УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНОЙ МОДЕЛЬНОЙ ОСНАСТКИ ПРОТОТИПИРОВАНИЕМ

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для изготовления литейной модельной оснастки, литейных стержней и других объемных изделий.
Уровень техники.
Известно 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/soptch.htm23/09/2008). 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 используют полиамид, полистирол, песок и некоторые металлы. Возможно использование песка в качестве рабочего материала, что открывает большие технологические возможности. Песчаные стержни сложной конфигурации могут быть изготовлены на установке без применения традиционной стержневой оснастки. Размеры рабочей зоны установки примерно 400×500×500 (высота) мм.
Известна установка порошковой лазерной стереолитографии для получения объемных изделий в процессе селективного лазерного спекания порошковых материалов. Установка включает лазерное устройство с оптической системой, технологическую платформу для размещения спекаемой заготовки, приспособление для подачи порошка в рабочее пространство над технологической платформой, устройство контроля и поддержания заданной толщины порошкового слоя. Оптическая система выполнена с возможностью горизонтального перемещения по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Технологическая платформа установлена с возможностью вертикального перемещения. Техническим результатом является получение высококачественных изделий с заданным комплексом эксплуатационных свойств (см. патент РФ №2299787, 2006).
Известная установка громоздка, устройство подачи порошковых материалов несовершенно, что приводит к перерасходу исходных порошковых материалов, а лазерное устройство сложно в изготовлении и эксплуатации.
Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели является установка для изготовления литейной модельной оснастки, включающая корпус с рабочей камерой, лазерное устройство с оптической системой, связанной с блоком управления, технологическую платформу, размещенную в рабочей камере, для изготовления не 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. Внутри полых подвижных элементов робота-манипулятора размещены оптический волоконный гибкий проводник лазерного излучателя, связанный с блоком управления и гибкие трубопроводы подачи порошковых спекаемых материалов через рабочую головку к месту фокусировки лазерного луча на рабочей поверхности технологической платформы (см. патент РФ №81665, 2008).
Недостатком известной установки является ограничение полезной площади технологической платформы - расположением на ней робота-манипулятора и отсутствие возможности тонкой регулировки головкой фокусировки лазерного пятна на технологической платформе, что снижает качество модели.
Сущность полезной модели.
Установка для изготовления литейной модельной оснастки прототипированием, включает корпус с рабочей герметичной камерой, лазерное устройство с оптической системой, связанной с блоком управления, технологическую платформу, размещенную в рабочей герметичной камере, робот-манипулятор с подвижным рабочим органом для подачи порошка из промежуточного бункера в рабочую герметичную камеру на технологическую платформу и направляющие, укрепленные в верхней части рабочей герметичной камеры, на которых установлена подвижная каретка с роботом-манипулятором и приводом, обеспечивающие перемещение робота-манипулятора с рабочей головкой по всей поверхности в плане технологической платформы, причем рабочая головка на выходе содержит размещенную коаксиально фокусирующую линзу, связанную оптическим волоконным проводником с источником лазерного излучения и блоком управления и дополнительным приводом вертикального осевого ее перемещения относительно рабочей головки для тонкой фокусировки линзы относительно поверхности технологической платформы, и трубопроводы подачи порошковых спекаемых материалов к месту фокусировки лазерного луча и закрепленные диаметрально противоположно с внешней стороны оптического проводника и фокусирующей линзы.
Установка отличается тем, что 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, 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.
Установка отличается тем, что внутри полых подвижных элементов робота-манипулятора, размещены оптический волоконный проводник лазерного излучения, связанный с блоком управления, и гибкие трубопроводы подачи порошковых спекаемых материалов через рабочую головку к месту фокусировки лазерного луча на рабочей поверхности технологической платформы, причем гибкие трубопроводы связаны с промежуточным бункером-источником подачи порошковых спекаемых материалов под избыточным давлением и с блоком управления.
Установка отличается тем, что герметичная камера связана с источником подачи нейтрального газа или вакуума и снабжена датчиком контроля давления в рабочем пространстве герметичной камеры, датчиком контроля расстояния рабочей головки от места фокусировки лазерного луча и датчиком контроля температуры спекаемого порошка в месте фокусировки, связанные с блоком управления.
Достигаемый технический результат полезной моделью заключается в увеличении полезной площади технологической платформы за счет перенесения робота-манипулятора на подвижную каретку и возможности тонкой регулировки фокусировки лазерного луча на технологической платформе за счет привода перемещения фокусирующей линзы в рабочей головке.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где на:
Фиг.1 - показан общий вид установки;
Фиг.2 - вид сверху на каретку;
Фиг.3 - рабочая головка (увеличено).
Установка для изготовления литейной модельной оснастки прототипированием (фиг.1-3), включает корпус 1 с рабочей герметичной камерой 2, лазерное устройство 3 с оптической системой 4, связанной с блоком управления 5, технологическую платформу 6, размещенную в рабочей герметичной камере 2, робот-манипулятор 7 с приводом (не показан) с подвижным рабочим органом 8 для подачи порошка из промежуточного бункера 9 в рабочую герметичную камеру 2 на технологическую платформу 6 и направляющие 10, укрепленные в верхней части рабочей герметичной камеры 2, на которых установлена подвижная каретка 11 с роботом-манипулятором 7 и приводом, обеспечивающие перемещение робота-манипулятора 7 с рабочей головкой 12 по всей поверхности в плане технологической платформы 6, причем рабочая головка 12 на выходе содержит размещенную коаксиально фокусирующую линзу 13, связанную оптическим волоконным проводником 14 с источником лазерного излучения и блоком управления 5 и дополнительным приводом 15 вертикального осевого ее перемещения относительно рабочей головки для тонкой фокусировки линзы относительно поверхности технологической платформы 6, и трубопроводы 16 подачи порошковых спекаемых материалов к месту фокусировки лазерного луча и закрепленные диаметрально противоположно с внешней стороны оптического волоконного проводника 14 и фокусирующей линзы 13.
Установка отличается тем, что подвижный рабочий орган 8 выполнен из двух сочлененных, подвижных, связанных между собой элементов 17 и 18 с возможностью перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и связан через робот-манипулятор 7 с блоком управления 5, при этом один подвижный элемент 17, связанный непосредственно с роботом-манипулятором 7, выполнен в виде полого телескопического узла, а второй подвижный элемент 18, связанный со свободным концом первого подвижного элемента 17, выполнен в виде полого гибкого, «змееобразного» узла, на свободном конце которого размещена рабочая головка 12 подвижная в трех взаимно перпендикулярных направлениях с помощью подвижных элементов относительно рабочей поверхности неподвижной технологической платформы 6.
Установка отличается тем, что внутри полых подвижных элементов 17 и 18 робота-манипулятора 7, размещены оптический волоконный проводник 14 лазерного излучения, связанный с блоком управления 5, и гибкие трубопроводы 16 подачи порошковых спекаемых материалов через рабочую головку 12 к месту фокусировки лазерного луча на рабочей поверхности технологической платформы 6, причем гибкие трубопроводы 16 связаны с промежуточным бункером 9 - источником подачи порошковых спекаемых материалов под избыточным давлением и с блоком управления 5.
Установка отличается тем, что герметичная камера 2 связана с источником подачи нейтрального газа или вакуума (на чертежах не показаны) и снабжена датчиком контроля давления (на чертежах не показаны) в рабочем пространстве герметичной камеры 2, датчиком контроля расстояния рабочей головки от места фокусировки лазерного луча (на чертежах не показаны) и датчиком контроля температуры (на чертежах не показаны) спекаемого порошка в месте фокусировки, связанные с блоком управления 5.
Достигаемый технический результат полезной моделью заключается в увеличении полезной площади технологической платформы за счет перенесения робота-манипулятора на подвижную каретку и возможности тонкой регулировки фокусировки лазерного луча на технологической платформе за счет привода перемещения фокусирующей линзы в рабочей головке, что повышает качество изготавливаемых изделий.
Мощность используемого лазерного излучения в точке фокусирования составляет примерно 2 кВт. Лазерный пучок подается через оптический волоконный проводник 14 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 фокусирующей линзе; f - фокусное расстояние фокусирующей линзы; 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 (на чертежах 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. 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 12 при переходе с одного слоя на другой; программу управления лазерного устройства. В промежуточный бункер 9 - 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 лазерного луча блок управления 5 дает команду на включение лазерного устройства и подачу спекаемого порошка к месту фокусировки. Лазерный луч через оптическую систему и рабочую головку 12, перемещающуюся в горизонтальной плоскости на заданной блоком управления 5 высоте от неподвижной технологической платформы 6 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 7 рабочую головку 12 перемещают вверх на толщину следующего спекаемого слоя порошка и фиксируют это горизонтальное положение и продолжают спекание следующего 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 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.
Для подобных установок прототипирования могут использоваться лазерные технологические установки с номинальной мощностью до 2,0 кВт. Диаметр луча в месте фокусировки может составлять 1,0 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 12 составляет 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 лазерного 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.
Заявленная полезная модель позволяет увеличить полезную площадь технологической платформы 6 за счет перенесения робота-манипулятора на подвижную каретку и обеспечивает возможность тонкой регулировки фокусировки лазерного луча на технологической платформе 6 за счет привода перемещения фокусирующей линзы в рабочей головке, что повышает качество изготавливаемых на установке прототипирования изделий.