УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ПОРОШКОВ ДЛЯ СПЕКАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА

Область техники
Полезная модель устройства относится к области, порошковой металлургии, производству изделий из металлических и керамических порошков с последовательным и повторным проведением процессов подачи порошков, выравниванием их слоев с последующим спеканием, а именно к устройствам для изготовления сложных трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка с применением технологии лазерного послойного синтеза (ЛПС), и может найти применение в различных отраслях машино- и авиастроения.
Уровень техники
Известны различные устройства с применением лазерной технологии, спекающие (сплавляющие) детали из порошков, и состоящие, в основном, из лазерно-оптической системы, рабочей камеры с вертикально подвижным столом, оборудованной механизмом вертикальной подачи порошка из бункера-питателя, с последующим выравниванием ножами или валиками и спеканием каждого его слоя, с системами вакуумирования, очистки и защиты газовой среды, системой управления и т.д. - установки моделей "Phenix 250" (Франция), EOSINTS750 (Германия), и т.д. а также Concept M2 (Германия) - с вертикальной подачей порошка в виде поршня с вертикальным цилиндром квадратного сечения размером 250×250 (мм×мм), на котором в нижнем опущенном состоянии поршня хранится запас порошка.
Характерной особенностью установок этих моделей является применение устройства подачи порошка в виде вертикального цилиндра с поршнем с поршнем, открытый конец которого установлен в плоскости стола и применяется в качестве бункера - накопителя порошка, причем на его поршне в опущенном вниз положении хранится достаточный запас мелкодисперсного порошка. При необходимости подачи порции порошка в рабочую зону поршень поднимается вверх на заранее рассчитанную высоту, причем объем порции порошка определяется только заранее заданной величиной зазора между плоскостью рабочего стола и плоскостью поршня с порошком (при постоянной площади поршня) для последующего разравнивания слоя порошка.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и техническому решению является устройство механизма подачи порошка по патенту US 6.215.093 В1 (прототип), где порошок в достаточном количестве содержится на плоскости поршня вертикального цилиндра, открытый конец которого совмещен с плоскостью рабочего стола. В соответствии с программным обеспечением поршень с порошком поднимается вверх, обеспечивая необходимый зазор между плоскостью рабочего стола и плоскостью поршня с порошком, а горизонтальное движение ножа разравнивающего устройства обеспечивает требуемую толщину слоя порошка для его последующего спекания. Таким образом, объем порции порошка для одного слоя определяется переменной величиной указанного зазора и постоянной величиной площади поршня.
В патенте RU 2021881 С1 объем порции порошка для одного слоя определяется постоянными размерами мерного бункера, через нижнее отверстие которого порошок высыпается на мишеневую зону рабочего стола для последующего выравнивания его слоя.
Известна установка лазерного послойного синтеза CONCEPT M2 с вертикальной подачей порошка в виде поршня с вертикальным цилиндром квадратного сечения размером 250×250 (мм×мм), на котором в нижнем опущенном состоянии хранится запас порошка.
Недостатком этого устройства, а также всех других упомянутых устройств является применение как постоянного объема мерного бункера, так и постоянной площади поршня-механизма накопителя порошка, поставляющего порошок в рабочую зону, причем регулирование объема потребной порции порошка для каждого слоя производится исключительно регулированием зазора между уровнем плоскости рабочего стола и уровнем плоскости поршня.
При проведении пуско-наладочных работ, а также при спекании мелко-габаритных деталей это приводит к значительному расходу порошка для образования каждого слоя требуемой толщины, росту объема избыточного порошка, подлежащего утилизации.
Избыточный порошок, остающийся на рабочем столе после спекания каждого слоя, или утилизируется с дополнительными затратами или просто ликвидируется при наличии в нем окалин или конгломератов, образовавшихся при спекании предыдущих слоев порошка. В результате повышается себестоимость изготовления мелкогабаритных деталей методом лазерного послойного синтеза.
Сущность полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства подачи порошка для изготовления деталей методом лазерного послойного синтеза, которое обеспечило бы значительную экономию мелкодисперсного порошка при проведении как наладочных работ, так и при спекании мелкогабаритных деталей, снижение затрат на утилизацию избыточного порошка (снижение себестоимости изготовления деталей) за счет возможности применения уменьшенной площади дополнительного съемного поршня с цилиндром, открытый конец которого размещен на плоскости рабочего стола с помощью съемной крышки, установленной в открытом конце основного вертикального цилиндра. Это позволяет сократить объем порции порошка для каждого слоя заданной толщины спекаемой детали с сохранением возможности спекания крупно габаритных деталей.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве подачи порошков, преимущественно для устройств спекания деталей методом послойного синтеза с рабочим столом, содержащем механизм дозированной вертикальной подачи порошка и механизм горизонтальной подачи порошка в зону спекания, при этом механизм дозированной вертикальной подачи порошка выполнен в виде вертикального цилиндра с поршнем, открытый конец которого установлен в плоскости рабочего стола, механизм дозированной вертикальной подачи порошка снабжен съемным дополнительным открытым цилиндром с поршнем, выполненным с диаметром, меньшим внутреннего диаметра вертикального цилиндра и установленным в его полости, при этом, открытый конец дополнительного цилиндра размещен на поверхности рабочего стола с помощью съемной крышки, устанавливаемой в открытом конце вертикального цилиндра.
Такое выполнение устройства позволяет снизить расход порошка, в частности, в экспериментальном производстве или при производстве мелкогабаритных деталей мелкими опытными партиями.
В случае необходимости спекания крупногабаритных деталей дополнительный цилиндр с поршнем меньшего диаметра демонтируется, обеспечивая применение цилиндра с поршнем большего диаметра в качестве бункера - накопителя порошка.
Иными словами, появляется дополнительная возможность формирования объема порции порошка каждого слоя, за счет сокращения его массы на уменьшенной площади плоскости дополнительного поршня.
Перечень фигур на чертежах.
Полезная модель устройства поясняется чертежами, на которых:
На Фиг.1 представлен общий вид и состав установки лазерного послойного синтеза.
На Фиг.2 представлен узел А механизма вертикальной подачи порошка для спекания мелкогабаритных деталей
На Фиг.3 - представлен вариант механизма вертикальной подачи порошка для спекания крупногабаритных деталей.
Осуществление полезной модели.
Устройство для изготовления деталей методом лазерного послойного синтеза, в виде экспериментальной установки (фиг.1), состоящей из жесткого каркаса 1, на котором размещена рабочая камера 2 с рабочим столом, в который вмонтирован механизм вертикальной подачи порошка 3, выполненный в виде съемного дополнительного цилиндра 4 с поршнем 5, выполненным с диаметром, меньшим внутреннего диаметра основного цилиндра и установленным в его полости, а открытый конец дополнительного цилиндр размещен на поверхности рабочего стола /с помощью съемной крышки, устанавливаемой в открытом конце вертикального цилиндр 4. Рабочий стол содержит зону спекания детали с вертикальным цилиндром 4 и поршнем 5, на плоскости которого и формируется слой порошка для последующего его спекания. На установке размещены также оптоволоконный иттербиевый лазер 9 с механизмом его перемещения, механизмом горизонтального перемещения и выравнивания слоя порошка с подвижным ножом 10 и приводом, системой наддува инертным газом, очистки камеры, системы ваккуумирования, шкафа управления 11 с режимами как ручного, так и автоматического управления процессом ЛПС, и т.д. Съемная крышка 1 (Фиг.2) вертикального цилиндра составляет единую плоскость 2 с рабочим столом.
Устройство также содержит механизм горизонтальной подачи порошка, состоящий из вертикального ножа или ролика с приводом перемещения (на черт. не показано).
На Фиг.2 изображен узел А механизма дозированной вертикальной подачи порошка для спекания мелкогабаритных деталей методом лазерного послойного синтеза, вмонтирован механизм вертикальной подачи 3 порошка в виде съемного дополнительного цилиндра 5 с поршнем 4, выполненным с диаметром, меньшим внутреннего диаметра основного цилиндра и установленным в его полости, а открытый конец дополнительного цилиндра размещен на поверхности рабочего стола с помощью съемной крышки 1, устанавливаемой в открытом конце вертикального цилиндр 5. Эта крышка образует единую плоскость с рабочим столом, оборудованным вертикальным ножом 2 для перемещения и выравнивания слоя порошка в зоне спекания.
На Фиг.3. Изображен вариант механизма устройства подачи порошков для спекания крупногабаритных деталей, состоящий из вертикального цилиндра 1 с поршнем большого диаметра 2, съемного кольца 3.
При необходимости спекания крупногабаритных деталей производится переналадка устройства подачи порошков в следующей последовательности;
1. Подъем вертикального цилиндра 6 в крайнее верхнее положение.
2. Демонтаж на рабочем столе съемной крышки 1 с цилиндром меньшего диаметра.
3. Демонтаж поршня меньшего диаметра на плоскости вертикального поршня цилиндра большего диаметра.
4. Установка заглушек на крепежных отверстиях плоскости вертикального поршня большего диаметра.
5. Установка съемного кольца взамен съемной крышки на рабочем столе.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
В исходном положении поршень уменьшенного диаметра 13, на котором размещен запас порошка марки Х18Н9Т дисперсностью до 40 мк в количестве, достаточном для спекания всей детали, совместно с поршнем увеличенного диаметра опущен вертикально вниз до упора. В соответствии с программным обеспечением поршень рабочего стола 5 поднимается относительно рабочей плоскости стола на величину, равную расчетной толщине слоя порошка, Тем самым в очищенную рабочую камеру подается дозированная уменьшенная порция порошка с последующим выравниванием его слоя ножом или валиком механизма выравнивания слоя порошка.
5
Далее происходит наполнение камеры защитным газом (аргоном) с давлением Р=1,3×10 Па, включение лазера мощностью N1=100 Вт.
Лазер включают для спекания площадей каждой ячейки и зоны слоя порошка с начальной скоростью перемещения спекающего луча 110 мм/с.. После окончания спекания данного слоя поршень рабочего стола опускается на величину, равную расчетной толщине слоя спеченного порошка, с последующей очисткой камеры от неиспользованного порошка для повторения цикла спекания нового слоя порошка.
После окончания спекания всей детали, происходит охлаждение детали, очистка и ее удаление из позиции выдачи.
Использование предлагаемого устройства позволяет снизить себестоимость процессов спекания мелкогабаритных деталей из мелкодисперсного порошка за счет снижения потерь порошка при формирования каждого слоя заданной толщины спекаемой детали, количество которых может достигать нескольких тысяч.