3D-принтер для печати металлических изделий

Полезная модель относится к области изготовления физического объекта из металлического порошка послойным нанесением материала методом селективного лазерного плавления и предназначена для получения изделий с уменьшенным содержанием распределенных в структуре изделия наночастиц оксидных фаз.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является выбранное в качестве прототипа устройство, обеспечивающее лазерный, ультразвуковой и плазменный композитный способ очистки изделий при послойном их изготовлении. После завершения формирования каждого слоя материала система оперативного мониторинга анализирует информацию о присутствии в текущем слое дефектов и, при необходимости, восстанавливает этот слой с использованием плазменной наплавки, лазерного переплава и ультразвуковой очистки. При этом микроскопические дефекты выявляются при помощи видеокамеры высокого разрешения, далее для заделки дефектов используются плазмотрон, установленный на промышленном роботе, генератор ультразвука, установленный на ванне с порошком, и штатный лазер. Предполагается, что метод позволяет залечивать микроскопические дефекты в изделиях, обеспечивая высокоточную онлайн-обработку дефектов, тем самым улучшая качество продукции (патент CN 112846183А, опубл. 28.05. 2021 г.).
Недостатками данного устройства, в том числе технической проблемой, является его сложность, недостаточная разрешающая способность видеокамеры высокого разрешения для выявления микроскопических дефектов в условиях запыленности текущего наплавленного слоя порошком металла, невозможность наплавлять плазмотроном слой металлического порошка, равный шагу построения изделия, что будет мешать разравнивать порошковый материал при формировании следующего слоя.
В основу заявленной полезной модели положен технический результат - повышение качества 3D-печати за счет уменьшения содержания распределенных в структуре изделия наночастиц оксидных фаз, образовавшихся при окислении поверхности металла остаточным кислородом, присутствующим в следовых количествах в защитной атмосфере лазерной камеры путем очистки наплавленного слоя источником атмосферной плазмы, размещенным над рабочей платформой и перемещающимся по направляющим между циклами формирования текущих сечений.
Технический результат достигается тем, что 3D-принтер для печати металлических изделий селективным лазерным плавлением, содержащий заполняемую инертным газом технологическую камеру с размещенными в ней ванной с порошком, разделенной на дозирующее, строительное и сборное отделения, рабочей платформой с подогревом, установленным над последней на направляющих разравнивающим роликом, лазером с поворотным зеркалом, формирующим слой изделия в соответствии с текущим сечением исходной цифровой модели, и видеокамерой высокого разрешения, снабжен источником атмосферной плазмы, размещенным над рабочей платформой, с возможностью перемещения по направляющим между циклами формирования текущих сечений.
В качестве атмосферного источника плазмы используется устройство, работающее на основе диэлектрического барьерного разряда. Плазменная очистка требует использования чистых газов и обработки в объеме, изолированном от воздуха. Этим условиям полностью соответствует среда внутри лазерной камеры 3D-принтера. Очистка происходит при подаче дополнительного напряжения от 30 до 300 В между электродом источника атмосферной плазмы и наплавленным слоем металлического порошка. Если на очищаемую поверхность подается положительное напряжение, поверхность дополнительно нагревается электронами. Если на металлическую поверхность, погруженную в плазму, подается отрицательное напряжение, процесс очистки ускоряется за счет ионной бомбардировки поверхности.
Изобретение поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 схематично изображен 3D-принтер, снабженный источником атмосферной плазмы;
на фиг. 2 - структура изделия, полученная селективным лазерным плавлением;
на фиг. 3 - оксидные наночастицы в структуре изделия из нержавеющей стали, полученного методом селективного лазерного плавления;
на фиг. 4 - схема источника атмосферной плазмы на основе диэлектрического барьерного разряда
3D-принтер для печати металлических изделий селективным лазерным плавлением содержит заполняемую инертным газом технологическую камеру 1 с размещенными в ней ванной 2 с порошком 3, разделенной на дозирующее 4, строительное 5 и сборное 6 отделения, рабочей платформой 7 с подогревом, с возможностью подачи на нее электрического потенциала U от 30 до 300 В, для чего используется отдельный источник питания 8, установленным над рабочей платформой 7 на направляющих 9 разравнивающим роликом 10, лазером 11 с поворотным зеркалом 12, формирующим слой изделия в соответствии с текущим сечением исходной цифровой модели, видеокамерой высокого разрешения 13, источником атмосферной плазмы 14, размещенным над рабочей платформой 7, с возможностью перемещения по направляющим 9 между циклами формирования текущих сечений.
3D-принтер для печати металлических изделий селективным лазерным плавлением работает следующим образом.
В технологической камере 1 сначала формируют слой, насыпая на поверхность рабочей платформы 7 дозу порошкового материала, и разравнивают порошок 3 с помощью разравнивающего ролика 10, перемещающегося по направляющим 9, формируя ровный слой порошкового материала определенной толщины. Затем выборочно (селективно) обрабатывают порошок в сформированном слое лазером 11, сплавляя частицы порошка 3 в соответствии с текущим сечением цифровой модели изделия. Затем на рабочую платформу 7 подается электрический потенциал U от источника питания 8, и происходит очистка наплавленной поверхности сформированного слоя источником атмосферной плазмы 14, перемещающимся по направляющим 9 (допускается наличие собственных направляющих), завершая цикл обработки.
Следующий цикл начинается с того, что после завершения построения текущего слоя рабочая платформа 7 перемещается в вертикальном направлении на величину шага построения и на ней формируют новый слой. Процесс повторяется до полного построения изделия (на фигурах не указано).
Для процесса характерно, что при изготовлении изделия (на фигурах не указано) наплавленный порошок 3 переплавляется несколько раз, обеспечивая надежное сцепление сформированных слоев (Фиг. 2). При этом материал нагревается выше точки плавления, и на наплавленной поверхности неизбежно возникает тонкая оксидная пленка, несмотря на то, что содержание кислорода в лазерной камере 1 устанавливается не выше 0.15%. Если эту пленку не удалять, то при формировании последующего слоя она будет замурована в изделие, и при переплаве сформированного над пленкой слоя останется в структуре изделия в виде сферических наночастиц аморфной оксидной фазы, равномерно распределенных по объему изделия (фиг. 3).
4
В качестве источника атмосферной плазмы применяется источник на основе диэлектрического барьерного разряда, генерирующий неравновесную плазму, поддерживающую относительно низкую температуру газа (около 400°С). Питание для диэлектрического барьерного разряда подается от источника питания переменного тока 15 с частотой подаваемого напряжения до 10 Гц. Источник атмосферной плазмы с диэлектрическим барьерным разрядом состоит из двух плоскопараллельных электродов, в зазор между которыми направляется поток газа 16, один из которых покрыт пластиной из диэлектрического материала с рядом небольших отверстий 17, что обеспечивает более высокую плотность плазмы (фиг. 4). Обрабатываемая наплавленная поверхность служит другим электродом 18. Для увеличения скорости очистки на рабочую платформу 7 подается потенциал U от 30 до 300 В, для чего используется отдельный источник питания 8.
Эксперименты показали возможность уменьшения содержания распределенных в структуре напечатанного на 3D-принтере изделия из нержавеющей стали наночастиц оксидной фазы более чем в три раза.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - обеспечения получения изделия, напечатанного на 3D-принтере, с уменьшенным содержанием оксидной фазы в его структуре.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) 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 предназначен для 3D-печати изделий из металлического порошка методом селективного лазерного плавления со свободной от включений оксидной фазы структурой изделия;
для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или 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 критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.