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 порошка, в результате чего получают крайний слой детали. Лазер включают только в тех точках, где порошок должен быть спечен. Когда завершают формирование одного слоя, поверхность спеченного слоя смещают и на нее наносят другой слой порошка поверх спеченного слоя, и сканируют лазерным лучом вновь нанесенный слой. Процесс повторяют, меняя конфигурацию последовательно наносимых слоев до тех пор, пока не получат готовую деталь требуемой формы.
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 заявленной модели устройством, выбранным в качестве прототипа, является устройство для лазерного спекания порошка, содержащее последовательно установленные соосные лазер и средство фокусирования лазерного луча, и средство относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка (патент РФ №2141887).
К недостаткам прототипа и известных из уровня техники аналогов, следует отнести относительно низкую скорость изготовления изделий, вызванную длительным временем формирования каждого нового спекаемого слоя, что обусловлено большой длиной траектории движения луча, необходимой для проработки всей площади спекаемого слоя при использовании лазерного луча с размером сечения, меньшим ширины спекаемого слоя, так как в таком случае необходимо нескольких проходов луча для спекания слоя по всей ширине.
Полезная модель направлена на решение задачи обеспечения более быстрого спекания широких слоев порошковых материалов и прочих композиций.
Технический результат - повышение эффективности путем сокращения времени обработки спекаемого слоя порошковых материалов и композиций, а также повышение качества спекаемых изделий.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для лазерного спекания порошка, содержащее последовательно установленные соосные лазер и средство фокусирования лазерного луча, и средство относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, снабжено оптической системой колебаний лазерного луча, которая размещена между средством фокусирования лазерного луча и средством относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, и при этом выполнена с возможностью обеспечения колебания сфокусированного лазерного луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям, нормальным к оси средства фокусирования лазерного луча, возможно исполнение оптической системы колебаний лазерного луча, содержащей оптический элемент в виде плоского зеркала или призмы.
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
Фиг. 1 - схема устройства для лазерного спекания порошка;
Фиг. 2 - схема формирования следа лазерного луча на поверхности спекаемого слоя при использовании колебательных движений лазерного луча;
Фиг. 3 - схема формирования следа лазерного луча на поверхности спекаемого слоя при использовании колебательных движений лазерного луча и уменьшении скорости сканирования;
Устройство для лазерного спекания порошка в соответствии со схемой на Фиг. 1 включает (но не ограничивается указанными) следующие функционально связанные элементы:
1 - лазер;
2 - ось лазерного луча;
3 - затвор лазера;
4 - фокусирующая линза;
5 - оптическая система колебаний лазерного луча;
6 - сканирующее зеркало по оси х;
7 - сканирующее зеркало по оси у;
8 - привод управления сканирующего зеркала по оси х;
9 - привод управления сканирующего зеркала по оси у;
10 - камера спекания
11 - порошок;
12 - контейнер;
13 - поршень;
14 - электродвигатель управления движением поршня;
15 - система управления процессом спекания.
Принципиально представленное устройство для лазерного спекания порошка не отличается от прототипа, однако введение в него оптической системы колебаний лазерного луча 5 заставляет луч колебаться по двум взаимно перпендикулярным направлениям, нормальным к оси лазерного луча 2, что позволяет за меньшее время формировать широкий след, обрабатывая им спекаемые площади с меньшим количеством проходов, что ускоряет процесс спекания при использовании лазерного луча с диаметром следа, меньшим по сравнению с шириной спекаемого слоя (фиг. 2).
На фигурах 3 и 4 проводится сравнение зон спекания без колебания луча 20, и с колебанием лазерного луча 21. Видно, что при колебании лазерного луча в направлении нормали к траектории сканирования 29, можно обеспечить спекание на ширине 26, которая больше чем ширина следа 27 в случае спекания без колебании. Ширина трека 26 зависит от задаваемой амплитуды колебания 25 луча 19 в направлении нормали к траектории сканирования 29 луча 19, а период колебания 24 фокусированного луча 19 при сканировании зависит от скорости сканирования луча 19 по поверхности порошка 11 и частоты колебания луча после выхода из оптической системы 5. В результате совместных согласованных движений, луч будет перемешаться по колебательной траектории 23. Возможно формирование зон 28, где не проходил след луча лазера 19, где могут оставаться участки не спеченного порошка. Эти участки 28 можно уменьшить или устранить совсем при снижении скорости сканирования луча по поверхности порошка так, чтобы след луча перекрывал зоны 28, или путем увеличения частоты колебаний луча (сокращения периода колебаний 24). Сочетание скорости сканирования и частоты колебания луча по нормали к траектории перемещения луча зависит от допустимого размера не спеченной зоны 28. Это обеспечивает выполнение требований к качеству спекания слоев материала.
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 материала, например, металл - бронза. Кроме того, для спекания используется сфокусированный пучок лазера, который обеспечивает высокую эффективность и качество спекания порошка при условии, что уровень мощности достаточно высок для спекания исходного материала.
Устройство для лазерного спекания порошка работает следующим образом.
Лазер 1 генерирует луч 16, а система 15 управления процессом спекания открывает затвор 3 лазера 1, задает амплитуды колебаний оптической системы 5 по взаимно перпендикулярным направлениям в нормальной плоскости к оси лазерного луча 2, согласует взаимные колебательные движения с траекторией сканирования 29 луча, контролирует частоту и амплитуды колебания системы 5, управляет движением сканирующих зеркал 6 и 7, а также электродвигателя 14 для управления поршнем 13, обеспечивая тем самым требуемые условия спекания порошка 11. При этом луч 16, проходя через затвор 3 выходит из него как луч 17 и попадает на фокусирующую линзу 4. Проходя через средство 4, луч выходит с него как луч 18 и попадает в оптическую систему колебаний лазерного луча 5, в котором накладываются колебательные движения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивая колебательное движение следа луча по спекаемому слою по нормали к траектории 29 луча. Из оптической системы 5 выходит колеблющий лазерный луч 19, и подается на систему сканирующих зеркал 6 и 7. Зеркала 6 и 7 (в качестве альтернативы можно использовать призмы) отражают сфокусированный луч 19, 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.