Устройство для изготовления деталей послойным лазерным синтезом

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, а именно к устройствам для изготовления сложных трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка лазерным послойным синтезом и может найти применение в различных отраслях машиностроения.
Известны различные устройства с применением лазерной технологии, синтеза деталей из порошков, и состоящие, в основном, из лазерно-оптической системы, рабочей камеры с вертикально подвижным столом, механизмов вертикальной подачи порошка из бункера-питателя и горизонтальной подачи порошка в рабочую камеру с последующим выравниванием ножами или валиками и спеканием/сплавлением каждого его слоя, с системами вакуумирования, очистки и защиты газовой среды, системой управления и т.д. (установки моделей «Phenix 250» (Франция), EOSINTS 750 (Германия), Concept М2 (Германия), патент US №6215093 В1, опубл. 10.04.2001).
Характерной особенностью установок этих моделей является то, что детали изготавливаются послойно и их качество зависит от толщины наносимого порошкового слоя в процессе, причем высота слоя остается неизменной независимо от габаритов синтезируемой детали. Из-за высокой шероховатости изделиям ответственного назначения необходим комплекс постобработки (пескоструйная обработка, шлифование и т.д.), что увеличивает себестоимость изделий.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату - прототипом - является устройство для изготовления деталей послойным лазерным синтезом, содержащее каркас, установленную на нем высокоточную плиту с вертикальным цилиндром, образующим рабочую камеру, открытый конец которого выполнен с возможностью установки в плоскости горизонтальной подачи порошкового материала в зону синтеза, рабочий стол, выполненный в виде вертикально подвижного поршня и размещенный в полости упомянутого вертикального цилиндра, разравнивающий нож, установленный консольно на задней стенке каркаса с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения параллельно плоскости горизонтальной подачи порошкового материала в зону синтеза, лазерный узел, выполненный с возможностью генерирования лазерного луча и управления им, при этом рабочая камера снабжена съемным цилиндром с поршнем, сечение полости которого меньше сечения полости упомянутого вертикального цилиндра, установленным в указанной полости, при этом поршень съемного цилиндра выполнен с возможностью зависимого перемещения с вертикально подвижным поршнем, причем съемный цилиндр выполнен с открытым концом и фланцем и размещен в одной плоскости с открытым концом упомянутого вертикального цилиндра (Патент РФ 164759 U1, опубл. 10.09.2016).
Недостатком прототипа является то, что при изготовлении малогабаритных изделий толщина наносимого порошкового слоя остается такой же, как при изготовлении полноразмерных деталей, что отрицательно влияет на геометрические характеристики.
Задачей настоящей полезной модели является модернизация существующего устройства для изготовления деталей послойным лазерным синтезом с обеспечением возможности однородной расстилки тонких однородных слоев при изготовлении малогабаритных изделий.
Технический результат - повышение качества изготовления малогабаритных деталей послойным лазерным синтезом за счет однородного нанесения более тонких слоев порошка.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для изготовления деталей послойным лазерным синтезом, содержащее каркас, установленную на нем высокоточную плиту с вертикальным цилиндром, образующим рабочую камеру, открытый конец которого выполнен с возможностью установки в плоскости горизонтальной подачи порошкового материала в зону синтеза, рабочий стол, выполненный в виде вертикально подвижного поршня и размещенный в полости упомянутого вертикального цилиндра, разравнивающий нож, установленный консольно на задней стенке каркаса с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения параллельно плоскости горизонтальной подачи порошкового материала в зону синтеза, лазерный узел, выполненный с возможностью генерирования лазерного луча и управления им, при этом рабочая камера снабжена съемным цилиндром с поршнем, сечение полости которого меньше сечения полости упомянутого вертикального цилиндра, установленным в указанной полости, при этом поршень съемного цилиндра выполнен с возможностью зависимого перемещения с вертикально подвижным поршнем, причем съемный цилиндр выполнен с открытым концом и фланцем и размещен в одной плоскости с открытым концом упомянутого вертикального цилиндра, снабжено магнитом с осевым намагничиванием, выполненным в виде цилиндрической втулки, закрепленной на нижнем торце фланца съемного цилиндра в полости между вертикальным и съемным цилиндрами соосно траектории перемещения поршня съемного цилиндра и обращенной северным полюсом к зоне синтеза.
Введение в устройство магнита с осевым намагничиванием, выполненным в виде цилиндрической втулки, позволит расстилать однородные тонкие слои, используя склонный к комкованию материал субмикронной размерности.
Полезная модель поясняется графическими материалами, где схематично изображены на:
Фиг. - Устройство для изготовления деталей послойным лазерным синтезом (осевой разрез).
Представленные изображения содержат следующие позиции:
- рабочая камера 1;
- высокоточная плита 2;
- вертикальный цилиндр 3;
- открытый конец 4 вертикального цилиндра;
- поршень 5;
- плоскость 6 горизонтальной подачи порошкового материала в зону синтеза;
- каркас 7;
- разравнивающий нож 8
- полость 9 вертикального цилиндра;
- лазерный узел 10;
- дополнительный поршень 11;
- бункер 12 подачи порошка;
- контролер 13;
- поршень 14 бункера;
- отверстие 15 для ссыпания через него излишков порошка;
- полость 16 дополнительного цилиндра;
- открытый конец 17 дополнительного цилиндра;
- съемный дополнительный цилиндр 18;
- фланец 19;
- направляющая 20 рельсового типа;
- лазерный луч 21;
- магнит 22.
Для лучшего понимания, ниже представлено комплексное описание устройства для изготовления деталей послойным лазерным синтезом, включающего заявленную рабочую камеру. В состав устройства входят:
Каркас 7 изготавливается в виде сварной или сборной жесткой конструкции коробчатой формы из металлических труб квадратного сечения. Каркас является базовым узлом для закрепления основных деталей, узлов и оборудования установки.
Высокоточная плита 2 устанавливается на каркасе 7 и содержит вертикальный цилиндр 3 необходимый для перемещения в нем поршня 5 вместе с дополнительным поршнем 11. Также в высокоточной плите 2 предусмотрено отверстие 15 для ссыпания через него излишков порошка, и бункер подачи порошка 12 вместе с поршнем бункера 14.
Согласно заявленной полезной модели рабочая камера 1, состоящая из вертикального цилиндра 3, установлена открытым концом вертикального цилиндра 4 в плоскости горизонтальной подачи порошкового материала 6 высокоточной плиты 2 и имеет форму «колодца, внутри которого поршень 5 может осуществлять вертикальное возвратно-поступательное перемещение благодаря приводу поршня, который управляется контролером 13. В полости вертикального цилиндра 9 установлен съемный дополнительный цилиндр 18 с дополнительным поршнем 11. Дополнительный поршень 11 зависимо перемешается от поршня 5 в полости дополнительного цилиндра 16. Открытый конец дополнительного цилиндра 17 с фланцем 19 размещен в единой плоскости с открытым концом вертикального цилиндра 4. Также в полости вертикального цилиндра 9 установлен с помощью уплотнительных силиконовых колец(на фигуре не показано) магнит 22 с осевым намагничиванием, выполненный в виде цилиндрической втулки. Целесообразно устанавливать магнит с габаритами по вертикали равными вертикальным габаритам съемного дополнительного цилиндра 18. Экспериментально было установлено, что наилучшее уплотнение порошкового слоя выполняется при использовании магнита с внутренним диаметром в 2 раза большем, чем внутренний диаметр съемного дополнительного цилиндра 18.
Разравнивающий нож 8 установлен консольно на задней стенке каркаса 7 и имеет возможность горизонтального возвратно-поступательного перемещения параллельно плоскость горизонтальной подачи порошкового материала в зону синтеза 6 благодаря направляющей рельсового типа 20 и электроприводу (на фигуре не показан).
Бункер подачи порошка 12 предназначен для подпитки дополнительного отсека рабочей камеры новыми не подвергнутыми лазерной обработке порциями порошка, которые при совместной работе с разравнивающим ножом 8 расстилаются тонким слоем по поверхности дополнительного поршня 11 (в случае нанесения первого слоя порошка), либо по поверхности обработанного перед этим предыдущего слоя порошка.
Лазерный узел 10 установлен на верхней стенке каркаса 7 и необходим для обеспечения фокусировки лазерного луча 21 в технологически заданную зону селективной обработки каждого нанесенного слоя порошка при формировании изделия.
Устройство для изготовления деталей послойным лазерным синтезом работает следующим образом.
В системе автоматического проектирования (САПР) создают трехмерную компьютерную 3D-модель изделия и разбивают ее на поперечные сечения, которые служат основой для послойного изготовления изделия.
Поршень 5 устанавливается в крайнее верхнее положение, соответственно дополнительный поршень 11 устанавливается на одном уровне с плоскостью горизонтальной подачи порошкового материала в зону синтеза.
Поршень 5 в рабочей камере опускается вниз вместе с дополнительным поршнем 11 на величину необходимого слоя порошка, который будет, подвергнут лазерной обработке.
Поршень подачи порошка 14 поднимает порцию порошка из бункера подачи порошка 12.
Разравнивающий нож 8, находящийся в крайнем правом положении, перемещается влево (показано пунктиром). По ходу движения нож сгребает порцию порошка над бункером подачи порошка и, проходя над открытым концом дополнительного цилиндра 17, под силой действия магнитного поля магнита 22 порошковый слой равномерно наносится на дополнительный поршень 11. Остатки лишнего порошка разравнивающий нож 8 сбрасывает в отверстие для ссыпания через него излишков порошка 15.
Разравнивающий нож 8 возвращается в крайнее правое положение.
Лазерный луч 21, генерируемый и управляемый лазерным узлом 10, по программе селективно переплавляет нанесенный слой порошка. После лазерного воздействия на порошок поршень 5 с дополнительным поршнем 11 опускается на величину необходимого слоя порошка.
Далее на дополнительный поршень 11 наносится новый слой порошка, и процесс повторяется до полного изготовления изделия. При этом всю последовательность технологических процессов осуществляют в автоматическом режиме в технологически регламентированных условиях посредством специальных программно-аппаратных средств.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача -модернизация существующего устройства для изготовления деталей послойным лазерным синтезом с обеспечением возможности однородной расстилки тонких однородных слоев при изготовлении малогабаритных изделий - решена, а заявленный технический результат - повышение качества изготовления малогабаритных деталей послойным лазерным синтезом за счет однородного нанесения более тонких слоев порошка - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле полезной модели признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения заявленного технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области порошковой металлургии, а именно к устройствам для изготовления сложных трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка лазерным послойным синтезом, и может найти применение в различных отраслях машино- и авиастроения;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.