Формирующее устройство для послойного выращивания с системой нагрева

Полезная модель относится к аддитивному производству, в частности к устройствам, работающим по принципу послойного выращивания в порошковой ванне.
Послойное выращивание - основной принцип технологий аддитивного производства, в которых исходный материал послойно соединяется различными способами с целью формирования трехмерного объекта. Среди существующих аддитивных технологий различают ряд технологий, работающих по принципу использования емкости с исходным материалом - смолой, суспензией или порошком. Этапы выращивания включают такие операции, как нанесение слоя и его соединение с предыдущим с помощью вспомогательного устройства.
В качестве вспомогательных устройств применяются лампы с УФ-излучением, струйная головка со связующим, однако чаще всего применяются лазеры (технологии SLS, DLMS и др.). Лазеры способны подводить энергию большой мощности на локальный участок, что позволяет работать с такими материалами, как металлы и керамика, отличающимися высокими температурами плавления.
Однако локальный высокотемпературный нагрев, вызванный подведенной к участку энергией, способствует появлению температурного градиента, ведущего к образованию трещин и дефектов в заготовке. С целью уменьшения перепадов температуры используют дополнительные источники нагрева, например индуктивные или резистивные нагреватели, а также различные способы изоляции.
Кроме того, в установках послойного выращивания нашли применение широко распространенные в промышленности инфракрасные источники (технологии SHS, DLP) как средство послойного отверждения слоев исходного материала (порошка, фоточувствительной смолы или суспензии).
В промышленности в качестве инфракрасных источников используются эмиттеры на основе нитей накала из вольфрама, карбона, керамических источников излучения, а также диодных излучателей.
Известные из уровня техники установки, использующие инфракрасное излучение, отличаются применением дополнительных устройств и материалов. Например, установка, описанная в патенте CN 107206677 A «Method and device for producing 3d shaped articles by layering», работает по принципу активации состава - чернил, нанесенных с помощью струйной головки в местах слоя, соответствующих сечению объекта. Скрепление частиц в случае представленной в документе технологии высокоскоростного спекания (high-speed sintering, HSS) происходит в результате воздействия на абсорбент инфракрасного излучения, поступающего от одного и более источников, при этом области с абсорбентом нагреваются сильнее, чем без него. Таким образом, производительность процесса послойного отверждения уменьшается за счет использования трех операций по отношению к одному слою: 1) нанесение, 2) впрыскивание суспензии, 3) экспозиция ИК-излучением.
Конструкция представленной установки включает общеизвестный специалисту в данной области техники набор конструкционных элементов: контейнер, содержащий перемещаемую посредством актюатора в его полости платформу, устройство нанесения слоя порошка и струйная головка с возможностью перемещения внутри камеры устройства в горизонтальной плоскости. В качестве вспомогательных элементов конструкции выступают так называемые «средства»: сенсоры и датчики, изоляционные компоненты и нагреватель.
В качестве источника инфракрасного излучения изобретатели предлагают использовать керамические нагреватели. Из уровня техники известно, что такие излучатели обладают большой мощностью и рабочей температурой до 800°С, однако уступают по быстродействию при включении и выключении (задержка порядка нескольких секунд), их применение способно снизить производительность послойного выращивания.
Более того, установки такого рода малоэффективны по отношению к чистым металлам за счет низкой плотности тепловой энергии ИК-излучения, требуют дополнительной термообработки и позволяют получать преимущественно пористые металлические изделия. В связи с этим выбор используемых в технологии материалов ограничен и составляет преимущественно полимерные материалы, например полиамид с возможностью армирования керамическими или металлическими дисперсными добавками.
Альтернативным источником инфракрасного излучения, кроме вольфрамовых и карбоновых нитей, могут выступать лазерные диоды, отличающиеся быстродействием и способные работать в импульсном режиме с преобразованием электрического тока в фотоны без промежуточного состояния, с реализацией излучения в близкой области инфракрасного спектра.
Принцип инфракрасной обработки применен в устройстве, представленном в патенте «Устройство быстрого подогрева порошка для установки лазерной селективной плавки» (патент CN 208099346 U). Конструкция устройства быстрого предварительного нагрева порошка для устройства селективного лазерного плавления содержит средство распределения порошка, расположенное в закрытом отсеке для хранения порошка, устройство предварительного нагрева, подключенное к контроллеру и расположенное в верхней части устройства, а также отсек для хранения порошка, включающий два бункера для подачи порошка, сборочную камеру и формующий цилиндр. Над бункерами располагается устройство предварительного нагрева, выполненное в виде двух групп, каждая из которых регулируется по углу наклона и высоте с помощью промышленных роботов. В каждой группе установлены инфракрасный датчик температуры и в качестве излучателя нагревательные трубки в виде инфракрасных ламп, работающих с длиной волны от 0,5 мкм до 1,4 мкм.
Расположение устройства для предварительного нагрева над бункерами с порошком может привести к спеканию и агломерации порошка в бункерах, осложнить его транспортировку и нанесение на подложку и привести к неоднородности нанесенного слоя, впоследствии ведущего к появлению дефектов микроструктуры материала.
Известно нагревательное устройство для установки селективного лазерного плавления (патент CN 207607114 U «А preheating device for selective laser melting technique»), использующее инфракрасное излучение, располагающееся на стойке, находящейся выше уровня подвижной платформы, при этом обеспечивается нагрев порошковой ванны как со стороны подложки (путем индукционного нагрева), так и со стороны поверхности порошковой ванны - путем воздействия инфракрасного излучения. Заявляется, что совмещение индукционного и инфракрасного нагрева обеспечивает высокую скорость нагрева и, как следствие, улучшение качества получаемого изделия.
Представленное устройство предварительного нагрева для технологии селективного лазерного плавления содержит рабочую камеру, расположенные внутри него формующий цилиндр (основание устройства), охваченный закрученной медной трубой и протекающей через нее водой. С верхней стороны подложка соединена с пластиной, а с нижней оснащена электромагнитным индукционным нагревателем в виде катушки. Поршень для перемещения подложки защищен теплоизоляционным материалом.
Стойки для инфракрасных ламп, закрепленные диаметрально противоположено друг другу по периметру (на концах нижней) подложки, завершаются крышками, представляющими собой выходное отверстие для инфракрасного излучения.
Вышеописанное устройство выбрано в качестве прототипа и не лишено недостатков. Излучение установленных ИК-ламп не способно выборочно воздействовать на требуемый участок нанесенного на подложку слоя. В качестве используемого источника излучения авторами предлагается инфракрасная лампа с эмиттером в виде нити накала, которая отличается большой инерционностью.
В связи с этим возникает техническая проблема, заключающаяся в том, чтобы обеспечить уменьшение теплового градиента в процессе формирования изделия методом селективного лазерного плавления таким образом, чтобы тепловая обработка инфракрасным излучением происходила одномоментно по всем участкам сечения изготавливаемого объекта в нанесенном слое.
Указанная техническая проблема решается следующим образом.
В качестве системы нагрева для технологии селективного лазерного плавления предлагается нагревательное устройство, расположенное в платформе, в совокупности с нагревательной излучающей панелью, состоящей из лазерных диодов с высокой мощностью в количестве более двух, объединенных в секции и управляемых с помощью блока управления, при этом осуществляется включение лазерных диодов, которые соответствуют сечению изготавливаемого объекта в соответствии с его компьютерной моделью.
Формирующее устройство для реализации технологии послойного выращивания, кроме системы нагрева, включает основание, содержащее в полости формируемую деталь, находящуюся на платформе; платформу, которая, в свою очередь, связана с поршнем и включает нагревательное устройство, а также рабочую камеру с перемещаемым устройством нанесения материала термокамерой и одним или несколькими сканаторами, при этом рабочая камера в верхней части оснащена нагревательной излучающей панелью с возможностью выборочного управления лазерными диодами.
Технический результат заключается в обеспечении большей плотности световой энергии, вызванной включением определенных лазерных диодов, которая, обладая длиной волны в инфракрасном спектре, способствует нагреву верхних слоев формируемой детали. Кроме того, дополнительное тепловое воздействие в нижней части рабочей камеры уменьшает температурный градиент между нижней частью формируемой детали и поверхностным слоем. Устраняются такие нежелательные эффекты, как коробление, трещинообразование, избыточная пористость, способствующие улучшению механических и иных характеристик. Повышается производительность процесса формирования изделия.
К описанию полезной модели прилагаются следующие иллюстрации:
Фиг. 1 - установка с системой нагрева, включающая: 1. основание; 2. формируемый объект; 3. платформа; 4. нагревательное устройство; 5. поршень; 6. рабочая камера; 7. устройство нанесения материала; 8. термокамера; 9. лазерные сканаторы; 10. нагревательная излучающая панель; 11. изолирующий слой; 12. датчики температуры.
Фиг. 2 - установка с системой нагрева.
Фиг. 3 - схема нагревательной излучающей панели с секциями.
Формирующее устройство для послойного выращивания с системой нагрева включает рабочую камеру 6, в верхней части корпуса которой встроена термокамера 8 с одним или несколькими сканаторами 9 и нагревательная излучающая панель 10, установленная с возможностью перемещения с помощью неподвижно закрепленных к корпусу рабочей камеры направляющих; в нижней части корпуса рабочей камеры 6 посредством неподвижно закрепленных к корпусу рабочей камеры направляющих установлено устройство нанесения материала 7 с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости; рабочая камера сварена с основанием 1, содержащим в полости формируемый объект 2, расположенный в среде порошка на платформе 3, которая, в свою очередь, соединена сборочной операцией с поршнем 5, причем платформа 3 оснащена нагревательным устройством 4, отделенным от нижней части платформы 3 слоем термоизолирующего материала 11.
Процесс послойного лазерного сплавления включает последовательные операции, начиная с нанесения на платформу 3 слоя порошка при помощи устройства нанесения материала 7, передвигающегося от одной стенки рабочей камеры 6 к противоположной. В момент пересечения устройством нанесения 7 области с нанесенным порошком опускается и включается нагревательная панель 10, осуществляющая нагрев участка нанесенного слоя порошка, согласно сечению компьютерной модели, с помощью ИК-излучения. Мощность и время экспозиции устанавливается с помощью блока управления (не показано) опционально. Затем устройство нанесения 7 перемещается к противоположной стенке рабочей камеры, открывая площадку для обработки нанесенного порошкового слоя лазерным излучением с помощью сканатора 9. После сплавления порошкового слоя платформа 3 вместе с формируемым объектом 2 опускается на высоту слоя с помощью поршня 5 в полость основания 1 устройства послойного нанесения. Представленный цикл операций повторяется до момента полного изготовления формируемого объекта, при этом обработка слоя лазерным сканатором 9 осуществляется при одновременной работе нагревательного излучающего устройства 10, расположенного под платформой 3.
Режим нагрева, осуществляемого со стороны платформы, включающий время и температуру, имеет возможность регулировки с помощью блока управления. Нагревательное устройство 4, расположенное в нижней части платформы, может быть представлено в виде резистентного или индукционного нагревателя.
Термин «рабочая камера» описывает верхнюю часть установки, в металлическом или неметаллическом термостойком корпусе которой происходит нанесение слоя исходного материала и его обработка, и которая содержит во внутреннем пространстве вспомогательные устройства, соединенные между собой сборочными операциями, такие, как сканатор 9 в количестве более одного, и датчики контроля процесса, в совокупности образующие термокамеру 8.
С помощью термокамеры 8 может осуществляться контроль формования объекта, позволяющий получить вне зависимости от условий освещения изображение слоя материала с целью оценки поверхности на наличие дефектов и/или геометрических неровностей, возникших при его обработке, а также тепловую информацию.
Представленное решение позволяет также избежать таких проблем, как спекание частиц во всем поверхностном слое порошка, которое нарушает требуемую геометрию объекта.
Нагревательная излучающая панель 10 может быть выполнена в виде металлической или неметаллической термостойкой дисковой панели с концентрически расположенными секциями с лазерными диодами в количестве более двух (фиг. 3). В каждой секции встроено более одного лазерного диода. Кроме того, нагревательная панель может быть выполнена в виде многоугольника, включая, например, прямоугольник или восьмиугольник, соответственно, секция может иметь вид сектора окружности, прямоугольника или многоугольника.
В качестве направляющих для перемещения излучающей панели 10 и устройства нанесения материала 7 могут быть использованы направляющие с электроприводом.
В одном из вариантов осуществления нагревательная излучающая панель 10 перемещается вместе с устройством нанесения материала 7 с помощью неподвижно закрепленных к корпусу направляющих.
В предпочтительном варианте осуществления системы нагрева управление нагревательной излучающей панелью 10 и инфракрасным излучением в целом производится таким образом, чтобы включались лазерные диоды, соответствующие сечению компьютерной модели. Кроме того, предусмотрена возможность секционного включения лазерных диодов.
В случае использования диодной панели нагревательная излучающая панель должна обладать достаточной плотностью лазерных диодов, чтобы обеспечивать наиболее точное совпадение с сечением объекта.
В результате использования нагревательной излучающей панели исключается необходимость в применении фильтрующей излучение маски, а также обеспечивается экономия энергии.
Длину волны ИК-излучения, обеспечиваемого лазерными диодами, устанавливают в диапазоне от 750 нм до 1200 нм в зависимости от используемого материала.
В предпочтительном варианте осуществления нагревательные панели устанавливают в верхней части камеры вокруг расположенного по центру сканатора таким образом, чтобы не пересекать область обзора термокамеры. Нагревательные излучающие панели в количестве не менее одной установлены с возможностью закрепления под углом к поверхности платформы и поверхностного слоя с целью воздействия на всю площадь обрабатываемой поверхности. Так же предусмотрена возможность фиксированного расположения нагревательной излучающей панели по высоте, как и перемещение панели в вертикальном направлении, таким образом может обеспечиваться определенная интенсивность излучения.
Специалисту в данной области техники понятно, что при расположении панелей под углом нагрев поверхности будет неравномерным. В данном случае равномерность нагрева обеспечивается путем установки определенного значения мощности для каждой области обрабатываемой поверхности посредством блока управления.
Кроме того, установка определенного значения мощности для каждого единичного элемента панели может выбираться с целью получения материалов с переменными свойствами.