УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ГАЗОПОРОШКОВОГО ПОТОКА, ФОРМИРУЕМОГО СОПЛОМ ПОДАЧИ ПОРОШКА

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, в частности к устройствам измерения газопорошкового потока и может найти применение при реализации технологий лазерной направки и прямого лазерного выращивания изделий из порошка в различных отраслях промышленности. В последнее время активно развиваются и внедряются аддитивные технологии и прямое лазерное выращивание в том числе. Использование этого метода для производства изделий вместо традиционных технологий механической обработки или литья позволяет в некоторых случаях значительно снизить энергозатраты и уменьшить количество используемого материала. При реализации метода прямого лазерного выращивания необходимо знать параметры газопорошкового потока и самих частиц порошка, а именно профиль потока, температуру летящих частиц порошка, но в первую очередь плотность потока в различных ее местах для определения будущего коэффициента захвата частиц порошка в ванне расплава. Для этого используются разные методы измерения и измерительные системы.
Из уровня техники из публикации [1] известно устройство регистрации газопорошкового потока. Оно содержит четырехканальное сопло подачи порошка, диодный лазер, цифровую видеокамеру, плоское зеркало. При этом газопорошковый поток из Ni-WC или WC порошка с дисперсностью 56-130 мкм с его помощью измеряется по двум схемам. По первой схеме газопорошковый поток, вылетающий из сопла подачи порошка, подсвечивается диодным лазером с длиной волны 532 нм и регистрируется на цифровую видеокамеру со скоростью 30 кад/с. Подсвечивающий лазерный луч светит поперек направлению распространения газопорошкового потока. Цифровая видеокамера в этой схеме регистрации установлена перпендикулярно к оси направления распространения газопорошкового потока и распространению лазерного луча и имеет окно наблюдения с размерами 15 на 15 мм. Благодаря данной схеме получают изображения частиц порошка, которые пролетали в конкретном сечении газопорошкового потока. Объединяя все полученные последовательные изображения газопорошкового потока в конкретных сечениях, удается определить расстояние от среза сопла подачи порошка до места фокусировки газопорошкового потока. По второй схеме газопорошковый поток, вылетающий из сопла подачи порошка, подсвечивается диодным лазером с длиной волны 658 нм и попадает на плоское зеркало, установленное под углом к нему таким образом, что угол между нормалью к поверхности зеркала и центральной осью газопорошкового потока составляет 45 градусов. При этом газопорошковый поток регистрируется на цифровую видеокамеру со скоростью 10 кад./с. Цифровая видеокамера установлена под углом поверхности зеркала, таким образом, что угол между нормалью к поверхности зеркала и оптической осью камеры составляет 45 градусов, а угол между осью лазерного луча и оптической осью цифровой видеокамеры составляет 90 градусов. Подсвечивающий лазерный луч светит поперек направлению распространения газопорошкового потока и имеет ширину полосы засветки в 200 мкм, а окно наблюдения цифровой видеокамеры имеет размеры 12,7 на 12,7 мм. Получая последовательные изображения поперечного сечения газопорошкового потока на различных расстояниях от среза сопла подачи порошка в диапазоне от 0 до 14 мм и объединяя их, определяется область газопорошкового потока с максимальной концентрацией порошка и диаметр газопорошкового потока в этом месте, а также относительная плотность частиц в различных сечениях газопорошкового потока.
Недостатком данного устройства является необходимость в синхронизации и точном выставлении позиций диодного лазера и цифровой видеокамеры относительно среза сопла подачи порошка и плоского зеркала, а также получение только общей картины распределения частиц порошка в газопорошковом потоке.
Похожее устройство приведено в работе [2]. Устройство содержит коаксиальное сопло подачи порошка, плоский лист темного цвета, источник света в виде вольфрамовой лампы, щелевую диафрагму с шириной щели в 1 мм, цифровую фотокамеру. При этом уровень света остается приблизительно постоянным на протяжении всего измерения газопорошкового потока. Процесс съемки газопорошкового потока, сформированного порошком из нержавеющей стали с дисперсностью 53-150 мкм с помощью цифровой фотокамеры при его засветке источником света через щелевую диафрагму начинается, когда газопорошковый поток становиться полностью сформированным. Изображения газопорошкового потока делаются для нескольких различных положений среза сопла подачи порошка относительно подложки, куда падает порошок и при расстоянии между ними в пределах 0-30 мм. Полученные изображения анализируются с помощью программного пакета VISILOG.
Недостатком данного устройства является необходимость в использовании щелевой диафрагмы жестко связанной с источником света и позицией сопла подачи порошка, а также темного фона для засветки газопорошкового потока. При этом данное устройство также дает только общую картину распределения частиц порошка в газопорошковом потоке без численных величин, относящихся к массе и концентрации частиц порошка в конкретном месте газопорошкового потока.
В качестве прототипа выбрано устройство из статьи [3]. Устройство состоит из трехканального сопла подачи порошка, перемещаемого с высокой точностью пятиосевым роботом манипулятором, рабочей поверхности представляющей собой пластину со вставленной в нее центральной полой цилиндрической вставкой с внутренним диаметром 0,6 мм, емкости для улавливания пролетевшего через вставку порошка, установленной на высокоточные весы. При этом внутренний диаметр вставки выбран таким образом, что он больше среднего диаметра частиц порошка в измеряемом газопорошковом потоке. Вставка приподнята над поверхностью пластины для того, чтобы предотвратить перекрестное залетание частиц порошка. Перемещение сопла подачи порошка при помощи пятиосевого робота манипулятора над полой цилиндрической вставкой начинается из выбранного вертикального положения, при котором совмещена ось стабилизировавшегося газопорошкового потока с осью цилиндрической вставки. Далее перемещаясь по радиусу на край полой цилиндрической вставки с шагом 0,05 мм, часть порошка из газопорошкового потока пролетает в отверстие вставки и попадает в емкость для улавливания пролетевшего через вставку порошка, в которой она взвешивается высокоточными весами, после этого определяется массовый расход порошка через полую цилиндрическую вставку в конкретный момент времени. Путем коррелирования расхода потока порошка, пролетающего через вставку, с положением сопла подачи порошка относительно полой цилиндрической вставки, определяется плотность газопорошкового потока. Комбинируя результаты множественных измерений при разном расстоянии между срезом сопла подачи порошка и поверхностью вставки, формируется пространственное распределение газопорошкового потока в направлении осей х, у, и z. Это получается при объединении растровых распределений течений порошка в пространстве и данных о массовом расходе во времени. Плотность газопорошкового потока с помощью данного устройства определяется при использовании порошка из нержавеющей стали марки 316L с дисперсностью 44-106 мкм, вычисляется как отношение массового расхода порошка пролетевшего через отверстие в вставке к общему расходу порошка, вылетевшему из сопла подачи порошка умноженному на эффективную площадь отверстия в вставке. По результатам замеров также вычисляется эффективность улавливания порошка с изменением расстояния между соплом и вставкой с шагом 1 мм в пределах от 1 до 18 мм.
Недостаток устройства заключается в том, что не учитывается возможность скапливания большого количества порошка на рабочей поверхности плоской пластины, в которой расположена цилиндрическая вставка и на торце стенки цилиндрической вставки. Это может привести к забиванию вставки или прерыванию процесса измерения. Малый диапазон изменения расстояния между срезом сопла подачи порошка и полой цилиндрической вставкой не позволяет применять устройство для сопел с большим расстоянием фокусировки газопорошкового потока, а использование в качестве инструмента для перемещения газопорошкового потока относительно вставки робота манипулятора может вызывать отклонения газопорошкового потока от вертикальной оси во время движения, приводя к возникновению ошибок в измерении.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения пространственного распределения плотности газопорошкового потока, расширение границ применения устройства и предотвращение возможного прерывания процесса измерения.
Для достижения технического результата устройство контроля пространственного распределения плотности газопорошкового потока, формируемого соплом подачи порошка, содержит чувствительные высокоточные весы с установленной на них емкостью для улавливания порошка и размещенную над емкостью отсекающую поверхность с закрепленной в ней полой сквозной цилиндрической вставкой, установленной осепараллельно газопорошковому потоку. Отсекающая поверхность выполнена в виде полого усеченного конуса. Полая сквозная цилиндрическая вставка закреплена в малом основании упомянутого усеченного конуса. Стенка полой сквозной цилиндрической вставки выполнена толщиной не больше двух средних диаметров частиц порошка газопорошкового потока, а сквозная полость цилиндрической вставки выполнена диаметром не меньше трех средних диаметров частиц порошка газопорошкового потока. Устройство снабжено трехосевым позиционером и может дополнительно содержать емкость сбора с отсекающей поверхности неиспользованного порошка. Трехосевой позиционер может содержать приводы линейного перемещения, а отсекающая поверхность может быть выполнена из жесткого материала.
Указанный технический результат достигается за счет выполнения отсекающей поверхности по форме расширяющегося вниз усеченного конуса, в малом основании которого закреплена полая сквозная цилиндрическая вставка, а также за счет выполнения стенок полой сквозной цилиндрической вставки толщиной не больше двух средних диаметров частиц измеряемого порошка, что вместе позволяет устранить возможность скопления частиц порошка по периметру сквозного отверстия полой цилиндрической вставки и, тем самым, избежать блокирования центрального отверстия цилиндрической вставки и изменения направления движения частиц газопорошкового потока. Выполнение сквозной полости цилиндрической вставки диаметром не меньше трех средних диаметров частиц измеряемого порошка также позволяет избежать закупоривания отверстия и прерывания процесса измерения. Кроме того, использование для обеспечения относительного перемещения цилиндрической вставки в газопорошковом потоке трехосевого позиционера, которым снабжено предлагаемое устройство, позволяет избежать отклонения газопорошкового потока от вертикальной оси во время измерений.
Возможная реализация предлагаемой полезной модели представлена на рисунках: Фиг. 1 - устройство контроля в разрезе; Фиг. 2 - общий вид устройства контроля в сборе; Фиг. 3. - схема распределения частиц порошка при работе устройства.
Одна из возможных реализаций устройства контроля содержит чувствительные высокоточные весы 9, установленные внутри емкости сбора неиспользованного порошка 10, которая в свою очередь установлена на платформу трехосевого позиционера 11. На весах 9 установлена емкость для улавливания порошка 8, над которой установлена с возможностью предотвращения попадания неиспользованного порошка в емкость 8 отсекающая поверхность 7, выполненная в виде усеченного конуса. В малом основании отсекающей поверхности 7 закреплена полая сквозная цилиндрическая вставка 6 в виде выступающей на 3 мм над малым основанием отсекающей поверхности 7 трубки с внутренним диаметром 0,3 мм и толщиной стенки 0,15 мм, что соответствует порошку с дисперсностью 50-110 мкм.
Устройство работает следующим образом. Робот манипулятор 1 перемещает лазерную голову 2 относительно поверхности рабочего стола 3. Сопло подачи порошка 4 закреплено на лазерной голове 2 и перемещается вместе с ней роботом манипулятором 1 в стартовое положение относительно поверхности рабочего стола 3. Затем через сопло подачи порошка 4 вертикально вниз в струе аргона подается металлический порошок с дисперсностью 50-110 мкм, таким образом, что формируется газопорошковый поток 5. Затем из-за пределов этого потока в направлении, поперечном коси газопорошкового потока, начинается перемещение со скоростью 2 мм/с платформы трехосевого позиционера 11. Подлетая к отсекающей поверхности 7, частицы порошка из газопорошкового потока 5 частично улавливаются полой цилиндрической вставкой 6. Размеры полой сквозной цилиндрической вставки 6 позволяют предотвратить перекрестное залетание в нее частиц порошка из газопорошкового потока 5, а также избежать скапливания частиц порошка на ее торцевой поверхности. Та часть порошка, которая была захвачена полой сквозной цилиндрической вставкой 6, пролетая через нее, попадает в емкость для улавливания пролетевшего порошка 8 и взвешивается весами 9, которые в реальном времени записывают показания изменения веса порошка, упавшего на дно емкости для улавливания пролетевшего порошка 8. Трехосевой позиционер 11 используется для точного позиционирования полой сквозной цилиндрической вставки 6 относительно сопла для подачи порошка 4, что позволяет избежать различных колебаний газопорошкового потока, которые могут возникать при движении робота манипулятора 1. Контроль пространственного распределения плотности газопорошкового потока осуществляется путем измерения в онлайн режиме массового потока порошка, пролетевшего через полую сквозную цилиндрическую вставку 6 в поперечных и продольных сечениях газопорошкового потока 5. Для этого в момент, когда вылетающий из сопла 4 газопорошковый поток 5 стабильно сформировался, а центр отсекающей поверхности 7 смещен в сторону от центральной оси потока 5 и ось полой цилиндрической вставки 6 параллельна центральной оси газопорошкового потока 5, трехосевой позиционер 11 перемещает отсекающую поверхность 7 вместе с полой сквозной цилиндрической вставкой 6 по вертикали до необходимого положения с шагом 0,5 мм, изменяя расстояние между нижним срезом сопла 4 и верхним срезом полой сквозной цилиндрической вставки 6 от 5 до 40 мм. Остановившись в конкретном положении, начинается непрерывное перемещение трехосевым позиционером 11 устройства контроля в горизонтальном направлении поперек газопорошкового потока 5. Плотность газопорошкового потока 5, вычисляется как отношение массового расхода порошка пролетевшего через отверстие в полой сквозной цилиндрической вставке 6 к общему расходу порошка, вылетевшему из сопла подачи порошка 4, умноженному на эффективную площадь отверстия во вставке 6. При этом комбинируя результаты множественных измерений при разном расстоянии между срезом сопла подачи порошка 4 и поверхностью вставки 6, на основании вычислений плотности газопорошкового потока формируется пространственное распределение газопорошкового потока порошка в направлении осей х, у, и z. Это дает представление о наименьшем диаметре газопорошкового потока 5 с максимальной концентрацией в нем частиц порошка и о расстоянии до него от среза сопла подачи порошка 4, на котором этот газопорошковый поток 5 фокусируется.
В предлагаемом устройстве по сравнению с выбранным прототипом выше точность контроля пространственного распределения плотности газопорошкового потока, так как используемая полая сквозная цилиндрическая вставка имеет меньший внутренний диаметр, позволяющий свободно улавливать не менее трех отдельных частиц порошка со средним диаметром в 80 мкм. При этом измерению подвергаются только те частицы, траектория полета которых, близка или совпадает с вертикальной осью полой сквозной цилиндрической вставки, а за счет того, что верхний срез полой сквозной цилиндрической вставки выступает над отсекающей поверхностью, предотвращается улавливание перекрестно летящих частиц порошка. Благодаря использованию малого наружного диаметра полой сквозной цилиндрической вставки предотвращается скапливание частиц порошка на ее торцевой поверхности. За счет увеличения диапазона зоны измерения газопорошкового потока по высоте и по ширине расширены границы применения устройства. Использование высокоточного трехосевого позиционера для перемещения полой сквозной цилиндрической вставки позволяет точнее позиционировать ее расположение относительно сопла подачи порошка. Благодаря применению в качестве отсекающей поверхности усеченного конуса предотвращается забивание полой сквозной цилиндрической вставки и поддерживается стабильность процесса измерения, так как частицы порошка не участвующие в измерении скатываются с отсекающей поверхности в емкость сбора неиспользованного порошка, что в свою очередь позволяет использовать его повторно для дальнейших измерений, либо прямого лазерного выращивания.
Список литературы:
1. Prabu Balu, Perry Leggett, Radovan Kovacevic. Parametric study on a coaxial multi-material powder flow in laser-based powder deposition process. Journal of Materials Processing Technology 212, 2012, pp. 1598-1610.
2. Juansethi  Ibarra Medina. PhD thesis "Development and application of a CFD model of laser metal deposition" University of Manchester, Faculty of Engineering and Physical Sciences, 2012, pp. 131-133.
3. Daniel Eisenbarth, Paulo Matheus Borges Esteves, Florian Wirth, Konrad Wegener. Spatial powder flow measurement and efficiency prediction for laser direct metal deposition. Surface & Coatings Technology 362, 2019, pp. 397-408.