность одновременного заполнения полости изделия между граничными слоями с их свариванием и позволяет исключить технологическое искажение формы изделия, так как подаваемый в зону построения быстроотверждаемый жидкий состав, адгезионный к материалу граничных слоев, служит поддержкой тонких граничных слоев 6 даже в случае технологического поджима их роликом.
Узел подачи 8 в пространство зоны построения граничных слоев быстроотверждаемого жидкого состава выполнен в виде герметичных баллонов 9 для компонентов состава с трубками 10 для их подачи в смеситель 11, компрессора 12 со шлангами 13 для нагнетания давления в упомянутых баллонах 9, смесителя 11 состоящего из шприца 14 по числу компонентов со смесительным шнеком 15 для подачи состава 15а в заполняемое пространство зоны построения, механизма перемещения 16 каретки заполнения межграничного пространства с упомянутым шприцом 14 для перемещения смесителя 11 при изменении расстояния от зоны построения до оси вращения платформы 3 и закрепленного на упомянутых трубках 10 механизма регулирования 17 количества подаваемого состава.
В качестве быстроотверждаемого жидкого состава, адгезионного к материалу граничных слоев, использован, по меньшей мере, двухкомпонентный отверждаемый состав на основе эпоксидных смол или полиуретанов.
Узел подачи 8 в пространство зоны построения граничных слоев быстроотверждаемого жидкого состава расположен между узлами подачи базового материала.
В общем виде установка функционирует следующим образом.
Граничные слои 6 (стенки) изделия изготавливаются методом послойной лазерной (или иной) сварки металлической проволоки (а при определенных условиях также ленты, порошка или иного базового материала). Образующееся межграничное пространство (полости), заполняются жидким, в частности, двухкомпонентным отверждаемым составом (клеем), обладающим хорошей адгезионной способностью к металлу (материалу граничных слоев) и малой усадкой.
Заполнение проводится параллельно с процессом сварки граничных слоев, так как процесс непрерывен (построение граничных слоев невозможно приостановить) и межграничное пространство в готовом изделии герметично замкнуто граничными слоями (см. фиг. 5). Кроме того, стенки (граничные слои) очень тонкие (менее 1 мм) и наращивание их высоты без поддержки нижних слоев может привести к искажениям формы изделия (сверху привариваемая проволока прижимается роликом). Наполнитель служит поддержкой тонких граничных слоев.
Заполнение на основе эпоксидных смол или полиуретанов производится жидким двухкомпонентным отверждаемым составом с хорошей адгезионной способностью к металлу (материалу граничных слоев), малой усадкой, малым временем отверждения и достаточной твердости.
В этом случае установка состоит из следующих элементов:
- двух герметичных баллонов 9 с трубками (силиконовыми или ПВХ) для подачи двух компонентов состава в смеситель 11;
- воздушного компрессора 12 с разветвителем и двумя шлангами 13 высокого давления для нагнетания давления в баллонах 9;
- смесителя 11, состоящего из двойного шприца 14 со смесительным шнеком 15 для смешивания двух компонентов и подачи смеси в заполняемое пространство;
- механизмом перемещения каретки заполнения межграничного пространства (см. фиг. 2) для перемещения смесителя при изменении расстояния от заполняемой полости до оси вращения платформы.
Шаговый двигатель 18 через муфту 19 передает крутящий момент на шпильку 20, приводя в движение каретку 16, через гайку 21. На каретке 16 расположен шприц 14 подачи композитного состава;
- системы регулирования скорости подачи наполнителя, работающей в автоматическом (управляемом программой построения) или ручном режиме управления (см. фиг. 3).
Шаговый двигатель 22 передает момент на шпильку 23, тем самым перемещая планку 24 к планке 25. На планках находятся специальные башмаки, которые пережимают трубки 10, позволяя регулировать поток композитного состава.
Использование компрессора 12 позволяет сохранять неизменным давление в системе подачи жидких компонентов, вне зависимости от высоты столба жидкости в емкостях. Это, в свою очередь, позволяет точно регулировать скорость подачи наполнителя с помощью механизма регулирования количества подаваемого композитного состава, что позволяет выращивать детали сложной геометрии с изменяющимся объемом заполнения.
Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, который заключается в обеспечении непрерывности одновременного заполнения полости изделия между граничными слоями с их свариванием и исключения технологического искажения формы изделия.