УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ПОСЛОЙНЫМ ЛАЗЕРНЫМ СПЕКАНИЕМ ПОРОШКОВ
DEVICE TO MANUFACTURE ITEMS BY LAYER-BY-LAYER LASER AGGLOMERATION OF POWDERS

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для производства изделий, в том числе сложной формы, из мелкодисперсных металлических, керамических порошков и их смесей лазерным послойным синтезом, и может найти применение в различных отраслях машиностроения.
Известна установка порошкового лазерного спекания, содержащая корпус с рабочим пространством, изолированным от окружающей атмосферы. В корпусе размещено лазерное устройство с оптической системой, имеющее возможность горизонтального перемещения по двум координатам посредством привода, технологическую платформу для размещения спекаемого материала, подвижно установленную с возможностью перемещения в вертикальном направлении посредством привода, бункер с приспособлением для подачи порошка в рабочее пространство над технологической платформой. Установка также содержит устройство контроля и поддержания заданной толщины порошкового слоя, включающее вибратор, датчик контроля уровня поверхности порошкового слоя и компенсатор уровня поверхности порошкового слоя, установленный между боковыми стенками технологической платформы и корпуса с возможностью перемещения в вертикальном направлении с помощью привода. Пространство, образованное боковыми стенками технологической платформы, корпуса и торцевой поверхностью компенсатора уровня поверхности порошкового слоя, сообщается с бункером. Приводы оптической системы, технологической платформы, компенсатора уровня поверхности порошкового слоя и датчик контроля уровня поверхности порошкового слоя связаны с блоком управления. Установка оснащена устройством подачи нейтрального газа в рабочее пространство корпуса и датчиком контроля содержания нейтрального газа в рабочем пространстве корпуса, связанными с блоком управления, а также устройством для создания вакуума в рабочем пространстве корпуса и датчиком контроля остаточного давления в рабочем пространстве корпуса, связанными с блоком управления (см. патент RU №2299787, кл. B22F 3/105, 2007 г.).
В результате анализа выполнения известной установки необходимо отметить, что в процессе ее работы вибрация массивного стола будет задавать колебания всей установки, что отрицательно сказывается на стабильности ее работы. Кроме того, вибрационное уплотнение не позволяет обеспечить одинаковую плотность уплотняемого слоя по всей его толщине, что снижает качество получаемых послойным спеканием изделий. Кроме того, на качестве получаемых изделий отрицательно сказывается наличие паров, образующихся при лазерном спекании слоя.
Известно устройство для изготовления деталей из порошка, состоящее из каркаса, на котором размещены бункер для сырья (порошка) и каретка, имеющая возможность перемещения посредством привода по направляющим каркаса. Устройство также включает рабочий стол, оснащенный приводом вертикального перемещения и бункер сбора избыточного порошка со стола. На каретке установлены нож, оснащенный механизмом его вертикального перемещения, предназначенный для подачи порции порошка на рабочий стол, выравнивания его на рабочем столе и сброса излишков порошка в бункер, и валик, предназначенный для уплотнения выровненного на рабочем столе слоя порошка.
В процессе работы устройства из бункера на рабочий стол осуществляют дозированную выдачу порошка, который перемещением ножа разравнивают по рабочему столу, сбрасывая его излишки в бункер сбора избыточного порошка, после чего проводят уплотнение слоя валиком, работающим в режиме свободного качения. Далее осуществляют синтез слоя лазером, перемещая его луч по заданной траектории. По окончании процесса синтеза слоя опускают рабочий стол на величину толщины следующего слоя порошка, после чего процесс повторяют аналогично описанному выше, формируя следующий слой изделия и так до тех пор, пока не будет сформировано необходимое для получения изделия количество слоев (см. патент RU №2423203, кл. B22F 3/105, 2011 г. - наиболее близкий аналог).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что в процессе уплотнения выровненного лезвием слоя порошка возможно его смещение, а также нарушение равномерности распределения слоя по столу и его целостности. Кроме того, в процессе синтеза слоя лазером из-за высоких температур в зоне формообразования детали возможно изменение структуры порошка или его оплавление, что снижает качество формируемого изделия. Необходимо отметить, что наличие в зоне формирования изделия большого количества паров материала изделия также снижает качество получаемого изделия.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества получаемых изделий при осуществлении процесса послойного селективного синтеза за счет обеспечения эффективного отвода тепла и паров спекаемого материала от спекаемой массы порошка путем пропускания потока газа сквозь порошковую массу, а также уплотнения порошковой массы слоя за счет разницы давления газовой среды над рабочим столом и под ним.
Весьма важно также и то, что в процессе работы устройства обеспечивается эффективный отвод паров металла, выделяемых при плавлении порошка, за счет потока газовой среды, направленного к поверхности спекаемого слоя. Это позволяет обеспечить оптимальные условия работы лазера, что повышает качество получаемых изделий.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для получения изделий послойным лазерным спеканием порошков, содержащем емкости для размещения и для излишков порошка и размещенный между ними модуль формирования изделия, включающий стол с приводом его вертикального перемещения, средство для подачи порошка из емкости для размещения его на столе и сброса в емкость для излишков порошка и оптическую лазерную систему спекания порошка, новым является то, что оно содержит установленные над столом сопла для подачи на слой порошка воздуха или инертного газа и установленный под столом с возможностью соединения с вакуумной системой газозаборник, при этом стол выполнен газопроницаемым и оснащен закрепленной на его верхней плоскости огнеупорной газопроницаемой плитой, предназначенной для размещения на ее поверхности и спекания слоя порошка.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для получения изделий из порошков.
Устройство для получения изделий из порошков содержит емкость 1 для сырья (порошка или смеси порошков), дно 2 которой имеет возможность вертикального перемещения посредством привода (не показан), емкость 3 для сброса излишков сырья, дно 4 которой имеет возможность вертикального перемещения посредством привода (не показан). Между емкостями размещен модуль формирования изделия, выполненный в виде корпуса 5, в котором с возможностью вертикального перемещения посредством привода 6 установлен стол 7, выполненный в виде рамы или плиты со сквозными отверстиями, что позволяет пропускать через него поток газа, то есть стол является газопроницаемым. На верхней поверхности стола 7 закреплена огнеупорная газопроницаемая плита 8 изготовленная, например, из кварцевого песка, упрочненного связующим на основе жидкого стекла. Такая плита имеет достаточную газопроницаемость и прочность, а также огнеупорность, что позволяет производить на ее поверхности послойное спекание порошка.
Над емкостями 1, 3 и над модулем формирования изделия установлен элемент 9 для забора порошков из емкости 1 и подачи их на плиту 8 стола 7, а также для разравнивания порошков по поверхности стола и удаления их излишков в емкость 3. Элемент 9 может быть выполнен различным известным образом, например в виде пластины, ножа, скребка и пр., установленного на каретке (не показана), смонтированной с возможностью горизонтального и вертикального перемещения по траверсе (не показана), расположенной над емкостями и столом.
Над емкостями и столом, предпочтительно на этой же траверсе, расположена на каретке (не показана) оптическая система 10 лазера, имеющая возможность проектирования лазерного луча в требуемую точку на поверхности спекаемого слоя уложенного порошка 11, в массе которого формируется изделие 12.
Устройство оснащено соплами 13, предназначенными для подачи воздуха или инертного газа (азота или аргона) на размещенный на плите 8 слой порошка 11. Сопла связаны с системой подачи (не показана) газа. Сопла могут быть установлены на автономных стойках или на траверсе.
Под столом 7 расположен газозаборник 14, связанный с вакуумной системой (не показана), предназначенный для повышения эффективности пропускания газа через слой порошка 11, стол 7 и плиту 8. Наиболее целесообразно газозаборник закреплять непосредственно на столе на нижней его части.
Приводы дна 2 и дна 4 емкостей 1 и 3, привод 6 стола 7, привод элемента 9, привод оптической системы 10 лазера связаны с системой управления, посредством которой осуществляется управление процессом получения изделия 12.
Устройство работает следующим образом.
В качестве сырья может быть использована широкая гамма порошков или их смесей со средним размером частиц 30-40 мкм. Порошок загружают в емкость 1, дно 2 которой опущено в нижнее положение. Стол 7 поднят в крайнее верхнее положение, так, чтобы зазор между плитой 8 и элементом 9 составлял не более 10 мкм. Стол 7 при помощи привода 6 опускают на величину толщины слоя порошка, помещаемого на плиту 8, а элемент 9, забрав порцию порошка из емкости 2, распределяет его равномерно на плиту 8, сбрасывая излишки в емкость 3. Включают подачу газа через сопла 13 и связанную с газозаборником 14 вакуумную систему. Луч лазерной системы 10, перемещаясь по заданной траектории, спекает порошок в требуемых зонах, формируя слой изделия.
Далее описанный выше процесс повторяется многократно. Изделие формируют наращиванием новых слоев металла на уже спеченные, формируя монолитное тело детали 12 заданной формы и размеров. Пропускание газа в процессе формирования изделия через слой порошка, плиту 8 и стол 7 обеспечивает охлаждение зоны спекания, уплотнение слоя порошка, а также удаление паров материала порошка, выделяющихся в процессе спекания, что обеспечивает получение изделий высокого качества.
После окончания процесса изделие 12 снимают с плиты 8, а неспеченный порошок, оставшийся на плите 8, направляют на регенерацию.