СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ГРАДИЕНТОМ СВОЙСТВ ИЗ ПОРОШКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PRODUCTION OF 3D ARTICLES WITH GRADIENT OF PROPERTIES OF POWDERS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области высокоэнергетической обработки материалов и может быть использовано при получении объемных изделий с градиентом свойств из порошков.
Известен способ получения изделий с градиентом свойств [1], состоящий в последовательном нанесении слоев из различных порошков и их селективном спекании. Однако данный способ не позволяет получить спеченные области из различных порошков, лежащих в одной плоскости. Наиболее близким по технический сущности является способ получения объемных изделий с градиентом свойств [2], состоящий в последовательном нанесении слоев из различных порошков и их селективном спекании. При использовании данного способа невозможно получить в одном слое области изделия из различных порошков.
Задачей данного изобретения является разработка способа получения объемных изделий с градиентом свойств, позволяющего получить спеченные области из порошков различных материалов, лежащие в одной горизонтальной плоскости - в одном слое.
Для решения поставленной задачи предложен способ, который включает выбор строго определенного набора диаметров порошков из различных материалов, последовательное нанесение слоев порошка определенной толщины из различных материалов разного диаметра при перемещении поршня рабочего бункера со спекаемым изделием в вертикальном направлении и программируемое селективное спекание/плавление заданной области в плоскости каждого слоя. При этом толщины наносимых слоев кратны величинам максимальных диаметров частиц порошков из композиции данного слоя.
Сущность способа поясняется схемами на Фиг. 1.
а
а
а
На поршень 3 рабочего бункера (фиг. 1А) наносят слой толщиной  порошка 1 определенного диаметра. После спекания заданной области 2 слоя порошка 1 (фиг. 1А) данного диаметра из одного из материалов поршень рабочего бункера со спеченным изделием перемещают вверх на толщину  слоя и удаляют неспеченный порошок из этого слоя (фиг. 1Б). Затем возвращают поршень в прежнее положение (фиг. 1С), наносят слой толщиной  из порошка другого диаметра 4 из другого материала и проводят его селективное спекание в области 5. Повторяют процесс необходимое число раз в зависимости от количества наносимых материалов в данном слое, получая спеченные области из порошков разных материалов в одном слое.
б
После спекания слоя опускают поршень с изделием на толщину  следующего слоя (фиг. 1Д) и проводят вышеперечисленные операции в новом слое, например спекая область 7 в слое порошка 6.
По окончании процесса спекания изделия неспеченный порошок из рабочего бункера удаляют, проводят разделение удаленных порошков по их диаметрам и тем самым разделяют порошки из различных материалов. Отделяют дефектный порошок. Разделенные порошки возвращают в бункера-питатели для повторного использования.
Известно устройство для послойного лазерного спекания изделий из порошковых материалов [3], содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с фокусирующей системой и системой сканирования луча, рабочий бункер, поршень, перемещающий слой порошка и изделие, бункер-питатель, роллер засыпки и укладки порошка. С помощью данного устройства невозможно получить спеченные области из различных порошков, лежащие в одной горизонтальной плоскости.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является представленное в [4] устройство для послойного спекания изделий из порошковых материалов, содержащее рабочую камеру, лазер с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер, заполненный порошком, поршень, перемещающий слой порошка и изделие, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, систему удаления порошка.
Используя данное устройство невозможно получить изделия или покрытия, имеющие спеченные области из различных порошков, лежащие в одной горизонтальной плоскости - в одном слое толщиной 20-100 мкм в связи с тем, что удаление неспеченного порошка из тонкого (20-100 мкм) слоя порошка невозможно путем отсоса или сдува порошка, как заявленно в этом устройстве.
Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройств для получения изделий с градиентом свойств, которое позволит реализовать предложенный способ получения таких изделий, используя различные материалы.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для получения изделий с градиентом свойств из порошков, содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункеры-питатели, каретки засыпки и укладки порошка, объединенные в один модуль засыпки и укладки порошков, каретку очистки. Кроме того, устройство дополнительно снабжено системой удаления порошка из рабочей камеры, системой для разделения порошков по их диаметру, вакуумной системой и газовой системой. Каретка очистки перемещается параллельно направлению движения модуля засыпки и укладки порошков. Удаленный порошок собирается в герметичные емкости и возвращается в бункеры-питатели для повторного использования.
Сущность изобретения поясняется схемой (фиг. 2), где обозначено: 8 - лазер, 9 - система сканирования и фокусировки луча, 0 - поверхность спекания, 1 - слой порошка, 2 - изделие, 3 - поршень рабочего бункера, 12 - рабочая камера, 13 - каретка очистки, 14 - отсечной клапан, 10 - оптическое окно рабочей камеры, 11 - рабочая камера, 20 - рабочий бункер, 15 - газовая система, 16 - вакуумная система, 17 - емкости сбора порошков, 18 - отверстия системы удаления порошка, 19 - двигатель вертикального перемещения поршня, 21 - система разделения порошков, 22 - емкости для сбора разделенных порошков, 23 - технологическая камера, 24 - система вакуумной транспортировки порошков, 25 - роллер прикатки, 26 - модуль засыпки и укладки порошков, 27 - бункеры-питатели, 28 - распределитель-отсекатель.
Устройство работает следующим образом. Рабочая камера вакуумируется с помощью вакуумной системы 16 и при необходимости заполняется газом из газовой системы 15. Каретки модуля засыпки и укладки порошков 26 заполняются порошками из бункеров-питателей 27. На поршень 3 рабочего бункера 20, находящегося в некотором исходном положении, наносится слой порошка 1 (Фиг.1А) и осуществляется спекание области порошка 2. Перед нанесением другого порошка в этот слой поршень рабочего бункера 3 поднимается двигателем 19 на высоту слоя и с помощью каретки очистки 13, движущейся параллельно движению модуля укладки порошка 26, производится удаление неспекшегося порошка предыдущего слоя 1. Порошок сбрасывается в емкость 17 через клапан 14. Поршень рабочего бункера 3 опускают на высоту спекаемого слоя и наносят с помощью модуля 26 слой порошка 4 (Фиг. 1). Укладка из емкости модуля производится путем дозированного сброса порошка на поверхность 0 и его разравнивания ножами данной каретки. На обратном ходу модуля слой уплотняется роллером прикатки 25 модуля 26. Затем проводится селективное спекание слоя из порошка 4. Процедура повторяется для порошков других материалов из композиции данного слоя.
После спекания слоя опускают поршень с изделием на толщину следующего слоя и проводят вышеперечисленные операции в новом слое.
По окончании процесса спекания изделия поршень 3 опускают вниз до упора и через отверстия 18 системы удаления порошка с помощью системы вакуумной транспортировки 24 и газовой системы 15 неспеченный порошок из рабочего бункера удаляют в емкость 18, далее из емкостей 17 и 18 порошок транспортируется в систему разделения порошков 21, где проводят разделение порошков по их диаметрам и тем самым разделяют порошки из различных материалов в емкости 22. Разделенные порошки возвращают в бункеры-питатели 27 для повторного использования с помощью системы вакуумной транспортировки 24 через распределитель-отсекатель 28.
Периодическое поднимание и опускание поршня с изделием на разную высоту и глубину в зависимости от композиции слоя и диаметров порошков позволяет получить спеченные области из различных порошков, лежащие в одной плоскости, получить криволинейные в пространстве границы раздела областей изделия, спеченных из различных порошков, и таким образом изготовить объемное изделие с градиентом свойств любой сложности. А использование различия в диаметрах порошков из разных материалов для их разделения позволяет значительно повысить (вплоть до 100%) коэффициент использования порошка.
Литература
1. Wang, Chunchau, Hu, Yiadong. Cu/Fe Powder Gradient Material Sintering by Laser Processing // Proceedings SPIE. Vol.3550. Pp.60-64. 1998.
2. I. Yadroitcev, Ph. Beraard, B. Laget, I. Smurov. Application of Laser Assisted Technology for Fabrication of Functionally Graded Coatings and Objects for ITER Components // Journal of Nuclear Materials. V.362. 2-3. P.189-196. 2006.
3. С.Г. Баев, В.П. Бессмельцев, В.М.Крылов и др. «Разработка прототипа рабочей станции для изготовления трехмерных моделей методами послойного лазерного спекания и/или абляции» // Оптическая техника. 1. С.15-17.
4. Meiners W., Gassen A., Wissenbach K. // Patent US 6861613, 01.03.2005.