УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

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 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.).
Недостатками известного технического решения является образование выступов-неровностей на поверхности селективно оплавленного слоя порошкообразного материала в пограничной зоне «порошок-расплав» за счет усадки расплава в треке и спекания расплава с порошком, что приводит к ухудшению физико-механических свойств сформированного объекта, а также появляется возможность непосредственного разрушения изделия в момент нанесения очередного слоя порошка при зацеплении средства подачи и уплотнения в виде ножа порошкообразного материала за образовавшиеся выступы на поверхности предыдущего слоя.
Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является устройство для получения изделий из порошкообразных материалов содержащее станину с базовой поверхностью, программно организованные технологическую платформу на штоке для послойного формирования на ней изделия и дозатор порошка, установленные с возможностью независимого вертикального возвратно-поступательного перемещения относительно станины, лазерный узел, расположенный над станиной, с возможностью обеспечения фокусировки лазерного луча в технологически заданную зону формирования изделия, средство подачи и уплотнения порошкообразного материала в 2
виде ножа, установленное с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формирования функционального слоя изделия, средство обеспечения плоскостности каждого из функциональных слоев, выполненное в виде цилиндрической фрезы, и установленное с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения вдоль базовой поверхности станины (Патент РФ на полезную модель №124608, B22F 3/105, 2012 г.).
Недостатками данного устройства также является образование выступов-неровностей на поверхности селективно оплавленного слоя порошкообразного материала в пограничной зоне «порошок-расплав», что может привести к неконтролируемому разрушению обработанной поверхности изделия при формировании на ней средством подачи и уплотнения очередного слоя порошка, а также к ухудшению физико-механических свойств готового изделия. Кроме этого средство обеспечения плоскостности в виде цилиндрической фрезы имеет ограниченные возможности при обработке выступов высотой до 15 мкм, твердостью 60-70 и более HRC, а также при обработке протяженных поверхностей изделий 100-150 и более мм.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является устранение влияния выступов-неровностей, образующихся на поверхности функциональных слоев порошкообразного материала при селективном лазерном плавлении, на физико-механические свойства готового изделия, а также расширение технологических возможностей и номенклатуры используемых для этого порошкообразных материалов.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении технологических возможностей и номенклатуры обрабатываемых порошков, а также обеспечение стабильности получения высоких физико-механических свойств готового изделия за счет комбинирования и сочетания используемых механических средств обеспечения плоскостности обрабатываемых функциональных слоев, а также за счет их более точного позиционирования относительно обрабатываемых поверхностей, что в конечном результате приводит к сохранению стабильных по объему изделия полученных методом селективного лазерного плавления микроструктур и определяет высокий уровень механических характеристик готового к эксплуатации изделия.
Заявленный технический результат, получаемый при решении поставленной технической задачи, достигается за счет того, что в устройстве для получения изделий из порошкообразных материалов, содержащем станину с базовой поверхностью, 3
установленную на штоке технологическую платформу для послойного формирования изделия, дозатор порошкообразного материала, 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 ножа, установленного с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формирования слоя изделия, и средство обеспечения плоскостности каждого из слоев порошкообразного материала, обработанных лазерным лучом, выполненное в виде цилиндрической фрезы, установленной с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно поверхности слоя порошкообразного материала, обработанного лазерным лучом, при этом технологическая платформа и дозатор установлены с возможностью независимого вертикального возвратно-поступательного перемещения относительно станины, оно снабжено дополнительным средством обеспечения плоскостности каждого из слоев порошкообразного материала, обработанного лазерным лучом, выполненным в виде шлифовального круга, установленного на станине в зоне обработки слоя порошкообразного материала, обработанного лазерным лучом, с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно поверхности слоя и вращения вокруг собственной оси, средством контроля положения и состояния рабочей поверхности цилиндрической фрезы и шлифовального круга, которое установлено на станине в зоне обработки слоя порошкообразного материала, обработанного лазерным лучом, и средством контроля положения технологической платформы, установленным на ее штоке, при этом твердость частиц абразивного круга составляет 1,1-1,25 твердости порошкообразного материала.
Целесообразно, чтобы дисперсность частиц шлифовального круга составляла 15-150 мкм.
Полезная модель поясняется графическими материалами, где схематично изображены на:
- фиг. 1 - устройство для получения изделий из порошкообразных материалов, вид сверху;
- фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.
Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов содержит жесткую станину 1 (фиг. 1, фиг. 2) с базовой поверхностью 2, программно 4
организованные технологическую платформу 3 для послойного формирования изделия и дозатор 4 порошка в виде основания, установленные с возможностью независимого вертикального возвратно-поступательного перемещения относительно станины 1, бункер 5 сбора излишков порошкообразного материала, а также лазерный узел 6, расположенный над станиной 1, с возможностью обеспечения фокусировки лазерного луча в технологически заданную зону селективной лазерной обработки функционального слоя при формировании методом селективного лазерного плавления объемного изделия. На станине 1 размещено также средство 7 подачи и уплотнения порошкообразного материала в виде ножа, установленное с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формирования единичного функционального слоя 8 объемного изделия, а также средства обеспечения плоскостности функциональных слоев, выполненные в виде цилиндрической фрезы 9 и шлифовального круга 10, установленные с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости вдоль базовой поверхности 2 станины 1 и вращения вокруг собственной оси при взаимодействии с поверхностью функционального слоя 8 в различных сочетаниях: а) - только цилиндрической фрезой 9; б) - только шлифовальным кругом 10; в) фрезой 9 и шлифовальным кругом 10 в различной последовательности. Для реализации контроля над технологическим процессом заявленное устройство содержит средство И контроля положения технологической платформы 3, установленное на штоке ее привода (не показано); установленные в зоне обработки функционального слоя 8 средство 12 контроля положения и состояния рабочей поверхности цилиндрической фрезы 9 и средство 13 контроля положения и состояния рабочей поверхности шлифовального круга 10. При этом средство 11 контроля положения технологической платформы 3 осуществляет контроль над точным позиционированием технологической платформы 3. А средство 12, 13 осуществляет контроль над точным позиционированием и коррекцией рабочего положения обрабатываемых поверхностей цилиндрической фрезы 9 и шлифовального круга 10 относительно обрабатываемой поверхности функционального слоя 8. При этом средства 11, 12 и 13 в совокупности обеспечивают достижение более высоких требований по точности формирования функционального слоя 8 по толщине, плоскостности и качеству поверхности.
Сущность заявленного технического решения заключается в следующем.
Выступы-неровности, образованные в результате селективного лазерного воздействия в треках на границе «расплав-порошок», представляют собой паразитную конструкцию произвольной формы высотой 10-150 мкм, представляющие собой по структуре расплав и/или спеченный порошок. Главное, что эти паразитные конструкции 5
имеют твердость соизмеримую с твердостью исходного порошкообразного материала. При этом упомянутые выступы в процессе селективного лазерного плавления по компьютерной 3-D модели изделия необходимо снимать практически на каждом изготавливаемом функциональном слое изделия. При этом частота необходимости разрушения выступов зависит от плотности мощности лазерного луча и материала исходного порошка. В этой связи использование в качестве дополнительного средства обеспечения плоскостности функциональных слоев, выполненного в виде шлифовального круга, с твердостью абразивных частиц превышающих твердость паразитных выступов является существенным и обоснованным для решения поставленной задачи и достижения результата. Другим существенным признаком заявленного решения является использование в устройстве сверхточных средств контроля положения и состояния рабочих поверхностей фрезы и шлифовального круга, которые способны обеспечить качество поверхности предыдущего функционального слоя уже без твердых выступов для последующего нанесения слоя порошкообразного материала и для осуществления очередного акта послойного селективного лазерного плавления. Использование средства контроля положения технологической платформы со слоем порошка, установленным на штоке привода платформы, в совокупности с другими средствами контроля и управления позволяет в автоматическом режиме обеспечивать соблюдение оптимальных технологических параметров процесса селективного лазерного плавления для расширенной номенклатуры порошков в оптимальном диапазоне используемых для селективного лазерного плавления мощностей лазерного устройства. При этом было установлено, что чем меньше размер частиц исходного порошкообразного материала, а также меньше неровность поверхности и больше сферичность поверхности частиц, тем меньше высота и количество выступов-неровностей на поверхности слоя, обработанного лазерным лучом, что делает обоснованным использование дополнительных средств обеспечения плоскостности обработанных селективным лазерным плавлением функциональных слоев в виде шлифовального круга. При этом, экспериментально было установлено, что твердость частиц абразивного круга должна составлять 1,1-1,25 твердости используемого порошкообразного материала при дисперсности частиц шлифовального круга - 15-150 мкм. При более низких значениях твердости частиц абразивного круга, чем 1,1 твердости используемого порошкообразного материала, образовавшиеся выступы удаляются крайне неэффективно для широкой номенклатуры используемого порошка. А при значениях твердости частиц абразивного круга более, чем 1,25 твердости используемого порошкообразного материала широкой номенклатуры, возникают сложности при изготовлении шлифовального круга с удовлетворительной 6
плоскостностью и износостойкостью, что влияет на качество обеспечения плоскостности функционального слоя.
Устройство для изготовления 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. Технологическую платформу 3 (фиг. 1, фиг. 2) смещают вниз относительно базовой поверхности 2 станины 1 на расстояние, соответствующее толщине функционального слоя 8 изделия. При этом точность перемещения технологической платформы 3 обеспечивают средством контроля положения 11. Далее дозатор 4 порошка 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 ножом 7 совершают горизонтальное поступательное движение относительно технологической платформы 3, захватывая и подавая при этом порошкообразный материал с основания 4 на технологическую платформу 3. При этом, посредством ножа 7 осуществляют уплотнение порошкообразного материала для увеличения однородности и уменьшения пористости слоя 8, а излишки порошкообразного материала сбрасывают в бункер 5 сбора излишков порошкообразного материала. Далее, нож 7 возвращают в свое первоначальное положение. При помощи лазерного узла 6 с заданной скоростью и мощностью в соответствии со сформированной по 3D-модели траекторией перемещения на заданных участках осуществляют переплавление лазерным лучом 14 исходного порошкообразного материала. После переплавления порошкообразный материал затвердевает. Далее цилиндрической фрезой 9, либо шлифовальным кругом 10 в зависимости от значения твердости и размера неровностей-выступов на поверхности функционального слоя 8 совершают рабочие движения вдоль базовой поверхности 2 станины 1 для удаления образовавшихся неровностей-выступов из расплава порошкообразного материала. Если размер неровностей-выступов более 15 мкм по параметру Ra, твердость неровностей-выступов менее 60-70 HRC и ширина поверхности, которую необходимо обработать менее 150 мм, то обработку проводят при помощи цилиндрической фрезы, во всех других случаях обработку проводят шлифовальным кругом. Точность размера удаляемых неровностей-выступов и плоскостность функционального слоя 8 достигается за счет применения средства 12 контроля положения и состояния инструмента фрезы 9, либо за счет средства 13 контроля положения и 7
состояния инструмента шлифовального круга 10. Далее нож 7 совершает горизонтальное поступательное движение относительно технологической платформы 3, проходя над функциональным слоем 8. При этом нож 7 сгребает стружку, образовавшуюся в результате удаления неровностей-выступов, и сбрасывает ее в бункер 5 сбора излишков порошкообразного материала, после чего нож 7 возвращается в свое исходное положение. Единичный функциональный слой 8 заданной толщины и плоскостности в соответствии с компьютерной 3-D моделью сечения изготавливаемого методом селективного лазерного плавления изделия - сформирован. Затем технологическая платформа 3 смещается относительно базовой поверхности 2 станины 1 на расстояние, равное толщине следующего функционального слоя 8 и процесс селективного лазерного плавления повторяют. При этом всю последовательность технологических процессов осуществляют в автоматическом режиме в технологически регламентированных условиях посредством специальных программно-аппаратных средств.
Работа заявленного устройства поясняется на конкретном примере получения изделия методом селективного лазерного плавления из порошка системы CoCr.
Заявленное устройство использовали при изготовлении изделия в форме параллелепипеда размером 20×20×10 мм из порошкообразного материала на основе жаропрочного кобальтового сплава марки CoCr (российская маркировка сплава КХС-«Д»). Толщина наносимых функциональных слоев составляла 50 мкм. Каждый слой порошкового материала обрабатывали лазерным лучом, сфокусированным в базовой поверхности 2 рабочей платформы 3. Лазерный луч генерировался иттербиевым оптоволоконным лазером и имел длину волны 1,06…1,07 мкм. Скорость перемещения лазерного луча составляла 400 мм/с, диаметр пятна лазерного луча - 150 мкм, мощность лазерного источника - 200 Вт, режим работы лазерного источника - непрерывный, расстояние между соседними проходами лазерного луча - 100 мкм.
Обработку функциональных слоев после лазерного сканирования проводили алмазным чашечным коническим шлифовальным кругом 2724-0028 ГОСТ 16172-90, что обеспечивало плоскостность поверхности слоя. Частота вращения круга составляла 2800 об/мин, скорость перемещения - 10 м/мин, глубина шлифования - 5…10 мкм. Шлифование функционального слоя изготавливаемого изделия с размерами 20×20 мм осуществляли за два прохода: на прямом и обратном ходах шлифовального круга.
В качестве средства контроля положения и состояния инструмента фрезы, а также средства контроля положения и состояния инструмента шлифовального круга 8
применялись четыре лазерных датчика Renishaw NC4 (А-4114-5005), каждый из которых состоит из приемного и передающего блоков. Точность перемещения технологической платформы обеспечивали средством контроля положения в виде датчика линейных перемещений ЛИР-ДА7-4-0220-05-3-2-0.1-3-2.0.
После того как изделие было изготовлено с припуском на обработку по высоте равным 100 мкм, данный припуск был удален фрезерованием. Фрезерование проводили цилиндрической фрезой 2200-0301 ГОСТ 29092-91 за один проход на следующих режимах: скорость резания - 10 м/мин, глубина резания - 0,1 мм, ширина фрезерования -20 мм, продольна подача - 25 мм/мин.
Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет обеспечить расширение технологических возможностей и номенклатуры обрабатываемых порошков, а также обеспечить стабильность получения высоких физико-механических свойств готового изделия за счет комбинирования и сочетания используемых механических средств обеспечения плоскостности обрабатываемых функциональных слоев - фрезы и шлифовального круга, а также за счет их более точного позиционирования относительно обрабатываемых поверхностей, что, в конечном результате, приводит к сохранению стабильных по объему изделия полученных методом селективного лазерного плавления микроструктур и определяет высокий уровень механических характеристик готового к эксплуатации изделия.
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 синергетического (сверхсуммарного) 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.
9
- 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 условий патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.