Устройство автоматического переключения газопорошкового потока для обеспечения непрерывной подачи металлического порошка при прямом лазерном выращивании с использованием дисковых порошковых питателей

Полезная модель относится к области изготовления точных заготовок методом прямого лазерного выращивания и может быть использована в судостроении, авиакосмической промышленности, двигателестроении, автомобильной промышленности и в других отраслях машиностроения.
Известно устройство для подачи порошка по патенту № CN202070444, опубл. 14.12.2011 по классам МПК B05B12/00, B05C19/06, состоящее из порошкового питателя и датчика определения массы расходуемого порошка. Данное устройство позволяет контролировать расход металлического порошка и определять количество оставшегося в колбе металлического порошка с высокой точностью, но не предназначено для обеспечения непрерывной работы порошкового питателя, в том числе в процессе длительного выращивания.
Известно устройство синхронной подачи порошка для установки лазерного плакирования (патент № CN103014696A «Synchronous powder feeding device for laser cladding machining», опубл. 03.04.2013 по классу МПК C23C24/10), состоящее из двух колб, в которых располагается металлический порошок, и соединяющего их клапана. Данное устройство позволяет регулировать расход порошка, подаваемого из каждой колбы, с целью обеспечения требуемого химического состава подаваемой газопорошковой смеси. Недостатком устройства является отсутствие возможности обеспечения непрерывной автоматической работы в процессе длительного процесса выращивания.
Наиболее близким аналогом является высокоскоростной порошковый переключатель «High-Speed Powder Switch – System Technology for Laser Material Deposition», разработанный Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT (https://www.ilt.fraunhofer.de/en.html). Порошковый переключатель предназначен для отключения подачи газопорошкового потока в процессе лазерного выращивания, а также обладает возможностью автоматического переключения газопорошкового потока для обеспечения его непрерывной подачи в процессе длительного выращивания. Устройство состоит из корпуса, поворотного пневмоцилиндра с выходным валом, соединяющей муфты, инжектора с выходными отверстиями, коллектора с порошковыми приёмниками и выходными отверстиями, входных трубок и выходных трубок. Газопорошковый поток подаётся в правую входную трубку переключателя, далее по входной трубке подаётся в выходное отверстие инжектора, порошковый приёмник и выходное отверстие коллектора на центральную выходную трубку, далее по транспортным трубкам в наплавочное сопло, через которое подаётся в зону воздействия лазерного источника. В процессе лазерного выращивания возможно выключение газопорошкового потока в случае необходимости. Также устройство можно использовать для обеспечения непрерывной подачи газопорошкового потока в процессе выращивания при использовании устройства совместно с системой определения массы металлического порошка в колбе порошкового питателя и автоматизации процессе переключения.
Основными недостатками данного переключателя являются:
- наличие стенок между порошковыми приёмниками отверстий коллектора, являющимися препятствием газопорошковому потоку в момент переключения инжектора, что негативно влияет на равномерность подачи газопорошкового потока в зону выращивания и геометрию выращиваемого изделия;
- устройство не имеет гравитационного датчика, фиксирующего массу подающего порошка в процессе его подачи;
- отсутствие системы, сигнализирующей об отсутствии металлического порошка в колбе порошкового питателя или иных причинах изменения порошкового потока;
- устройство не автоматизировано.
Техническая проблема заявляемого устройства заключается в создании конструкции устройства автоматического переключения газопорошкового потока, обеспечивающего непрерывную подачу металлического порошка при прямом лазерном выращивании.
Технический результат достигается за счет конструкции устройства автоматического переключения газопорошкового потока для обеспечения непрерывной подачи металлического порошка при прямом лазерном выращивании, содержащего пневмопривод, жёстко соединенный с коллектором, пневмоцилиндр, внутри которого расположен поршень со штоком, основание, выполненное в виде профиля, к которому жёстко присоединена каретка с инжектором, на верхней грани которого установлены два входных пневматических фитинга, соединенных с питателем с помощью гибких шлангов, при этом коллектор выполнен с внутренней вставкой, изготовленной из фторсодержащего полимера, внутри которой расположены уловители порошка, выполненные в виде усеченного конуса, большее основание которого расположено со стороны входных пневматических фитингов, а меньшее основание соединено с отверстиями, в которые вставлены сбрасывающие пневматические фитинги, между которыми расположен транспортирующий пневматический фитинг, причем пневмопривод снабжен датчиками положения инжектора, соединенными с контроллером, а на верхней грани пневмопривода выполнено два отверстия.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
- на Фиг. 1 изображен внешний вид устройства;
- на Фиг. 2 изображен пневмоцилиндр в сборе с ограничителями движения каретки;
- на Фиг. 3 изображен пневмоцилиндр в разрезе;
- на Фиг. 4 изображен внешний вид каретки в сборе;
- на Фиг. 5 изображен функциональный блок в сборе (вид со стороны пневмопривода);
- на Фиг. 6 представлена блок-схема работы устройства.
Устройство автоматического переключения газопорошкового потока для обеспечения непрерывной подачи металлического порошка при прямом лазерном выращивании с использованием дисковых порошковых питателей содержит пневмопривод 1, жёстко соединенный с коллектором 14, пневмоцилиндр 2, внутри которого расположен поршень 9 со штоком 8, основание 6, выполненное в виде профиля. К основанию 6 жёстко присоединена каретка 4 с инжектором 11. В отверстие каретки 4 установлен упор 10. Инжектор 11 крепится винтами 12 к отверстиям 13 каретки 4. На верхней грани инжектора 11 установлены два входных пневматических фитинга 17, соединенные с питателем с помощью гибких шлангов (на чертеже не показано).  Коллектор 14 выполнен с внутренней вставкой 15, изготовленной из фторсодержащего полимера, внутри которой расположены уловители порошка 19, выполненные в виде усеченного конуса, большее основание которого расположено со стороны входных пневматических фитингов 17, а меньшее основание соединено со стороны отверстий 18, в которые вставлены сбрасывающие пневматические фитинги 20, между которыми расположен транспортирующий пневматический фитинг 21.  Пневмопривод 1 снабжен двумя индукционными датчиками 22 положения каретки с инжектором, соединенными с контроллером (на чертеже не показано) с помощью проводов 23, а на верхней грани пневмопривода 1 выполнено два отверстия 24 для подачи сжатого воздуха в полости пневмоцилиндра 2, обеспечивающего перемещение поршня 9 совместно со штоком 8, основанием 6 и кареткой 11 относительно коллектора 14.  Один из индукционных датчиков 22 регистрирует положение каретки в крайнем левом, а второй в крайнем правом и передает сигнал о положении каретки 4 с инжектором 11 в контроллер.
Принцип работы заявляемого устройства.
Два эжектора дискового порошкового питателя подключаются с помощью шлангов к входным пневматическим фитингам 17 инжектора 11. При этом в процессе прямого лазерного выращивания газопорошковый поток подаётся в наплавочное сопло и зону обработки через левый входной пневматический фитинг 17 и центральный транспортирующий пневматический фитинг 21 коллектора 14. Каретка 4 пневмопривода 1 находится в положении, показанном на фиг. 1 и определяемом индукционными датчиками положения 22, при этом упор 10 каретки 4 соприкасается с правым ограничителем движения 3 пневмоцилиндра 2. Управление пневмоприводом 1 может осуществляться пневмораспределителем с электроуправлением 5/2. В момент, когда в колбе порошкового питателя, заканчивается металлический порошок, срабатывает гравитационный датчик, расположенный в порошковом питателе (на чертеже не показано), подающий сигнал в контроллер (в составе комплекса установки прямого лазерного выращивания), в котором данный сигнал обрабатывается. Далее от контроллера подаётся сигнал в порошковый питатель для включения второго диска с целью подачи газопорошкового потока из второй колбы. Газопорошковый поток, подаваемый из второй колбы, попадает в правый входной пневматический фитинг 17 и удаляется через правый сбрасываемый пневматический фитинг 20 в резервуар для сбора и хранения порошка. Через время, необходимое для преодоления газопорошковым потоком расстояния от диска порошкового питателя до правого входного пневматического фитинга 17, пневмораспределитель с электроуправлением 5/2 подаёт сжатый воздух под давлением через правое отверстие 24 в полость пневмоцилиндра 2 и перемещает поршень 9 с основанием 6, кареткой 4 с инжектором 11 в крайнее левое положение (фиг. 1) до соприкосновения с упором 10 каретки 4 с левым ограничителем движения 3 пневмоцилиндра 2. В данном положении каретки 4 правый входной пневматический фитинг 17 инжектора 11 занимает центральное положение и устанавливается напротив транспортирующего пневматического фитинга 21 коллектора 14. Левый входной пневматический фитинг 17 инжектора 11 занимает крайнее левое положение напротив левого сбрасывающего пневматического фитинга 20 коллектора 14. Далее левый индукционный датчик положения 22 определяет положение каретки 4 с инжектором 11 и подаёт сигнал в контроллер для выключения подачи порошка из первой колбы, после чего срабатывают световой и звуковой сигналы, напоминающие оператору об окончании порошка в данной колбе. В случае завершения программы выращивания изделия контроллер подаёт сигнал отключения порошкового питателя и лазерного излучения. В случае недостаточного расхода порошка из диска порошкового питателя гравитационный датчик подаёт сигнал в контроллер, после чего от контроллера подаются сигналы на срабатывание светового и звукового сигналов, указывающие оператору на недостаточный газопорошковый поток и отключение лазерного источника.
Преимущества заявляемого устройства по сравнению с прототипом:
- в процессе перемещения коллектора 14 относительно инжектора 11 расход порошка не изменяется благодаря трапециевидному сечению уловителя порошка 19, обеспечивающей высокое качество формирования выращиваемого изделия на протяжении всего цикла его изготовления;
- гравитационные датчики, установленные в порошковом питателе, фиксируют расход порошка с высокой точностью, обеспечивают контроль расхода порошка для образования слоёв требуемой геометрии согласно 3D модели, позволяют рассчитать время до окончания порошка в колбах и передать статистические данные расхода порошка в процессе выращивания в ПК для дальнейшего анализа оператором;
- индукционные датчики положения 22 обеспечивают точное определение местоположения каретки 4 с инжектором 11 и передачу сигнала в контроллер для своевременной подачи сжатого воздуха пневмораспределителем с электроуправлением 5/2 в требуемое отверстие 24 пневмоцилиндра 2;
- в устройстве предусмотрено оповещение световым и звуковым сигналами, напоминающими оператору об отсутствии порошка в одной из колб и о необходимости её заполнения, или о недостаточном расходе газопорошковой струи в случае загрязнения диска порошкового питателя или иных компонентов системы.