УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА

Область техники
Полезная модель устройства относится к области, порошковой металлургии, производству изделий из металлических порошков с последовательным и повторным проведением процесса уплотнения и спекания, а именно к устройствам для изготовления сложных трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка с применением технологии лазерного послойного синтеза, и может найти применение в различных отраслях машино- и авиастроения.
Уровень техники
Известны устройства с применением лазерной технологии, спекающие (сплавляющие) детали из порошков, и состоящие, в основном, из лазерно-оптической системы, рабочей камеры с вертикально подвижным столом, оборудованной механизмом дозированной подачи порошка и выравниванием его слоя, с системами вакуумирования, очистки и защиты газовой среды, а также с системами контроля температуры спекаемого слоя, охлаждения детали, с системой управления и программным обеспечением и т.д. (устройства моделей "Phenix 250", "МЗ Linear", "Trumaform LF").
В лазерно-оптических системах этих моделей применяется лазерный спекающий луч исключительно с минимальным диаметром светового пятна (с ручными способами настройки фокусного расстояния).
Известны различные способы ручной настройки минимального диаметра лазерного луча. Например, патентом на изобретение РФ 2021881 С1, класс B22F 3/12, год 1994, предусматривается ручная настройка фокусного расстояния оптической системы посредством коррекции расстояния между собирательной линзой и мнимой фокальной точкой.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и техническому решению, является устройство по патенту РФ 2132761 С1, класс B22F 3/105, 1999 года, согласно которому настройка минимального диаметра луча обеспечена применением различных оптических элементов, в т.ч. телескопической оптической системы, а также светоделителя, оптических модуляторов, расширителя луча и т.д. для одновременного расфокусирования луча с целью обеспечения предварительного подогрева спекаемого порошка.
Недостатками всех выше упомянутых устройств является исключительное применение минимальных диаметров светового пятна спекающего луча, а также ручные способы их настройки при необходимости спекания больших площадей слоя порошка трудоемких деталей, что проявляется в значительных затратах времени и ресурса устройств на изготовление трудоемких деталей.
Сущность полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для изготовления деталей методом послойного синтеза, которое обеспечило бы повышение производительности изготовления трудоемких деталей посредством обеспечения возможности изменения диаметров светового пятна луча лазера в автоматическом режиме для каждого условного сечения деталей.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве для изготовления деталей методом послойного синтеза, выполненное в виде экспериментального стенда, содержащего лазерно-оптическую систему со спекающей лазерной оптической головкой, рабочую камеру с рабочим столом, контейнер с порошком и механизмом его дозированной подачи. Лазерно-оптическая система содержит дополнительный механизм вертикального перемещения оптической головки. Головка жестко закреплена на штоке линейного сервопривода. Шток линейного сервопривода размещен в направляющей, жестко закрепленной с помощью кронштейна на экспериментальном стенде. Управление перемещением головки лазера может происходить в как автоматическом, так и в ручном режиме.
Так же в устройстве для изготовления деталей методом послойного синтеза рабочая камера выполнена с нагревательными тэнами.
Перечень фигур на чертежах.
Полезная модель устройства поясняется чертежами, на которых:
Фиг.1 показывает устройство (экспериментальный стенд для спекания трудоемких деталей методом послойного синтеза).
Фиг.2 показывает область А фиг.1, на которой изображен механизм вертикального перемещения лазерной оптической головки в автоматическом режиме.
Фиг.3 показывает схему образования минимального (фокусного) диаметра светового пятна спекающего лазерного луча с постоянным фокусным расстоянием оптической головки.
Фиг.4 показывает схему образования большого (расфокусированного) диаметра светового пятна спекающего лазерного луча с постоянным фокусным расстоянием оптической головки.
Осуществление полезной модели.
Устройство для изготовления деталей методом послойного синтеза, в виде экспериментального стенда (фиг.1) состоит из жесткого каркаса 1, на котором размещены контейнер 2 с порошком и механизмом дозированной подачи и выглаживания слоя порошка, механизм 3 вертикального перемещения лазерной оптической головки и каретки 4 с приводами горизонтального перемещения 5. Стенд также содержит оптоволоконный иттербериевый лазер 6, шкаф управления 7, рабочую камеру 8 (с системами вакуумирования, наддува защитного газа, очистки, охлаждения камеры, контроля фактической температуры спекаемого порошка), рабочий стола 9 с возможностью его вертикального перемещения, пульта 10 управления с режимами как ручного, так и автоматического управления стенда с программным обеспечением, защитного кожуха 11.
На фиг.2 изображен механизм вертикального перемещения оптической лазерной головки, состоящий из оптической головки 12 иттербиевого волоконного лазера модели ЛС - 03-(мощностью 300 Вт). Головка жестко закреплена (с исключением возможного сдвига) на штоке линейного сервопривода 14 (с дискретностью задания перемещения - 1 мкм). Шток линейного сервопривода 14 перемещается по направляющей 13, жестко закрепленной (с исключением возможности сдвига) крепежными элементами на кронштейне 15 экспериментального стенда. Механизм вертикального перемещения оптической головки предназначен для создания различных диаметров светового пятна лазерного луча, без изменения фокусного расстояния, как в автоматическом так и в ручном режиме.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
спекающий луч с минимальным (фокусным) диаметром светового пятна предназначен для спекания из слоя порошка как линий контуров, так и сетки условного сечения трудоемких деталей. Спекающий луч с большим (расфокусированным) диаметром светового пятна предназначен для непосредственного спекания площадей и ячеек сетки и зон слоя порошка в соответствии с принятой технологией, в том числе, принятым порядком их спекания, обеспечивающим минимизацию поводок (коробление) изготавливаемой детали.
В исходном положении (Фиг.3) плоскость 16 диаметра светового пятна на линзе оптической головки находится на расстоянии 17, равным фокусному расстоянию - 350 мм от плоскости рабочего стола 18, с диаметром 19 светового пятна спекающего луча - 50 мкм.
В соответствии с программным обеспечением в очищенную рабочую камеру 8 подается дозированная порция порошка с выравниванием его слоя, который предварительно подогревается тэнами с контролем температуры спекаемого порошка.
5
Далее происходит наполнение камеры защитным газом (аргоном) с давлением Р=1,3×10 Па, включение лазера мощностью N1=100 Вт. Лазер спекает линии контуров данного сечения детали, сетки из ячеек (5×5 мм) и зон (25×25 мм) перемещением лазерного луча со скоростью V1-150 MM.
Затем лазер выключают, происходит вертикальное перемещение вверх лазерной оптической головки (с целью увеличения диаметра 20 светового пятна до 100 мкм) (фиг.4).
Лазер включают для спекания площадей каждой ячейки и зоны слоя порошка с мощностью излучения N2=290 Вт, начальной скоростью перемещения спекающего луча V2=110 мм/с. Скорость перемещения корректируют в зависимости от колебаний фактической температуры Тф зон порошка, подлежащих спеканию. После окончания спекания данного слоя шток рабочего стола 19 опускают на величину, равную толщине слоя спеченного порошка.
Так же, после окончания спекания происходят очистка камеры и вертикальное перемещение вниз оптической головки 12 (с целью установления минимального диаметра Д1=50 мкм светового пятна лазерного луча) для повторения цикла спекания нового слоя порошка.
После окончания спекания всей детали, происходит охлаждение детали, очистка и съем в позиции выдачи.
Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить производительность процессов спекания трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка, тем самым значительно сократить ресурсы устройств и временные затраты на изготовление деталей.