Способ лазерного послойного синтеза объемного изделия с внутренними каналами
METHOD FOR LASER LAYER-BY-LAYER SYNTHESIS OF THREE-DIMENSIONAL ARTICLE WITH INTERNAL CHANNELS

Изобретение относится к технологии послойного формообразования, в частности к производству изделий спеканием или сплавлением различных материалов, а именно к технологии лазерного послойного синтеза объемного изделия с внутренними каналами, и может быть использовано в авиационной и ракетной технике.
Известен «Способ получения в деталях внутренних прямолинейных и криволинейных каналов» по патенту РФ на изобретение №2484935, с использованием инструмента для сварки трением с перемешиванием, при этом упомянутый инструмент размещают на поверхности детали, сообщают ему вращательное движение, наконечник инструмента погружают в материал детали в зоне расположения изготавливаемого внутреннего канала и перемещают вдоль его траектории, при этом в зоне обработки создают давление, обеспечивающее течение пластифицированного металла до разрыва его сплошности и получение сварного шва с внутренней полостью, образующей упомянутый канал.
Недостатком известного способа по патенту РФ на изобретение №2484935 является низкая производительность процесса сварки трением с перемешиванием, так как перемещение инструмента по поверхности детали вдоль траектории проходит с небольшой скоростью, и после обработки давлением, обеспечивающим течение пластифицированного металла до разрыва его сплошности и получение сварного шва с внутренней полостью, требуется длительная термическая обработка детали для снятия значительных остаточных напряжений.
Известен «Способ изготовления многослойной монококовой конструкции в виде единой непрерывной оболочки» по патенту РФ на изобретение №2563063, принятый в качестве ближайшего аналога. Единая непрерывная оболочка требуемой конфигурации и аэродинамической формы с внутренними силовыми элементами включает лазерную многослойную наплавку слоев на подложку, при этом предварительно выполняют послойную электронную 3D-модель изготавливаемой конструкции, а подложку располагают в вертикальной плоскости и осуществляют на нее последовательно слой за слоем наплавку оболочки с внутренними силовыми элементами согласно электронной 3D-модели по меньшей мере одной рабочей лазерной головкой, которую перемещают в вертикальной плоскости с автоматической подачей проволоки из материала слоев и поступательно перемещают относительно продольной оси изготавливаемой конструкции, которую в процессе наплавки фиксируют по мере ее изготовления механизированными опорами, при этом в процессе наплавки изменяют ширину наплавляемого участка путем поступательного и продольного движения лазерного луча с заданной амплитудой.
Недостатком известного способа по патенту РФ на изобретение №2563063 является низкая производительность процесса лазерной многослойной наплавки слоев, так как наплавку слоев проводят автоматической подачей проволоки, которая подается в зону наплавки с низкой скоростью, равной скорости плавления материала лазерным лучом.
Перед заявляемым изобретением поставлена задача повышения производительности лазерного послойного синтеза объемного изделия с внутренними каналами.
Поставленная задача в заявляемом изобретении решается за счет того, что способ лазерного послойного синтеза объемного изделия с внутренними каналами, включающий создание виртуальной модели объемного изделия с внутренними каналами с помощью системы трехмерного геометрического моделирования и лазерный послойный синтез объемного изделия спеканием или сплавлением поперечных слоев материала, при этом создают виртуальную модель объемного изделия с элементами внутренних каналов, которую разделяют на модель основы с каналами, получаемыми механической обработкой, и по меньшей мере одну модель фрагмента с каналами, получаемыми послойным лазерным синтезом, затем по модели основы изготавливают механической обработкой монолитное основание с элементами внутренних каналов и на полученном монолитном основании достраивают по фрагменту модели с ответными элементами внутренних каналов лазерным послойным синтезом объемное изделие с внутренними каналами из поперечных слоев материала.
Заявленное изобретение отличается от известного «Способа изготовления многослойной монококовой конструкции в виде единой непрерывной оболочки» по патенту РФ на изобретение №2563063 тем, что создают виртуальную модель объемного изделия с элементами внутренних каналов, которую разделяют на модель основы с каналами, получаемыми механической обработкой, и по меньшей мере одну модель фрагмента с каналами, получаемыми послойным лазерным синтезом, затем по модели основы изготавливают механической обработкой монолитное основание с элементами внутренних каналов и на полученном монолитном основании достраивают по фрагменту модели с ответными элементами внутренних каналов лазерным послойным синтезом объемное изделие с внутренними каналами из поперечных слоев материала.
Указанное отличие позволило получить технический результат, а именно, обеспечило повышение производительности лазерного послойного синтеза объемного изделия с внутренними каналами.
На фиг. 1 представлен вид спереди на объемное изделие с двумя внутренними каналами.
На фиг. 2 представлен вид сверху по стрелке А (фиг. 1) на объемное изделие с двумя внутренними каналами.
На фиг. 3 представлен разрез Б-Б (фиг. 1) объемного изделия с двумя внутренними каналами.
На фиг. 4 представлен разрез В-В (фиг. 1) объемного изделия с двумя внутренними каналами.
На фиг. 5 представлен разрез Г-Г (фиг. 2) объемного изделия с двумя внутренними каналами.
Способ лазерного послойного синтеза объемного изделия с внутренними каналами (фиг. 1-5), включающий создание виртуальной модели 1 объемного изделия 2 с внутренними каналами 3 с помощью системы трехмерного геометрического моделирования и лазерный послойный синтез объемного изделия 2 спеканием или сплавлением поперечных слоев 4 материала, при этом создают виртуальную модель 1 объемного изделия 2 с элементами 5 внутренних каналов 3, которую разделяют на модель 6 основы с каналами 7, получаемыми механической обработкой, и по меньшей мере одну модель 8 фрагмента с каналами 9, получаемыми послойным лазерным синтезом, затем по модели 6 основы изготавливают механической обработкой монолитное основание 10 с элементами 5 внутренних каналов 3 и на полученном монолитном основании 10 достраивают по фрагменту модели 8 с ответными элементами 5 внутренних каналов 3 лазерным послойным синтезом объемное изделие 2 с внутренними каналами 3 из поперечных слоев 4 материала.
Работу по предлагаемому способу осуществляют следующим образом (фиг. 1-5). С помощью системы трехмерного геометрического моделирования создают виртуальную модель 1 объемного изделия 2 с элементами 5 двух внутренних каналов 3. Разделяют виртуальную модель 1 на модель 6 основы с каналами 7, получаемыми механической обработкой, и на две модели 8 фрагментов с каналами 9, получаемыми послойным лазерным синтезом. Таким образом, из виртуальной модели 1 объемного изделия 2 с двумя внутренними каналами 3 получают модель 6 основы для механической обработки и две модели 8 фрагментов для лазерного послойного синтеза.
По модели 6 основы механической обработкой на станке с числовым программным управлением (ЧПУ) изготавливают монолитное основание 10 с каналами 7, которое служит подложкой для последующего лазерного послойного синтеза. Производительность станков с ЧПУ очень высокая и значительно превосходит производительность машин для лазерного послойного синтеза. Технологические возможности станков с ЧПУ по механической обработке наружных поверхностей практически не ограничены, ограничения имеются на механическую обработку внутренних каналов 3, в частности криволинейных каналов. Поэтому для повышения производительности при изготовлении объемного изделия 2 с двумя внутренними каналами 3 рационально изготовить монолитное основание 10 с каналами 7, получаемыми механической обработкой, представляющее собой большую долю объемного изделия 2. Далее на монолитном основании 10 достраивают лазерным послойным синтезом по двум фрагментам модели 8 ответные элементы 5 двух внутренних каналов 3, которые получить механической обработкой невозможно.
На монолитном основании 10 лазерным послойный синтез по двум моделям 8 фрагментов с каналами 9 достраивают объемное изделие 2. Лазерный послойный синтез заключается в Последовательном спекании или сплавлении поперечных слоев 4 материала, например порошка, лучом лазера, который обводит в соответствии с конфигурацией и размерами двух моделей 8 фрагментов с каналами 9 контур по поперечному слою 4, а затем сканирует поперечный слой 4 внутри этого контура. В результате теплового воздействия лазерного излучения из частиц порошка сплавлением или спеканием формируют поперечный слой 4 материала, монолитно связанный с нижележащим слоем 4 материала. Необходимо отметить, что первый слой 4 материала монолитно связан с монолитным основанием 10. Таким образом, из поперечных слоев 4 материала достраивают послойно объемное изделие 2 с двумя внутренними каналами 3 в соответствии с конфигурацией и размерами виртуальной модели 1.
Изобретение позволило получить технический результат, а именно обеспечило повышение производительности лазерного послойного синтеза объемного изделия с внутренними каналами.