Устройство для изготовления деталей послойным лазерным синтезом

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, а именно к устройствам для изготовления сложных трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка лазерным послойным спеканием, и может найти применение в различных отраслях машиностроения.
Известны различные устройства и системы с применением лазерной технологии, спекающие (сплавляющие) детали из порошков. Системы селективного лазерного плавления (спекания) и лазерной наплавки, состоящие, в основном, из лазерно-оптической системы, рабочей камеры с вертикально подвижным столом, механизмов подачи порошка, с системами вакуумирования, очистки и защиты газовой среды, системой управления и т.д. (установки моделей «Phenix 250» (Франция), EOSINTS 750 (Германия), TruCell 3008 (Германия), DM3D 505D (США), Concept М2 (Германия, патент US №6215093 В1, опубл. 10.04.2001).
Характерной особенностью установок этих моделей является большие расходы порошкового материала из-за особенности доставки материала в рабочую зону и защитного газа и/или несущего газа в случае с лазерной наплавкой, что в конечном итоге резко повышает себестоимость изготавливаемого изделия.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату - прототипом - является система, содержащая импульсный или непрерывный лазер, неподвижное устройство подачи порошка в область лазерного воздействия при помощи инертного газа и координатный стол, перемещающийся в 3 плоскостях (US 20040133298 А1, опубл. 08.07.2004).
Прототипу в той или иной мере присущи основные недостатки аналогичных вышеприведенных систем, а именно:
- большой расход несущего/защитного газа;
- относительно низкий КИМ (коэффициент расходуемого материала) - от 10% до 80% в зависимости от величины лазерного пятна;
- невозможность формирования изделия путем движения лазера т.к. система подачи порошка неподвижна и изделие формируется за счет движения координатного стола.
Последний фактор ведет к увеличению установки в габаритах, что тоже может являться недостатком при небольших производственных площадях.
Задачей настоящей полезной модели является модернизация существующего устройства для изготовления деталей из порошкового материала послойным лазерным синтезом, направленная на уменьшение объема расходуемого защитного газа и материала без потери качества процесса.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в снижении расхода защитного/несущего газа и материала.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для изготовления деталей из порошкового материала послойным лазерным синтезом, содержащее основание со съемной подложкой с механизмом ее вертикального перемещения и защитным колпаком с клапаном подачи защитного газа в рабочую зону, трубопровод подачи порошкового материала и лазерную головку, снабжено механизмом перемещения лазерной головки в горизонтальной плоскости относительно подложки, который закреплен на внутренней поверхности колпака, при этом лазерная головка снабжена соосной ей поворотной втулкой с приводом управляемого поворота последней, а трубопровод подачи материала выполнен гибким и жестко закреплен на упомянутой поворотной втулке, причем защитный колпак выполнен в виде замкнутого профиля, повторяющего в горизонтальном сечении профиль подложки, и снабжен механизмом его вертикального перемещения относительно основания с возможностью полного перекрытия рабочей зоны в нижнем положении и беспрепятственного съема подложки с механизма ее вертикального перемещения в верхнем положении.
Полезная модель поясняется графическими материалами, где схематично изображены на:
фиг. 1 - устройство для получения изделий из порошкообразных материалов (осевой разрез);
фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;
Представленные изображения содержат следующие позиции:
- защитный колпак 1;
- станина (в общем случае - основание) 2;
- лазерный узел 3;
- бункер подачи материала 4;
- подложка 5;
- основной поршень 6;
- вспомогательные поршни 7;
- электропривод поршня 8;
- лазерная головка 9;
- линейная направляющая х 10;
- линейная направляющая у 11;
- каретка 12;
- электродвигатель направляющей х 13;
- датчик давления 14;
- ответная часть линейной направляющей у 15;
- электродвигатель направляющей у 16;
- поворотная втулка 17;
- дозатор 18;
- трубопровод подачи материала 19;
- насадка 20;
- оптоволокно 21;
- клапан подачи/откачки газа 22;
- блок управления 23;
- баллон с защитным газом 24;
- провод подачи защитного газа 25;
- механизм вертикального перемещения каркаса 26;
- направляющая механизм вертикального перемещения 27;
- электродвигатель механизма вертикального перемещения 28.
Для лучшего понимания ниже представлено комплексное описание устройства для изготовления деталей из порошкового материала послойным лазерным синтезом.
Защитный колпак 1 изготавливается в виде сварной или сборной жесткой конструкции коробчатой формы из металлических труб квадратного сечения. Колпак является одним из базовых узлов для закрепления основных деталей, узлов и оборудования установки.
Станина (основание) 2 является вторым из базовых узлов устройства, на станине установлена подложка 5 с возможностью перемежения вверх и вниз благодаря основному поршню 6, вспомогательным 7 (необходимы для обеспечения плоскопараллельности подложки 4) и электроприводу поршня 8. Колпак 1 надевается на подложку 5 с применением скользящей посадки, охватывая ее, и крепится к станине 2.
Согласно заявленной полезной модели колпак 1 имеет лазерную головку 9, перемещающуюся по линейной направляющей х 10 и линейной направляющей у 11. Линейные направляющие закреплены на боковых стенках колпака 1. Линейная направляющая x 10 содержит каретку 12, на которой закреплена лазерная головка 9, движение каретки вместе с лазерной головкой осуществляется за счет ременно-зубчатой передачи и электродвигателя направляющей х 13. По линейной направляющей у 11 и ее ответной части 15 передвигается линейная направляющая х 10 с лазерной головой за счет передачи винт-гайка и электродвигателя направляющей у 16.
Лазерная головка 9 снабжена соосной ей поворотной втулкой 17, поворачивающейся на 180° вокруг в обе стороны лазерной головки за счет привода ее управляемого поворота (на фигурах не показаны). К втулке 17 прикреплен дозатор 18, представляющий собой электроклапан. В один конец электроклапана введен эластичный винтообразный трубопровод подачи материала 19, к другому концу прикреплен пластиковый жесткий трубопровод круглого сечения, последний исполняет роль насадки 20 и может быть заменен на трубопровод другого сечения по размеру и форме.
Бункер подачи материала 4 установлен на верхней внешней стенке колпака 1, предназначенный для подпитки материала в рабочую зону на подложку 5, и имеет возможность замены на бункер для применения других материалов.
Клапан подачи/откачки газа 22 предназначен для заполнения объема внутри каркаса защитным газом через провод подачи защитного газа 25 из баллона 24. Либо клапан может предназначаться для создания вакуума путем откачки при помощи насоса (на фигуре не показан). Датчик давления 14 предназначен для контроля давления в рабочей зоне.
Лазерный узел 3 установлен на внутренней стенке колпака 1 и необходим для генерации, фокусировки и передачи лазерного излучения в рабочую зону через оптоволокно 21 в случае с твердотельным лазером или через зеркала (на фигурах не показано) в случае газового лазерного источника.
Для беспрепятственного съема подложки 5 с поршней 6 и 7 колпак 1 снабжен механизмом вертикального перемещения 26 и направляющей 27. Механизм может быть исполнен в виде рейка-шестерня и двигается в вертикальной плоскости при помощи электродвигателя механизма вертикального перемещения 28.
Блок управления 23 содержит программное обеспечение, предназначенное для управления всем процессом лазерной обработки. Блок управляет приводами 8, 13, 16, 28, обеспечивая движение исполнительных узлов. Блок управления согласован с лазерным узлом и позволяет управлять генерацией лазерного излучения определенной мощности в определенный момент времени. В программном обеспечении блока управления задается необходимая подача защитного газа и материала.
Устройство для изготовления деталей из порошкового материала послойным лазерным синтезом 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.
Основной поршень 6 и вспомогательные поршни 7 устанавливаются в крайнее верхнее положение, соответственно подложка 5 устанавливается на одном уровне с плоскостью открытого конца насадки 20.
Поршни опускаются вниз вместе с подложкой 5 на величину необходимого слоя материала (порошкового или эквивалентных - пастообразного, в виде суспензии и т.п.), который будет подвергнут лазерной обработке.
Колпак 1 через клапан подачи/откачки газа 22 заполняется защитным газом.
Из бункера подачи материала 4 через трубопровод подачи материала 19, дозатор 18 и насадку 20 подается материал в рабочую зону на подложку 5. Одновременно с подачей материала лазерная головка 9 путем перемещения параллельными линиями по линейным направляющим 10 и 11 формирует слой материала, при этом втулка 17 поворачивает открытый конец насадки 20 по направлению движения лазерной головки 9, что исключает перекрытие лазерного тракта/луча подаваемым в рабочую зону материалом (порошок, паста, суспензия и т.п.). Далее лазерный луч, генерируемый лазерным узлом 3, по программе селективно переплавляет нанесенный слой материала путем передвижения лазерной головки 9.
После лазерного воздействия основной поршень 6 и вспомогательные 7 опускаются вниз вместе с подложкой 5 на величину, необходимую для второго слоя материала.
Далее наносится новый слой порошка поверх предыдущего и обрабатывается лазерным лучом, операция повторяется до полного изготовления изделия. При этом всю последовательность технологических процессов осуществляют в автоматическом режиме в технологически регламентированных условиях с помощью специальных программно-аппаратных средств.
Очевидно, что выполнение колпака в виде замкнутого профиля, повторяющего в горизонтальном сечении профиль подложки и закрепление механизма относительного перемещения в горизонтальной плоскости подложки и лазерной головки на внутренней поверхности колпака с возможностью перемещения лазерной головки относительно подложки, существенно минимизирует расход защитного/несущего газа за счет минимизации по сравнению с прототипом рабочей зоны, а снабжение лазерной головки соосной ей поворотной втулкой с приводом управляемого поворота последней, и выполнение трубопровода подачи материала гибким и его жесткое закрепление на упомянутой втулке, позволяет обеспечить как минимум не худшее качество синтеза.
Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет обеспечить существенное снижение расхода защитного газа и материала без потери качества процесса.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле полезной модели признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения заявленного 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 относится к области порошковой металлургии, а именно к устройствам для изготовления сложных трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка лазерным послойным синтезом, и может найти применение в различных отраслях машино- и авиастроения;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и 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 условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.