УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ ПОРОШКА

Полезная модель относится к области получения различных порошковых материалов и композиций и их формообразования путем лазерного спекания.
Известен способ стереолитографии, предназначенный для быстрого изготовления опытных образцов пресс-форм или самих изделий. Как известно, в способе стереолитографии используют ультрафиолетовый лазер для сканирования и избирательной полимеризации мономера (то есть для отверждения жидкой пластмассы) с целью получения детали послойным наращиванием (или последовательным нанесением линий) по заданной модели. В частности, лазер фокусируют на часть ванны с жидкой смолой, которую заставляют полимеризоваться (или отверждаться) в том месте, где фокальная точка лазера контактирует с жидкостью (то есть лазерный луч падает на поверхность жидкости). Такая технология обеспечивает возможность быстрого получения детали, для изготовления которой иным способом, например, литьем, потребовалось бы много времени.
Известен также способ быстрого изготовления опытных образцов при использовании инфракрасного лазера для избирательного спекания порошка. Как известно, спекание является процессом, в котором температуру порошкообразного материала повышают до температуры его размягчения нагревом с помощью лазера, заставляя частицы порошка спекаться в этой нагреваемой области. Температура, необходимая для спекания, зависит от спекаемого материала, но, чем выше температура, тем быстрее материал спекается. Например, железный порошок плавится при температуре 1500°C, но спечется при температуре 1000°C, если порошок выдержать при этой температуре в течение достаточно длительного времени.
В процессе спекания лазерный луч, при практически постоянном уровне мощности, направляют на слой порошка и многократным сканированием лазерного луча вдоль последовательных линий по слою порошка до тех пор, пока не будет просканирован весь слой, получают крайний слой детали. Лазер включают в тех точках, где порошок должен быть спечен, а в других - лазер отключают. Когда завершают формирование одного слоя, поверхность спеченного слоя опускают, наносят другой слой порошка поверх предыдущего, уже спеченного слоя, и сканируют следующий слой. Процесс повторяют до тех пор, пока не получат готовую деталь.
В заявке EP №0283003 описано устройство для спекания металлического порошка, имеющее детектор отражательной способности для оценки хода процесса спекания по коэффициенту отражения поверхности спекаемого порошка.
В международной заявке WO №92/08566 описано устройство лазерного спекания, содержащее кольцеобразный излучатель-нагреватель для нагрева изделия, получаемого спеканием. Это позволяет избежать нежелательного охлаждения, которое может привести к короблению и скручиванию. Температура излучателя-нагревателя регулируется стационарно установленным температурным датчиком.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является устройство для лазерного спекания порошка, содержащее лазер, предназначенный для формирования лазерного луча круглого сечения, средства управления процессом спекания и направления лазерного луча на поверхность порошка в зоне спекания (патент РФ №2141887).
К недостаткам прототипа, как и известных из уровня техники аналогов, следует отнести невысокое качество спекания, обусловленное неравномерной интенсивностью нагрева зоны спекания лазерным лучом круглого сечения, формирующим пик интенсивности нагрева по центру с крутым ее спадом к периферии.
Полезная модель направлена на решение задачи обеспечения более равномерного распределения интенсивности нагрева лазерным лучом зоны спекания порошковых материалов и композиций.
Технический результат - повышение качества спекания порошковых материалов и композиций.
Поставленная задача решается и заявленный технический результат достигается тем, что устройство для лазерного спекания порошка, содержащее лазер, выполненный с возможностью формирования лазерного луча круглого сечения, и средства относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, снабжено последовательно установленными между лазером и поверхностью спекаемого порошка средством прямого масштабирования в виде плоско-вогнутой линзы и средством обратного масштабирования в виде двояковыпуклой линзы, и размещенным между ними средством преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения, при этом средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения может быть выполнено с возможностью формирования большей стороны прямоугольного сечения лазерного луча в направлении относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, или средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения может быть выполнено с возможностью формирования меньшей стороны прямоугольного сечения лазерного луча в направлении относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, кроме того средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения может быть выполнено с возможностью формирования лазерного луча квадратного сечения.
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
Фиг. 1 - схема устройства для лазерного спекания порошка;
Фиг. 2 - распределение интенсивности нагрева лазерным лучом круглого сечения зоны спекания порошковых материалов;
Фиг. 3 - распределение интенсивности нагрева лазерным лучом прямоугольного сечения зоны спекания порошковых материалов.
Устройство для лазерного спекания порошка в соответствии со схемой на Фиг. 1 включает (но не ограничивается указанными) следующие функционально связанные элементы:
1 - лазер;
2 - затвор лазера;
3 - средство прямого масштабирования (увеличение сечения) лазерного луча;
4 - средство обратного масштабирования (уменьшение сечения) лазерного луча;
5 - средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения;
6 - сканирующее зеркало по оси x;
7 - сканирующее зеркало по оси y;
8 - привод управления сканирующего зеркала по оси x;
9 - привод управления сканирующего зеркала по оси y;
10 - камера спекания;
11 - порошок;
12 - контейнер;
13 - поршень;
14 - электродвигатель управления поршнем;
15 - система управления спеканием.
Принципиально представленное устройство для лазерного спекания порошка не отличается от прототипа, однако введение в него средства 5 преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения преобразует характерное для прототипа распределение интенсивности нагрева с пиком по центру с крутым спадом к периферии (см. Фиг. 2) в равномерное распределение интенсивности нагрева (см. Фиг. 3). Аналогичные решения применения различных средств преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения известны из уровня техники в применении, например, для упрочнения металлов (см. например решение для лазерного упрочнения изделий - патент РФ №2449029 или Engineered диффузоры™ - http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1660).
Полезная модель может быть использована для спекания материалов любого типа, например, пластмасс, воска, металлов, керамики и других материалов. Можно спекать также два или более порошковых материалов, например, металл-бронза. Кроме того, вместо применения для спекания сходящегося (сфокусированного) пучка для лазерного луча, может быть использован обеспечивающий более высокие эффективность и качество спекания порошка коллимированный луч при условии, что уровень мощности достаточно высок, а диаметр луча достаточно мал (⌀0.05-0.2 мм) для обеспечения спекания. Однако это условие противоречит требованиям, предъявляемым к лазерному лучу известными средствами преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения, которые предназначены для использования с ⌀0.5 мм или более крупных лазерных лучей. Введение в устройство для лазерного спекания порошка средства 3 прямого масштабирования (увеличение сечения) лазерного луча перед средством 5 преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения, и средства 4 обратного масштабирования (уменьшение сечения) лазерного луча за ним, позволяет устранить вышеописанное противоречие.
Устройство для лазерного спекания порошка работает следующим образом.
Лазер 1 генерирует луч 10 круглого сечение ⌀0.2 мм. Система 9 управления процессом спекания открывает затвор 2 лазера 1 и управляет движением сканирующих зеркал 6 и 7, а также электродвигателем 14 для управления поршнем 13, обеспечивая тем самым требуемые условия спекания порошка 11. При этом луч 16, проходя через затвор 2 выходит из него как луч 17 и попадает на средство 3 прямого масштабирования (например, плоско-вогнутую линзу). Проходя через средство 3 луч изменяет свой диаметр, например, с 0,15 мм до 0,8 мм и выходит, как луч 18. Такой диаметр луча позволяет средству 5 (например, Engineered диффузору™) качественно преобразовать проходящий через него лазерный луч 18 круглого сечения в лазерный луч 19 квадратного сечения со стороной квадрата, например, а=0,7 мм (или адекватным соотношением сторон прямоугольника). Далее лазерный луч 19, проходя через средство 4 обратного масштабирования (например, двояковыпуклую линзу), изменяет свой размер а, например, с 0.7 мм до 0.1 мм и подается на систему сканирующих зеркал 6 и 7. Зеркала 6 и 7 отражают сфокусированный луч 20, сканируя его по линиям на поверхности порошка 11 для избирательного спекания требуемых областей.
В зависимости от применяемых параметров, описанных выше, достигается соответствующий результат.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - обеспечение более равномерного распределения интенсивности нагрева лазерным лучом зоны спекания порошковых материалов и композиций - решена, и заявленный технический результат - повышение качества спекания порошковых материалов и композиций - достигнут.
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 различных порошковых материалов и композиций и их формообразования путем лазерного спекания;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или 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 критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.