УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для лазерной обработки материалов и может быть использована для порошкового спекания, сварки, пайки, резки металлов и сплавов, композиций и ряда пластиков.
Из уровня техники известно устройство послойного получения трехмерного объекта из порошкообразного материала, содержащее технологическую платформу для послойного размещения порошкообразного материала, модуль для нанесения и уплотнения слоев порошкового материала на платформу или на ранее упрочненный слой, содержащего нож, с возможностью его возвратно-поступательного перемещения вдоль платформы, лазерный узел, установленный с возможностью селективной обработки порошкового материала каждого слоя на платформе до формирования готового объекта (Патент РФ на изобретение №2370367, В29С 67/00, 2006 г.).
Недостатком известного технического решения является высокая шероховатость поверхности получаемых изделий, которая достигает в среднем Ra12,5. Такая шероховатость поверхности делает невозможным получение ответственных деталей за одну операцию селективного лазерного плавления без применения дополнительной операции механообработки. Это ведет либо к ограничению области применения, либо к удлинению технологического цикла производства, и, как следствие, увеличению номенклатуры необходимого оборудования, а также себестоимости изделия. Кроме того, селективное лазерное плавление представляет собой технологию, одним из главных преимуществ которой является изготовление изделий сложной формы, которую невозможно получить традиционными методами. Это означает неминуемое столкновение с проблемой шероховатости в отсутствии альтернативных методов производства изделия.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является устройство для получения изделий из порошкообразных материалов, содержащее жесткий каркас с установленной на нем высокоточной плитой с базовой поверхностью, камеру, предназначенную для защиты обслуживающего персонала, функционально связанные систему управления и исполнительные механизмы, включающие рабочий бункер, состоящий из поршня с нагревательным элементом и закрепленной сверху подложкой, предназначенной для послойного формирования изделия, и бункер подачи порошка, установленные с возможностью независимого возвратно-поступательного перемещения относительно верхней плоскости высокоточной плиты, бункер сбора излишков порошка, лазерный узел, расположенный над станиной с возможностью обеспечения фокусировки лазерного луча в технологически заданную зону формирования изделия, и средство подачи и уплотнения порошкообразного материала в виде разравнивающего ножа, установленное с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формирования слоя изделия, а также по крайней мере один лазерный дальномер, предназначенный для контроля уровня поверхности изделия в зоне его формирования.
С существенными признаками заявляемой полезной модели совпадают такие признаки прототипа, как наличие источника лазерного излучения, возможность фокусировки и перемещения лазерного луча, а также наличие устройств, представляющих собой лазерные дальномеры, позволяющих по расстоянию до базовой поверхности оценивать равномерность нанесенного слоя. Такой подход позволит снизить вероятность нарушения допусков размеров и формы изделия.
К недостаткам прототипа следует отнести низкое качество поверхности получаемых изделий, обусловленное тем, что отсутствует система контроля поверхности получаемого изделия, и, как следствие, отсутствует возможность оперативного устранения обнаруженных недостатков. Имеющиеся устройства прототипа для контроля равномерности нанесенного слоя статичны и постоянно направлены в три соответствующие точки. Такой подход не позволяет судить о шероховатости изделия, что является одной из ее главных характеристик.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства лазерной обработки материалов с возможностью контроля шероховатости поверхности изделия во время процесса обработки и устранения выявляемых недостатков.
Технический результат заключается в повышении качества получаемых изделий за счет контроля шероховатости получаемых поверхностей и проведения лазерной полировки в местах, где это необходимо, как для улучшения шероховатости, так и для устранения недостатков макроструктуры получаемого слоя.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для лазерной обработки материалов, включающем средство базирования, предназначенное для размещения обрабатываемого объекта в зоне действия лазерного луча, установленные с образованием рабочего лучевого тракта лазер, фокусирующая оптическая система, направляющая луч в зону обработки, коллиматор, установленный на лазерном источнике, а также установленное между оптической системой и коллиматором средство направления отраженного лазерного излучения в средство бесконтактного контроля, средство направления отраженного лазерного излучения выполнено в виде диска с соосным лучевому тракту отверстием и отражательной поверхностью, направленной по лучевому тракту, радиально ограниченной краями диска и отверстия и шириной, равной ширине единичного прохода лазера, при этом остальная часть диска выполнена поглощающей лазерное излучение, диск выполнен с возможностью согласованного с фокусирующей оптической системой поворота, а средство бесконтактного контроля шероховатости выполнено в виде лазерного профилометра.
Полезная модель поясняется изображениями, на которых представлены:
На Фиг. 1 - схема заявленного устройства;
На Фиг. 2 - средство направления отраженного лазерного излучения.
Представленные изображения включают следующие позиции, характеризующие состав и/или работу устройства:
1 - станина;
2 - базовая поверхность;
3 - технологическая платформа;
4 - дозатор исходного порошкового материала;
5 - исходный порошковый материал;
6 - источник лазерного излучения;
7 - коллиматор;
8 - лазерный луч;
9 - средство направления отраженного лазерного излучения (диск);
10 - средство контроля поверхности (профилометр);
11 - система позиционирования лазерного луча;
12 - фокусирующая линза;
13 - устройство разравнивания (ролик);
14 - отраженный лазерный луч;
15 - рабочий лучевой тракт;
16 - обрабатываемый объект;
17 - средство контроля положения технологической платформы;
18 - средство базирования;
19 - ЭВМ;
20 - собирающая линза;
21 - сервопривод;
22 - отражающая поверхность диска;
23 - поглощающая поверхность диска;
24 - отверстие диска.
Воздействие лазерного излучения на материал в ряде случаев может применяться для нагрева, расплавления и испарения металлов. Эти явления при соответствующих параметрах нашли свое применение в таких процессах, как лазерное легирование, термообработка, резка, а также лазерная шлифовка (полировка). В промышленности принято, что качество детали всегда определяется допусками на размер, допусками формы, допусками расположения и параметрами шероховатости поверхностного слоя (С.Б. Тарасов Качество деталей и текстура поверхности // Станочный парк. №5 (61). 2000. С. 1066-1076). Ввиду этого применение лазерной шлифовки обусловлено необходимостью обеспечения требуемого качества поверхности изделия.
Метод лазерной полировки обладает высокой производительностью, локальностью, точностью, широкими возможностями контроля и управления процессом обработки, простотой и экологической чистотой. Лазерная обработка не требует применения механического абразива и адаптированных к поверхности инструментов. Метод лазерной полировки может быть применен к широкому классу материалов - от металлов до стекла. Применение метода особенно предпочтительно при обработке асферических поверхностей (В.П. Вейко и др. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. Учебное пособие. Университет ИТМО. С 71-72).
Размещение считывающего прибора, позволяющего контролировать шероховатость поверхности, на оптической оси установки обусловлено необходимостью постоянно держать фокус прибора на зоне непосредственного воздействия лазера. В ином случае приборы будут направлены большую часть времени на область, где лазерная обработка ведется лишь в конкретный момент времени.
В установке использован твердотельный лазер с возможностью работы в двух режимах: периодическом и импульсном. При непосредственном выполнении процесса селективного лазерного плавления используется, как правило, лазер непрерывного действия. Такой режим позволяет получать изделия менее подверженные к порообразованию, с лучшей плотностью и физико-механическими свойствами, чем при использовании импульсно-периодического лазерного источнинка (J. Jhabvala et. al. An innovative method to build support structures with a pulsed laser in the selective laser melting process // Advanced Manufacturing Technology. 2012. Vol. 59. P. 137-142). Импульсно-периодический режим работы лазера необходим при выполнении контроля поверхности получаемого изделия. Такой режим работы позволяет согласовать лазер, сканирующую (фокусирующую) систему и средство контроля шероховатости для точного определения геометрического места точки дефекта. Как правило, импульсные лазеры уступают непрерывным источникам в удельной мощности. Обычные лазерные профилометры применяют в своей конструкции лазеры мощностью порядка 1 милливатта и более.
В частном случае использовался твердотельный Nd:YAG лазер с максимальной мощностью 200 Вт, Гауссовым распределением плотности мощности и длиной волны 1064 нм. При этом лазерный луч проходит через коллиматор, необходимый для получения параллельного пучка, диаметр которого не превышает апертуру сканатора.
Все материалы, которые подвергаются лазерной обработке, способны как поглощать, так и отражать лазерные лучи. Второе явление характеризуется коэффициентом отражения материала. Так, например, золото отражает 85% излучения, медь - 71%, инструментальная сталь - 39%, нержавеющая сталь - 40%, смесь Al12Si - 35% (Mushtaq Khan, Phil Dickens Selective Laser Melting of pure gold // Gold Bulletin. 2010. Vol. 43. No. 2. P. 114-121; I. Yadroitsev et. al. Measurement of The Absorption Coefficient of Freely Poured One-Component Metallic Powders and Its Change During Laser Sintering // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1997. Vol. 36. No. 7-8).
На этом эффекте основан принцип функционирования устройства. Исходящий лазерный луч через систему позиционирования (фокусирования) лазерного луча попадает на рабочую область обрабатываемого материала. Часть излучения, пришедшего на нанесенный слой порошкового материала, поглотится и перейдет в тепловую энергию. Другая часть отразится и будет распространяться, в том числе, по оптической оси установки. Это возможно благодаря неровной поверхности разровненного слоя, состоящей из гранул порошка различной формы и размеров. При этом теряется до 80% мощности излучения, которое идет на нагрев, а также рассеивание лучей. Эта проблема решается генерацией импульсно-периодического излучения большей мощности, чем номинально необходимая для работы профилометра, которая составляет порядка 1-5 милливатт, что составляет около 0,001% от минимальной мощности обработки материалов. Кроме того, скорость зондирующего луча составляет в среднем 50 мм/сек, что не позволяет осуществить значительный энерговклад в исходный материал для какой-либо обработки кроме несущественного нагрева на мощностях до 40-50 Вт.
Отраженный луч, распространяясь в обратном направлении, представляет собой расходящийся пучок. Попадая в линзу, фокусирующую коллимированное лазерное излучение, отраженный луч расходится. Это происходит по причине, что линзы, составляющие фокусирующую f-theta линзу, являются плосковыпуклыми. Таким образом на выходе из апертуры сканатора отраженный лазерный луч будет расходящимся, но сохранит изначальные свойства, такие как длина волны и количество произведенных импульсов в единицу времени.
Задача направления отраженного луча в средство контроля шероховатости решается установкой поворотного диска с центральным отверстием и ограниченной областью отражения. Большая часть поверхности диска выполнена из материала, способного поглощать лазерное излучение низкой мощности. Отражательная часть поверхности направлена радиально и ограничена краями окружностей диска и отверстия соответственно, а также имеет ширину, равную ширине единичного прохода лазера по рабочей зоне. Центральное отверстие необходимо для беспрепятственного направления коллимированного лазерного излучения в систему позиционирования луча. Так как диаметр сечения отраженного лазерного луча, приходящегося на зеркало и концентричного отверстию, будет больше, чем это отверстие, то та зона излучения, которая не прошла сквозь отверстие, отразится от зеркала и будет направлена в средство контроля. Узкая отражающая полоса дает возможность направлять в средство контроля шероховатости то излучение, которое отразилось от обработанного лазером материала, исключая нежелательное излучение от необработанных областей. Диск выполнен поворотным, способным вращаться вокруг своей оси. Он приводится в движение сервоприводом, движения которого согласованы с управляющей программой в соответствии с текущей траекторией прохождения луча так, чтобы на отражающую поверхность приходилось только излучение от обработанной поверхности. Из-за небольшой мощности зондирующего луча и из-за неизбежной ее потери вследствие отражения и рассеяния, отраженный луч не представляет опасности для оборудования и не требует использования каких-либо устройств, поглощающих его энергию.
Отраженный лазерный луч через собирающую линзу попадает на приемник средства контроля. Принцип его работы заключается в расчете времени, которое затратил лазерный луч на путь от источника до обрабатываемой поверхности и затем до приемника средства контроля. Чем выше неровность на обработанной поверхности, тем меньше времени понадобится лучу на преодоление расстояния и наоборот.
В частном случае может применяться метод вычисления на основе эффекта Доплера. При перемещении с некоторой постоянной скоростью зондирующего луча вдоль контролируемой поверхности возникает отраженный лазерный луч. Отраженное от поверхности излучения получает доплеровский сдвиг частоты, пропорциональный вертикальной составляющей относительной скорости движения поверхности, которая определяется углом подъема освещенного элемента микропрофиля. Излучение принимается фотоприемником средства контроля. С выхода фотоприемника электрический сигнал после прохождения через амплитудный ограничитель и узкополосный усилитель поступает на частотный детектор. Выходной сигнал частотного детектора подается на интегрирующий усилитель, формирующий напряжение, пропорциональное мгновенному значению высот микронеровностей поверхности.
При лазерной обработке, в частности при селективном лазерном плавлении, обработка ведется лазерным лучом минимального диаметра, для обеспечения большей точности. Таким образом, процессы лазерной обработки, зондирования и полировки проводятся при одинаково минимальном диаметре, так как он является наименьшей возможной зоной термического влияния. С уменьшением диаметра фокусного пятна лазера увеличивается точность обработки.
Непосредственное вычисление расстояния средством контроля возможно при обработке материала в точке пересечения оптической оси установки и базовой поверхности, что является кратчайшим путем, проходящим из лазерного источника через обрабатываемую поверхность к профилометру. При отклонении луча сканирующим устройством для обработки текущего контура изделия необходимо измерять его проекцию на оптическую ось, так как в ином случае луч будет проходить большее расстояние ввиду его отклонения зеркалами, но не из-за присутствующей неровности. Таким образом, отклоненный луч образует прямоугольный треугольник: непосредственно отклоненный луч является гипотенузой, его проекция на оптическую ось и на базовую поверхность - катеты. При этом гипотенуза высчитывается средством контроля, проекция на базовую поверхность известна как заданная на стадии трехмерного проектирования изделия. Задача измерения по этим двум параметрам искомого катета решается применением теоремы косинусов. В частном случае она представляет собой теорему Пифагора.
0
a
Полученные значения сравниваются с помощью ЭВМ с номинальными. Каждая модель на этапе проектирования делится на слои определенной толщины, для их последовательного сплавления. Таким образом, для каждого получаемого сечения можно определить номинальную высоту, которая будет находиться от источника лазерного излучения на определенном расстоянии N. Аппаратно уровень нанесенного слоя обеспечивается автоматическим движением технологической платформы. Таким образом, формула для расчета шероховатости по параметру R в устройстве выглядит следующим образом:
0
i
где N - расстояние до номинального значения профиля, n - количество измерений, v - скорость лазерного луча, t - время прохождения луча от источника до средства измерения.
Задача определения точного геометрического положения дефекта на поверхности контролируемой области решается путем согласования импульсного лазера, профилометра и управляющей программы сканатора на ЭВМ. Перед зондированием программа разбивает траекторию следования луча на отрезки, равные диаметру лазерного луча. Каждый такой отрезок или группа отрезков зондируется разным количеством импульсов в единицу времени. Изменяется как количество импульсов, так и продолжительность каждого из них. Таким образом, по приходящему на средство контроля сигналу можно однозначно определить геометрическое местоположение дефекта.
Устройство для лазерной обработки материалов (на примере устройства лазерного плавления/спекания порошкового материала) работает следующим образом.
В системе автоматического проектирования (САПР) создают трехмерную компьютерную модель 3D-модель изделия и разбивают ее на поперечные сечения, которые служат основой для послойного изготовления изделия. Технологическую платформу 3 (Фиг.) смещают вниз относительно базовой поверхности 2 станины 1 на расстояние, соответствующее толщине функционального слоя обрабатываемого объекта 16. При этом точность перемещения технологической платформы 3 обеспечивается средством контроля положения 17. Далее дозатор 4 исходного порошка 5 в виде основания с порошкообразным материалом перемещают вверх на определенную величину, осуществляя при этом подачу порошкообразного материала с запасом для дальнейшего его перераспределения. После этого устройством разравнивания 13 совершают горизонтальное поступательное движение относительно технологической платформы 3, захватывая и подавая при этом порошкообразный материал 5 на технологическую платформу 3. При этом, посредством устройства разравнивания 13 осуществляют уплотнение порошкообразного материала для увеличения однородности и уменьшения пористости слоя. Далее, устройство разравнивания 7 возвращают в свое первоначальное положение. Для сплавления контура текущего слоя порошка источник лазерного излучения 6 генерирует постоянный лазерный луч 8, проходящий через коллиматор 7. После этого лазерный луч 8 попадает в сканирующее устройство 11. Это устройство отклоняет лазерный луч 8, проходящее через фокусирующую  линзу 12, позволяя спекать необходимый контур. Во время обработки диск 9 приводится в движение сервоприводом 21 таким образом, чтобы отражающая поверхность 22 диска 9 была направлена в противоположную сторону от вектора перемещения лазерного луча. Во время обработки материал отражает часть лазерного луча 8. Отраженный лазерный луч 14 распространяется вдоль рабочего лучевого тракта 15 установки и через систему сканирования 11 направляется на диск 9. Часть отраженного лазерного излучения 14, не прошедшая через отверстие 24, отражается от зеркальной области 21 и направляется на средство контроля поверхности 10, проходя через собирающую линзу 20. Данные со средства контроля 10 передаются на ЭВМ 19, где предстают перед оператором в удобном для интерпретации виде, позволяя проводить диагностику результатов процесса и предпринимать корректирующие действия. При необходимости источник лазерного излучения 6 на определенных режимах применяется локально или по всей поверхности детали в качестве рамках процесса лазерной полировки.
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 требуемого 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 лазерной обработки материалов и может быть использован для порошкового спекания, сварки, пайки, резки металлов и сплавов, композиций и ряда пластиков, и может найти применение в различных отраслях машиностроения;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условий патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.