УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНОЙ МОДЕЛЬНОЙ ОСНАСТКИ

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для изготовления литейной модельной оснастки, литейных стержней и др. объемных изделий.
Уровень техники.
Известно различное оборудование для послойного изготовления объемных изделий, реализующие лазерные методы спекания порошковых материалов, использующие компьютерное оборудование для создания трех мерной литейной модели, CAD данных с последующей материализацией этих данных на технологическом оборудовании через блок управления. (http://www.namirp.ru/sopteh.htm 23.09.2008). Согласно этому процессу модели создаются из порошковых материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. Лазерный луч является источником тепла и, попадая на тонкий слой порошка, спекает его частицы и формирует твердую массу, в соответствии с геометрией модели. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и некоторые металлы. Большие технологические возможности открывает использование песка в качестве рабочего материала. Песчаные стержни весьма сложной конфигурации могут быть изготовлены непосредственно на установке без применения традиционной стержневой оснастки. Размеры рабочей зоны установки 320×380×460 (высота) мм.
Известно устройство и способ лазерного спекания, содержащее лазерное средство для формирования спекающего лазерного луча, падающего на поверхность порошка в зоне спекания. Лазерное средство выполнено с возможностью формирования по меньшей мере одного подогревающего лазерного луча, расфокусированного или сфокусированного более широко, чем спекающий лазерный луч, падающего на подогреваемую область вблизи зоны спекания, так что температурный градиент между зоной спекания и окружающим порошком уменьшается до величины, при которой уменьшается коробление спеченной из порошка детали (см. заявку РФ №96-112154, опубл. 20.08.1998).
Данная установка содержит сложную лазерную установку для создания двух лазерных лучей и используется в порошковой металлургии, где в качестве порошковых материалов используются порошки (железные) с высокой температурой спекания примерно 1000 град. С, причем порошок надо выдерживать при этой температуре в течение достаточно длительного времени. Мощность сфокусированного луча составляет 10 Вт, а площадь
поперечного сечения этого луча - 1 кв. мм, интенсивность излучения сфокусированного луча составляет 10 Вт/кв. мм. Каждый слой имеет толщину около 0,25 мм, однако первый слой, как правило, толще, поскольку его формируют из свежего порошка.
Однако, наличие двух по существу лазерных установок для основного лазерного луча - спекающего и вспомогательного - для предварительного разогрева спекаемого порошка, делает данную установку еще более дорогой и сложной в обслуживании.
Более близким техническим решением к заявляемому является установка порошковой лазерной стереолитографии, включающая корпус с рабочим пространством, лазерное устройство с оптической системой, установленной с возможностью горизонтального перемещения по двум взаимно перпендикулярным направлениям с помощью элементов привода, связанных с блоком управления, технологическую платформу для размещения спекаемой заготовки, установленную с возможностью вертикального перемещения с помощью элемента привода, связанного с блоком управления, и приспособление для подачи порошка из бункера в рабочее пространство над технологической платформой, дополнительно содержит устройство контроля и поддержания заданной толщины порошкового слоя, включающее вибратор, датчик контроля уровня поверхности порошкового слоя в рабочем пространстве корпуса и компенсатор уровня поверхности порошкового слоя, установленный между боковыми стенками технологической платформы и корпуса с возможностью вертикального перемещения с помощью элемента привода, не зависимого от элемента привода технологической платформы (см. патент РФ №2299787, опубл. 2006 г.).
Достигаемый технический результат заключается в упрощении, снижении трудоемкости получения изделий при увеличении их качества за счет совмещения технологических операций дозирования и разравнивания порошка, связанных с раздельным дозированием и переносом порошка из дозирующего устройства в рабочее пространство над технологической платформой, в повышении производительности установки и исключении потерь порошка.
Заявляемая установка для изготовления литейной модельной оснастки включает корпус с рабочей камерой, лазерное устройство с оптической системой, связанной с блоком управления, технологическую платформу, размещенную в рабочей камере, для изготовления на ней спекаемой заготовки литейной модельной оснастки и приспособление для подачи порошка из бункера в пространство рабочей камеры на технологическую платформу. Установка снабжена роботом-манипулятором с подвижным рабочим органом, установленным на свободной периферийной поверхности неподвижной технологической платформы, а подвижный рабочий орган выполнен из двух сочлененных,
подвижных, связанных между собой элементов с возможностью перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и связан через робот-манипулятор с блоком управления, при этом один подвижный элемент, связанный непосредственно с роботом-манипулятором, выполнен в виде полого телескопического узла, охватывающего всю рабочую поверхность неподвижной технологической платформы в плане, а второй подвижный элемент, связанный со свободным концом первого подвижного элемента, выполнен в виде полого гибкого, «змееобразного» узла, на свободном конце которого размещена рабочая головка подвижная в трех взаимно перпендикулярных направлениях с помощью подвижных элементов относительно рабочей поверхности неподвижной технологической платформы, причем рабочая головка снабжена дополнительным приводом вращения до 180 градусов относительно вертикальной оси, связанный с блоком управления, а на выходе содержит размещенную коаксиально фокусирующую линзу, связанную оптическим волокном - проводником с источником лазерного излучения и блоком управления, и трубопроводы подачи порошковых спекаемых материалов к месту фокусировки лазерного луча на неподвижной технологической платформе и закрепленные диаметрально противоположно с внешней стороны оптического волокна - проводника и фокусирующей линзы.
Внутри полых подвижных элементов робота-манипулятора, размещены оптическое волокно - гибкий проводник для лазерного излучения, связанный с блоком управления, и гибкие трубопроводы подачи порошковых спекаемых материалов через рабочую головку к месту фокусировки лазерного луча на рабочей поверхности неподвижной технологической платформе, причем гибкие трубопроводы связаны с источником подачи порошковых спекаемых материалов под избыточным давлением и с блоком управления.
Установка снабжена источником подачи нейтрального газа в герметичную рабочую полость корпуса, датчиком контроля давления в рабочей полости, датчиком контроля расстояния рабочей головки от точки фокусирования лазерного луча и датчиком контроля температуры спекаемого порошка в точке фокусирования, связанные с блоком управления.
Достигаемый полезной моделью технический результат заключается в упрощении конструкции установки, за счет использования оптического волокна - проводника для лазерного излучения, конструкции устройства подачи спекаемого порошка в зону фокусированного лазерного луча и применения робота - манипулятора, обеспечивающего свободное перемещение рабочей головки в рабочем пространстве над неподвижной технологической платформой. Контрольная аппаратура блока управления и применяемые
датчики, отслеживающие параметры протекающего технологического процесса, обеспечивают повышение качества, точности изготавливаемых литейных моделей.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где на:
Фиг.1 - показан общий вид установки;
Фиг.2 - вид сверху;
Фиг.3 - сечение по А-А.
Установка содержит корпус 1 (см. Фиг.1) с рабочим пространством 2, герметизированным от окружающей атмосферы, лазерное устройство 3 с оптической системой 4, связанной с блоком управления 5, неподвижную технологическую платформу 6, размещенную в рабочей камере 7, для изготовления на ней спекаемой литейной модельной оснастки 8 и приспособление для подачи порошка из бункера (на чертежах не показан) в пространство рабочей камеры 7 на неподвижную технологическую платформу 6. Установка снабжена роботом - манипулятором 9 с подвижным рабочим органом 10, установленный на свободной периферийной поверхности неподвижной технологической платформы 6, а подвижный рабочий орган 10 выполнен из двух сочлененных, подвижных, связанных между собой элементов с возможностью перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и связан через робот - манипулятор 9 с блоком управления 5. При этом один подвижный элемент 11, связанный непосредственно с роботом - манипулятором 9, выполнен в виде полого телескопического узла, охватывающего всю рабочую поверхность неподвижной технологической платформы 6 в плане, а второй подвижный элемент 12, связанный со свободным концом первого подвижного элемента 11, выполнен в виде полого гибкого, «змееобразного» узла, на свободном конце которого размещена рабочая головка 13, подвижная в трех взаимно перпендикулярных направлениях, с помощью подвижных элементов 11, 12 относительно рабочей поверхности неподвижной технологической платформы 6. Рабочая головка 13 снабжена дополнительным приводом (на чертежах не показан) вращения относительно вертикальной оси, связанный с блоком управления 5, а на выходе содержит размещенную коаксиально фокусирующую линзу 14, связанную оптическим волоконным проводником 15 с источником лазерного излучения и блоком управления 5, и гибкие трубопроводы 16 подачи порошковых спекаемых материалов к месту фокусировки 17 лазерного луча на неподвижной технологической платформе 6 и закрепленные диаметрально противоположно с внешней стороны оптического волоконного гибкого проводника 15 и фокусирующей линзы 14. Внутри полых подвижных элементов 11, 12 робота-манипулятора 9, размещены оптический волоконный гибкий проводник 15 лазерного излучения, связанный с блоком управления 5 и гибкие трубопроводы 16 подачи
порошковых спекаемых материалов через подвижную рабочую головку 13 к месту фокусировки 17 (фокальное пятно) лазерного луча на рабочей поверхности неподвижной технологической платформе 6. Гибкие трубопроводы 16 связаны с источником подачи (бункером не показан) порошковых спекаемых материалов под избыточным давлением и с блоком управления 5. На Фиг.1 показаны монитор 18 и процессор 19.
Установка снабжена источником подачи нейтрального газа (на чертежах, не показан) в герметичное рабочее пространство 2 корпуса 1 и датчиком контроля давления (не показан) в рабочем пространстве, датчиком контроля (не показан) расстояния рабочей головки 5 от места фокусировки 17 лазерного луча и датчиком контроля (не показан) температуры спекаемого порошка в месте фокусировки 17, связанные с блоком управления 5.
Мощность используемого лазера в точке фокусирования составляет примерно 2 кВт. Лазерный пучок подается через оптический волоконный проводник с диаметром сердцевины 0,3 мм. При этом используется линза с фокусным расстоянием 200 мм, а также азот в качестве защитного газа. Если мощность сфокусированного луча составляет 2 кВт, а площадь поперечного сечения этого луча 0,09 мм2 или 0,1 мм2, то интенсивность излучения сфокусированного луча составит 0,2 кВт/ мм2. Фокальная точка - место фокусировки лазерного луча - расположена на поверхности спекаемого слоя порошка. Тепло лазерного луча побуждает частицы порошка спекаться, поскольку, благодаря энергии спекающего луча, повышается температура спекаемого слоя порошка.
Для расчета диаметра фокального пятна d используют уравнение: d=2λf/D, где D - диаметр выходного луча к фокусирующему оптическому прибору; f - фокусное расстояние фокусирующего прибора; d - диаметр фокального пятна - места фокусировки лазерного луча; λ - длина волны света.
Лазер, затвор, модулятор и детектор, регулирующий мощность лазера, (на чертежах не показаны) могут находиться в одном лазерном модуле (не показан), который регулирует уровень мощности и/или быстрое управление включением/выключением луча.
Определение температуры спекания порошка в фокальной точке основано на измерении теплового излучения. В место или помимо измерения теплового излучения могут определяться другие параметры, связанные с температурой, например, факел-свечение вследствие нагрева или флуоресценции испаренного вещества или частичек материала, вылетевших из порошкового слоя.
Установка работает следующим образом. В блок управления 5 загружают программное обеспечение, которое включает в себя компьютерный образ, изготавливаемой литейной модели, разделенный на горизонтальные слои заданной
толщины; программу перемещения оптической системы при сканировании каждого слоя лазерным лучом; программу дискретного вертикального перемещения рабочей головки 13 при переходе с одного слоя на другой; программу управления лазерного устройства. В источник подачи порошковых спекаемых материалов загружают необходимое количество порошка. После проведения необходимых подготовительных операций для включения лазерного устройства и готовности подачи спекаемого порошка в место фокусировки 17 лазерного луча блок управления 5 дает команду на включение лазерного устройства и подачу спекаемого порошка к месту фокусировка 17. Лазерный луч через оптическую систему и рабочую головку 13, перемещающуюся в горизонтальной плоскости на заданной блоком управления высоте от неподвижной технологической платформы с учетом слоя спекаемого порошка, обеспечивает спекание порошкового слоя заданной конфигурации путем сканирования по его поверхности. Далее с помощью блока управления 5 и робота-манипулятора 9 рабочую головку 13 перемещают вверх на толщину следующего спекаемого слоя порошка и фиксируют это горизонтальное положение и продолжают спекание последующего слоя порошка. Последовательно наращивая слой за слоем, производят полное спекание литейной модели или стержня. После завершения технологического процесса, отключают устройство подачи нейтрального газа (или устройство для создания вакуума), отключают одновременно лазерное устройство и подачу спекаемых порошковых материалов с помощью блока управления 5.
В качестве спекаемых порошковых материалов используют полиамид, полистирол, песок для изготовления стержней и некоторые порошкообразные металлы и керамику. Полиамид применяется для создания моделей различных изделий. Использование металлических и керамических порошков требует соответствующих величин мощности и диаметра лазерного излучения.
При спекании порошка воздействуют лазерным лучом в месте фокусировки 17 и в зону спекания подают струи порошка из трубопроводов 16 и осуществляют совместное перемещение лазерного луча и трубопроводов 16 подачи спекаемого порошка относительно неподвижной технологической платформы 6. Струи спекаемого порошка могут подаваться раздельно и с разными расходами.
Перемещение пятна фокусировки 17 и струй спекаемого порошка может осуществляться в соответствии с соотношением:
Т(Х)=К1×К2(Х)×b(Х),
где Х - координата спекаемого слоя изделия;
Т - время попадания струи спекаемого порошка в точки спекаемого слоя изделия с координатой Х за период перемещения места фокусировки лазерного луча на расстояние, равное длине зоны спекания;
K1 - постоянная величина для конкретного спекаемого порошка;
К2(Х) - функция, учитывающая действие сил сцепления спекаемого порошка в процессе формирования спекаемого слоя;
b(X) - заданная толщина спекаемого слоя.
Расход спекаемого порошка может изменяться по соотношению
dF/dX(X)=К3×К2(Х)×b(Х),
где dF/dX(X) - средняя плотность струи спекаемого порошка в точках спекаемого слоя изделия с координатой Х за период перемещения места фокусировки лазерного луча на расстояние, равное длине зоны спекания;
К3 - постоянная величина для пары слоев спекаемого порошка между собой.
Для подобных установок лазерные технологические установки с номинальной мощностью до 2,0 кВт. Диаметр луча в месте фокусировки может составлять 1 мм. Амплитуда колебания излучения составляет до 15 мм. Спекаемый порошок применяют дисперсностью 40-100 мкм и подают в область воздействия лазерного луча с помощью гибких трубопроводов 16 на конце имеющие сопла с диаметром рабочего сечения 0,75 мм. Скорость перемещения рабочей головки 13-1,5 мм/с.Расход спекаемого порошка изменяют в пределах ± - 0,1 г/с при среднем уровне расхода 0,2 г/с..
В качестве возможных дефектов рассматриваемого технологического процесса отмечается склонность спекаемого порошка к «комкованию» или «образованию агломератов» при спекании. Для устранения отмеченных дефектов необходимо точное измерение теплового излучения путем замера температуры спекающего луча. Это дает возможность точно по температуре регулировать мощность лазерного излучения и зависимых от этого температурных градиентов в спекаемом фокальном пятне - точке фокусирования, что позволяет воздействовать на появление отмеченных дефектов в изделии.