УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к порошковой металлургии, в частности, к устройствам для лазерной обработки порошковых материалов.
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 низкое качество получаемых изделий, в частности поры, трещины и нарушение геометрических размеров, обусловленные явлением вылета гранул порошкового материала из зоны обработки (A. Okunkova et al. Experimental approbation of selective laser melting of powders by the use of non-Gaussian power density distributions).
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является устройство, описанное в способе изготовления объемных изделий из порошковой композиции (RU 2145269, B22F 7, B22F 3/105). Согласно патенту, способ включает последовательное, послойное размещение порошковой композиции в станке, обработку каждого слоя лазерным излучением и извлечение полученного изделия из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, при этом в качестве порошковой композиции используют просеянные смеси металлических порошков, например, на основе никеля, хрома, алюминия, железа, титана, латуни, с полимерами порошками поликарбоната или полиамида, с характерными размерами частиц металла и полимера от 20 до 160 мкм, а после извлечения изделия из станка и удаления порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, изделие обрабатывают клеящим раствором, например, поливинилацетата или силикатного клея и осуществляют последующую сушку. Устройство для лазерной обработки порошковых материалов, реализующее способ и раскрытое в указанном источнике информации, включает установленные с образованием рабочего лучевого тракта источник лазерного излучения, оптическую систему, предназначенную для направления лазерного луча в зону обработки, технологическую платформу, предназначенную для размещения обрабатываемого порошкового материала в зоне действия лазерного луча, и систему управления устройством.
Недостатком данного устройства является низкое качество обработки, обусловленное отсутствием средств контроля и оценки явления вылета гранул исходного порошкового материала из зоны обработки. Недостаток спекаемого материала может привести к нарушению размера и формы единичного трека, что скажется на изделии, а также стать причиной появления пор и других дефектов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства лазерной обработки материалов с расширенными возможностями диагностики процесса во время обработки.
Технический результат заключается в повышении качества обработки за счет диагностики вылета частиц порошкового материала из зоны обработки, а также ее периферии, позволяющей осуществлять оперативное изменение параметров обработки для минимизации выбросов и, как следствие, дефектов изделия.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается, тем, что в устройство для лазерной обработки порошковых материалов, включающее установленные с образованием рабочего лучевого тракта источник лазерного излучения и оптическую систему, предназначенную для направления лазерного луча в зону обработки, технологическую платформу, предназначенную для размещения обрабатываемого порошкового материала в зоне действия лазерного луча, и систему управления устройством, введено средство контроля вибраций, установленное на технологической платформе и электрически соединенное с системой управления устройством, при этом средство контроля вибраций выполнено в виде акселерометра.
Полезная модель поясняется изображениями, на которых представлены:
На Фиг. 1 - схема заявленного устройства;
На Фиг. 2 - пример экспериментальных записей сигналов вибраций после обработки фильтрами высоких частот.
На Фиг. 3 - пример графика изменения среднего квадратичного значения амплитуды виброускорения частиц порошкового материала.
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 контроля вибраций (акселерометр)
10 - система позиционирования лазерного луча;
11 - фокусирующая линза;
12 - устройство разравнивания (ролик);
13 - рабочий лучевой тракт;
14 - обрабатываемый объект;
15 - средство контроля положения технологической платформы;
16 - средство базирования;
17 - ЭВМ (система управления устройством);
18 - график сигнала вибраций;
19 - график изменения среднего квадратичного значения.
th
Явления выброса гранул из зоны обработки возникает практически во всех случаях лазерной обработки порошковых материалов. Наиболее распространенной причиной этого явления называется эффект лазерной абляции. Он возникает при перегреве зоны обработки лазером. Так как все частицы порошка имеют преимущественно неправильную форму, то в процессе разравнивания гранулы занимают не весь объем и между ними остается пространство, занимаемое воздухом. По этой причине все порошки характеризуются насыпной плотностью. В процессе лазерного воздействия газ быстро нагревается и стремительно расширяется, выталкивая таким образом гранулы порошка (Yuri Chivel Ablation phenomena and instabilities under laser melting of powder layers // LANE 2014. 8 International Conference on Photonic Technologies LANE 2014).
Вылетающие частицы обладают массой, и, следовательно, обладают и импульсом в момент вылета. По третьему закону Ньютона, гласящему, что материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению, воздействие, возникающее в результате вылета, передается на технологическую платформу и проявляется в виде колебаний, которые можно оценивать.
Задача фиксирования этого воздействия решается путем установки акселерометра на технологическую платформу. Он представляет собой датчик, который преобразует величину силы, приложенной к телу в электрические сигналы, т.е. он является активным преобразователем, отдающим пропорциональный ускорению действующих на него механических колебаний сигнал.
В частном случае в установке предусмотрен одноосевой акселерометр, ввиду того, что выброс гранул порошка происходит преимущественно в вертикальном направлении.
В частном случае в установке установлен пьезоэлектрический акселерометр, так как он обладает рядом преимуществ:
- Широкий рабочий диапазон частот;
- Линейная характеристика в широком динамическом диапазоне;
- Выходной электрический сигнал, пропорциональный ускорению механических колебаний, можно преобразовать электронным путем в сигнал, пропорциональный виброскорости и виброперемещению;
- Высокая стойкость в отношении воздействий окружающей среды и сохранение высокой точности даже в неблагоприятных эксплуатационных условиях;
- Нет необходимости в источнике питания;
- Большое значение отношения чувствительности к собственной массе.
Активные элементы такого акселерометра, изготовленные из пьезоэлектрического материала, выполняют роль пружин, обеспечивающих механическую связь между соединенной с основанием стойкой и инерционной массой. Воздействующие на основание акселерометра механические колебания приводят к тому, что на каждый пьезоэлемент действует динамическая сила, равная произведению ускорения сейсмической (инерционной) массы на соответствующую массу. Отдельные пьезоэлементы генерируют электрический заряд, пропорциональный действующей на них динамической силе. Сейсмические массы акселерометра вообще не изменяются и, следовательно, имеющийся на электродах пьезоэлементов электрический заряд пропорционален ускорению этих масс. Поскольку амплитуда и фаза ускорения сейсмических масс в широком частотном диапазоне идентична амплитуде и фазе ускорения основания акселерометра, то отдаваемый последним общий электрический заряд пропорционален ускорению его основания и, следовательно, ускорению механических колебаний поверхности объекта, на котором акселерометр закреплен (Марк Серридж и Торбен Р. Лихт, Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предуселителям, М., 1987 г., с. 188).
Оценка вылета частиц порошкового материала из зоны обработки производится по параметру среднеквадратичного значения (СКЗ) механических колебаний сигнала. Это характеристика является важной при оценке амплитуды вибраций, так как оно в виде квадратного корня из усредненных по времени возведенных в квадрат мгновенных значений связано с энергией и, следовательно, с разрушающей способностью механических колебаний. Таким образом, формула для расчета СКЗ образующихся колебаний в устройстве выглядит следующим образом:
где Т - период измерений, A(t) - текущее значение амплитуды.
Так как процесс лазерной обработки порошковых материалов характеризуется сравнительно большим количеством вылетающих частиц, то частота этого явления составляет, по эмпирическим данным, не менее 2 кГц. В связи с этим для выделения таких высоких частот приходящий сигнал подвергается обработке фильтром высоких частот, в качестве частоты среза которого было установлено значение в 2 кГц.
1
2
На Фиг. 2 показан пример записи вибраций (график 18) при обработке очередного слоя изделия, где видно, что амплитуда колебаний резко возрастает в момент времени t=4 с и спадает после t=10 с. Это связано с тем, что непосредственно лазерная обработка началась на четвертую секунду после окончания этапа разравнивания очередного слоя порошка. Во время обработки происходил множественный выброс гранул порошка, что объясняет резкое возрастание амплитуды виброускорений, которые измерял акселерометр. Обработка продолжалась 6 секунд, после чего график колебаний вновь вернулся в первоначальное состояние. По этим данным было вычислено с помощью ЭВМ среднее квадратичное отклонение (Фиг. 3., график 19). СКЗ позволяет количественно оценить явление выброса гранул из рабочей зоны и таким образом вносить корректировки в текущие режимы обработки.
Энергию вибраций технологической платформы можно считать пропорциональной усилию вылетевших частиц. А так как в среднем все частицы обладают одинаковой массой, то общее воздействие, оказанное на технологическую платформу, является суммой одинаковых единичных импульсов. По этой причине энергия вибраций технологической платформы прямо пропорциональна количеству вылетевших гранул порошкового материала, а также пропорциональна среднему квадратичному значению.
Во всех технологиях лазерной обработки выделяют два основных параметра: мощность лазера и скорость его перемещения при обработке. Вместе они определяют энерговклад лазера в единицу обрабатываемой площади. Эта величина, как правило, определяется опытным путем. Именно сообщенная энергия определяет степень нагрева материала, результирующаяся в его расплавлении или испарении. Удельная сообщенная энергия определяется по формуле:
где Р - мощность лазера, D - диаметр луча, V - скорость перемещения.
Из формулы видно, что при постоянном диаметре лазера существует возможность варьирования параметра мощности с соответствующим изменением скорости, что позволяет всегда оставаться в рамках необходимого значения удельной энергии. Изменение параметров мощности и скорости представляется важным, так как каждый из них влияет на протекание периферических процессов, например скорость нагрева. Чем больше мощность, тем больше энергии в единицу времени приходится на материал, и тем быстрее происходит нагрев. В случае с газом, который заполняет пространство между гранулами, происходит его резкое расширение, горячие слои, будучи менее плотными, движутся вверх, приводя в движение частицы порошка. Уменьшение мощности может снизить темп нагрева, а соответствующие поправки в скорости обеспечат необходимую величину удельной энергии для стабильного протекания процесса обработки.
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. 1). на которой установлено средство контроля вибраций 9. смещают вниз относительно базовой поверхности 2 станины 1 на расстояние, соответствующее толщине функционального слоя обрабатываемого объекта 14. При этом точность перемещения технологической платформы 3 обеспечивается средством контроля положения 15. 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 12 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 систему позиционирования лазерного луча 10, образующую совместно с фокусирующей линзой 11 оптическую систему, предназначенную для направления лазерного луча в зону обработки. Эта система отклоняет лазерный луч 8, проходящий через фокусирующую f-Theta линзу 11, позволяя спекать необходимый контур обрабатываемого объекта 14. Во время обработки с базовой поверхности 2 при обработке очередного контура происходит выброс частиц исходного порошкового материала 5. Сигнал 18 вибраций от вылета частиц передается через технологическую платформу 3 и регистрируется средством контроля 9. Сигнал 18 от средства контроля 9 передается на ЭВМ 17, выполняющую функцию системы управления устройством, где после обработки фильтром высокой частоты вычисляется его эффективное (среднеквадратичное) значение 19 (Рис. 2), которое используется для управления ранее упомянутыми технологическими параметрами процесса лазерной обработки.
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.