УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для лазерной обработки материалов и может быть использована для порошкового спекания, сварки, пайки, резки металлов и сплавов, композиций и ряда пластиков.
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, B29C 67/00, 2006 г.).
Недостатком известного технического решения является низкое качество микроструктуры получаемых изделий, обусловленное отсутствием возможности контроля процесса и оперативной корректировки рабочих параметров.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является устройство для лазерной обработки материалов, включающее средство базирования, предназначенное для размещения обрабатываемого объекта в зоне действия лазерного луча, установленные с образованием рабочего лучевого тракта лазер, дихроичное зеркало, предназначенное для отражения лазерного луча вдоль рабочего лучевого тракта к обрабатываемому объекту и пропускания теплового излучения от обрабатываемого объекта за пределы рабочего лучевого тракта к средству контроля температуры в зоне лазерной обработки, размещенное между лазером и дихроичным зеркалом средство преобразования лазерного луча и средство фокусировки лазерного луча, размещенное между дихроичным зеркалом и средством базирования (RU №2383416 C1, опубл. 10.03.2010).
К недостаткам прототипа следует отнести низкое качество обработки, обусловленное тем, что система диагностики процесса, выполненная в виде установленной видеокамеры, позволяющей получать изображение в видимом диапазоне, предоставляет лишь небольшую часть информации о процессе, без учета температурного распределения в зоне обработки таким высококонцентрированным источником тепла, как лазер. Вместе с тем, именно распределение температуры определяет микро- и макроструктуру готового изделия, а вместе с этим и ее физико-механические свойства.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства лазерной обработки материалов с расширенными возможностями диагностики процесса во время обработки.
Технический результат заключается в повышении качества обработки за счет диагностики температурного распределения в и вблизи зоны обработки, позволяющей оперативное изменение параметров обработки для минимизации или исключения недостатков структуры обрабатываемого материала.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для лазерной обработки материалов, включающее средство базирования, предназначенное для размещения обрабатываемого объекта в зоне действия лазерного луча, установленные с образованием рабочего лучевого тракта лазер, дихроичное зеркало, предназначенное для отражения лазерного луча вдоль рабочего лучевого тракта к обрабатываемому объекту и пропускания теплового излучения от обрабатываемого объекта за пределы рабочего лучевого тракта к средству контроля температуры в зоне лазерной обработки, размещенное между лазером и дихроичным зеркалом средство преобразования лазерного луча, и размещенное между дихроичным зеркалом и средством базирования средство фокусировки лазерного луча, снабжено дополнительным зеркалом с центральным отверстием, размещенным между дихроичным зеркалом и средством контроля температуры в зоне лазерной обработки оптически им соосно, и дополнительным средством контроля температуры, размещенным с возможностью приема отраженного от дополнительного зеркала теплового излучения, при этом дихроическое зеркало выполнено пропускающим, а средства контроля температуры воспринимающими излучение в инфракрасном диапазоне длин волн, кроме того средство контроля температуры в зоне лазерной обработки выполнено в виде пирометра, а дополнительное средство контроля температуры выполнено в виде инфракрасной камеры.
Полезная модель поясняется изображением (Фиг.), на котором представлена схема заявленного устройства применительно к селективному лазерному плавлению/спеканию порошковых материалов.
Представленное изображение включает следующие позиции, характеризующие состав и/или работу устройства:
1 - станина;
2 - базовая поверхность;
3 - технологическая платформа;
4 - дозатор исходного порошкового материала;
5 - источник лазерного излучения;
6 - лазерное излучение;
7 - устройство разравнивания (ролик);
8 - коллиматор;
9 - средство преобразования лазерного луча;
10 - дихроичное зеркало;
11 - система позиционирования лазерного луча;
12 - фокусирующая линза;
13 - тепловое излучение;
14 - исходный порошковый материал;
15 - рабочий лучевой тракт;
16 - фокусирующая линза;
17 - коллимирующая линза;
18 - поворотное зеркало с центральным отверстием;
19 - инфракрасная камера;
20 - поворотное зеркало;
21 - пирометр;
22 - ЭВМ;
23 - средство контроля положения технологической платформы;
24 - обрабатываемый объект;
25 - средство базирования.
Отличительными от наиболее близкого аналога (прототипа) признаками заявляемой полезной модели являются следующие: выполнение одного из промежуточных зеркал с апертурой (отверстием), концентричным с оптической осью установки для разделения сигнала на два потока, установка пирометра и инфракрасной камеры, а также оптической системы масштабирования изображения, приходящегося на апертуру.
Размещение пирометра и инфракрасной камеры на оптической оси установки обусловлено необходимостью постоянно держать фокус приборов на зоне непосредственного воздействия лазера. В ином случае приборы будут направлены большую часть времени на область, где лазерная обработка ведется лишь в конкретный момент времени.
Необходимость установки двух приборов обусловлена разными задачами, решаемыми ими в рамках исследования одного аспекта процесса селективного лазерного плавления. В силу этого приборы обладают разными характеристиками.
Принцип работы этих приборов основан на излучении нагретыми телами (температура >-273° К) теплового излучения. Диапазон длин волн, который является значимым для бесконтактного измерения температуры, составляет 0,5-20 мкм. При измеряемом диапазоне температур от 250 до 2500°C рекомендуется использовать приборы на основе фотодиода из арсенида галлия (InGaAs) с рабочей длиной волны от 1,1 до 2,4 мкм. Кроме того, погрешность измерений при использовании коротковолновых приборов не превышает 12°C. Таким образом, на основе интенсивности излучения можно сделать о вывод об истинной измеряемой температуре.
Пирометр направлен на получение данных о температуре непосредственно в зоне обработки. Рабочая область пирометра не превышает диаметра лазерного луча. Как правило, лазерные источники генерируют луч с Гауссовым распределением плотности мощности. Такое распределение характеризуется большой интенсивностью излучения в центре пятна и ее уменьшением к периферии. Температура сильно влияет на микроструктуру материала, которая в свою очередь, во многом определяет физико-механические свойства. Так как селективное лазерное плавление характеризуется полным расплавлением порошка и быстрой кристаллизацией, то во время процесса происходят фазовые превращения, на протекание которых влияет количество сообщенного тепла. Недостаточный нагрев может привести лишь к частичному расплавлению гранул порошка, что приведет гетерогенности единичных валиков (а вместе с ними и изделия, так как оно является суперпозицией единичных треков), возникновению в них пор, а также большому количеству ликваций.
Избыточный энерговклад может привести к испарению материала, что негативно скажется на геометрии трека, и, как следствие, точности размеров изделия. Кроме этого, при работе с двумя и более видами материала (смесь порошков, подложка), всегда есть опасность перегреть более легкоплавкий металл, что может также привести к его испарению, кипению, и в некоторых случаях нежелательному перемешиванию. Все это ведет к значительному порообразованию, трещинообразованию, выделении нежелательных фаз, гетерогенности микроструктуры, неравномерной усадке. Перемешивание слоев -нежелательный эффект, который образуется при высокой концентрации мощности излучения в одной точке. При этом первый слой изделия неизбежно перемешивается с подложкой, в результате чего получается сплав этих материалов со своими физико-химическими свойствами. Все последующие слои, без внесения поправок в рабочие параметры процесса, будут переплавляться с предыдущими, что приведет к многочисленному переплавлению треков. Из-за действия силы тяжести и остаточных напряжений эти валики при постоянном переплавлении и кристаллизации будут нарушать заданную геометрию изделия. Кроме этого многие материалы с увеличением температуры утрачивают жаростойкость и начинают окисляться.
В частном случае выполнения полезной модели в устройстве для лазерной обработки материалов установлен пирометр TI315E, фиксирующий температуру от 500 до 3000°C, и имеющий рабочую длину волны 2,1 мкм.
Такая обработка, как селективное лазерное плавление/спекание, является локальным процессом термической обработки и характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения. Поэтому для диагностирования причин вышеописанных дефектов необходим прибор с высокой чувствительностью и малым временем отклика. Инфракрасная камера не может обеспечить эти требования, в отличие от пирометра.
Отличительной особенностью инфракрасной камеры является ее возможность составления температурных карт рабочей зоны и определение температурного градиента. С помощью этого можно судить о влиянии температуры на макроструктуру поверхности. Особый интерес представляет зона термического влияния. Это зона, где порошковый материал не подвергся переплавлению, однако его свойства и микроструктура претерпели изменения и отличаются как от свойств исходного, так и расплавленного материала.
Кроме этого, каждый единичный валик всегда характеризуется зоной, свободной от порошка. Гранулы порошка имеют неправильную форму и, при нанесении очередного слоя, между ними остаются полости. При воздействии лазера тепло распространяется от эпицентра к периферии и там, где достаточно энергии, частицы расплавляются, а более плотный расплав, соответственно, занимает меньший объем. Расплавленные частицы, находящиеся сравнительно далеко от валика имеют свойство консолидироваться, тем самым также освобождая место. Этот эффект влияет на минимальное расстояние между треками при формировании изделия. Для оптимизации процесса необходимо, чтобы ширина зоны, свободной от порошка стремилась к значению ширины валика.
Инфракрасная камера позволяет фиксировать распространение тепла по периферии валика. В зависимости от интенсивности излучения формируется яркостное изображение с определенным разрешением, где минимальным элементом является пиксель. Изображение обрабатывается специальным программным обеспечением на ЭВМ, где на основе яркости изображения выдаются данные о температуре объекта.
В частном случае выполнения полезной модели в устройстве для лазерной обработки материалов установлена инфракрасная камера FLIR SC7000 с рабочей длиной волны 1,3 мкм имеет разрешение 560×760 пикселей и откалибрована на регистрацию температур до 2500°C.
Ввиду того, что лазерный луч, обрабатывающий изделие, и тепловое излучение, которое оно испускает, следуют по одной траектории и лежат на одной оптической оси, то в полезной модели, присутствует дихроичное зеркало, способное отражать до 95% излучения с длиной волны до 1,1 мкм, и практически полностью пропускать излучение с большей длиной волны.
Ввиду того, что один и тот же тепловой сигнал является источником для двух последовательно установленных приборов, то возникает необходимость доставки неискаженного сигнала ко второму прибору - пирометру. Для этой цели в системе реализовано поворотное зеркало, полностью отражающее этот сигнал, с отверстием в нем, концентричным с оптической осью зеркала. Отверстие предназначено для пропускания теплового сигнала с той площади зоны обработки, на которую приходится пятно лазерного излучения при обработке. Наиболее распространенным распределением плотности мощности лазерных источников является Гауссово распределение. Диаметр пятна в этом случае измеряется по порогу абляции и вычисляется по формуле (Siegman А.Е. «How to (maybe) measure laser beam quality», 1997 г.):
,
o
где: D - диаметр лазерного луча, I - максимальное значение интенсивности, e - экспонента.
Зная диаметр лазерного луча и диаметр отверстия апертуры, необходимо отмасштабировать изображение, приходящееся на нее, так, чтобы эти диаметры совпадали по размеру. Для этого в устройстве предусмотрена оптическая система из двух линз, масштабирующих изображение. Таким образом, через отверстие зеркала проходит сигнал, предназначенный для фиксации температуры пирометром в центре лазерного воздействия, а отражается под углом 45° сигнал, необходимый для построения карты распределения температур инфракрасной камерой.
В частном случае выполнения полезной модели в устройстве для лазерной обработки материалов между коллиматором и сканатором может быть установлен оптический прибор для изменения распределения плотности мощности - π-Shaper. С помощью него можно регулировать энерговклад лазерного излучения. Таким образом можно влиять на глубину проплавления, равномерность нагрева, геометрические параметры треков, если это необходимо. Это устройство работает по принципу рефракции и использует метод т.н. широкоформатного преобразования (A. Laskin «Веат shaping? Easy!», 2006 г.).
В частном случае выполнения полезной модели устройство для лазерной обработки материалов содержит источник лазерного излучения с длиной волны 1064 нм.
Устройство для лазерной обработки материалов (на примере устройства лазерного плавления/спекания порошкового материала) работает следующим образом.
В системе автоматического проектирования (САПР) создают трехмерную компьютерную модель 3D-модель изделия и разбивают ее на поперечные сечения, которые служат основой для послойного изготовления изделия. Технологическую платформу 3 (Фиг.) смещают вниз относительно базовой поверхности 2 станины 1 на расстояние, соответствующее толщине функционального слоя изделия 24. При этом точность перемещения технологической платформы 3 обеспечивается средством контроля положения 23. Далее дозатор 4 исходного порошка 14 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 разравнивающим валиком 7 совершают горизонтальное поступательное движение относительно технологической платформы 3, захватывая и подавая при этом порошкообразный материал на технологическую платформу 3. При этом, посредством разравнивающего валика 7 осуществляют уплотнение порошкообразного материала для увеличения однородности и уменьшения пористости слоя. Далее, разравнивающий валик 7 возвращают в свое первоначальное положение. Для сплавления контура текущего слоя порошка источник лазерного излучения 5 генерирует лазерный луч 6, проходящий через коллиматор 8. Затем луч попадает в оптический модуль πShaper 9 для придания ему необходимой моды. После этого лазерный луч 6 попадает на поворотное дихроичное зеркало 10, отражающее его в сканирующее устройство 11. Это устройство отклоняет лазерный луч 6, проходящий через фокусирующую f-Theta линзу 12, позволяя спекать необходимый контур. Обработка материала сопровождается его нагревом и, как следствие, тепловым излучением 13, которое распространяется во всех направлениях, в том числе по оптической оси установки 15. Распространяясь таким образом, тепловое излучение 13 из зоны обработки попадает на дихроичное зеркало 10. Длина волны теплового излучения 13 больше, чем длина волны лазерного излучения 6 и превышает пороговое значение отражения длин волн дихроичного зеркала 10, проходя, таким образом, через него беспрепятственно. После этого тепловое излучение 13 попадает на фокусирующую линзу 16, перемещающуюся вдоль оптической оси 15 установки. Эта линза фокусирует тепловое излучение 13 на коллимирующую линзу 17. После этого тепловое излучение 13 попадает на поворотное зеркало с отверстием 18 таким образом, чтобы на отверстие приходилось тепловое излучение непосредственно из зоны лазерной обработки. Оставшаяся часть излучения отражается и попадает в инфракрасную камеру 19. Тепловое излучение, прошедшее через отверстие, попадает на поворотное зеркало 20, которое полностью отражает его, направляя в пирометр 21. Данные с инфракрасной камеры 19 и пирометра 21 попадают в ЭВМ 22, где предстают перед оператором в удобном для интерпретации виде позволяя проводить диагностику процесса и корректировку режимов обработки непосредственно в процессе обработки.
Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет обеспечить контроль процесса селективного лазерного плавления непосредственно во время протекания процесса. Это позволяет своевременно фиксировать отклонения, происходящие во время плавления, оперативно вносить изменения в рабочие режимы, позволяя, таким образом, обеспечить стабильность получения бездефектной микроструктуры, что благоприятно сказывается на физико-механических свойствах 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 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 лазерной обработки материалов и может быть использован для порошкового спекания, сварки, пайки, резки металлов и сплавов, композиций и ряда пластиков, и может найти применение в различных отраслях машиностроения;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке 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.