Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов

Полезная модель относится к порошковой металлургии, в частности, к технологии послойного синтеза деталей сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка методом селективного лазерного плавления и/или спекания (СЛП) по компьютерной 3-D модели и может найти применение в различных отраслях машиностроения, например, для изготовления сверхпрочных, жаростойких деталей и узлов. Технический результат заявленной полезной модели заключается в уменьшение объема расходуемого защитного газа при изготовлении изделия методом селективного лазерного плавления без потери качества процесса. В устройстве для получения изделий из порошкообразных материалов, содержащем жесткий каркас с установленной на нем высокоточной плитой с базовой поверхностью, камеру, предназначенную для защиты обслуживающего персонала, 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, средство подачи и уплотнения порошкообразного материала в виде разравнивающего ножа, установленное с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формирования слоя изделия, а также средство обеспечения защитной атмосферы, средство обеспечения защитной атмосферы выполнено в виде колпака, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно верхней плоскости высокоточной плиты и герметичного прилегания к последней, снабженного трубками подачи и отвода защитного газа, и окном, состоящим из кварцевого стекла с нанесенным просветляющим покрытием, предназначенным для беспрепятственного доступа лазерного луча к зоне формирования изделия, кроме того, колпак снабжен датчиком кислорода. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к порошковой металлургии, в частности, к технологии послойного синтеза деталей сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка методом селективного лазерного плавления и/или спекания (СЛП) по компьютерной 3-D модели и может найти применение в различных отраслях машиностроения, например, для изготовления сверхпрочных, жаростойких деталей и узлов.

Из уровня техники известно устройство послойного получения изделий из порошкообразного материала компании Phenix System (Франция) (Патент США US 7789037, В05С 13/00, 2006 г.). Согласно патенту устройство состоит из следующих основных частей:

- станочная часть с входящими в нее механизмами и устройствами;

- лазер с системой сканирования;

- система управления.

Станочная часть устройства выполнена в виде коробчатой конструкции, обладающей высокой жесткостью для базирования всех остальных узлов. В станочную часть комплекса входят следующие основные узлы и оборудование:

- каркас;

- устройство разравнивания порошка;

- рабочая платформа;

- устройство подачи порошка;

- герметичная камера (или печь);

- газовое оборудование и охлаждение;

- электрооборудование.

Каркас, закрепленный на фундаменте, является базовым узлом. Он представляет из себя конструкцию коробчатой формы, состоящую из металлических труб квадратного сечения. На каркасе установлены все основные узлы (герметичная камера, камера ограждения и др.).

Камера ограждения состоит из панелей, закрепленных снаружи каркаса.

Устройство разравнивания порошка совершает возвратно-поступательное движение в горизонтальном направлении благодаря электроприводу. Основной составляющей устройства разравнивания порошка является ролик с V-образным вырезом. Вырез расположен вдоль оси вращения ролика. Ролик, совершая возвратно-поступательные движения, перетаскивает, разравнивает и уплотняет порошок на рабочей платформе. Материал порошков: любые керамические и металлические порошки (диаметр гранул 10-100 мкм).

Рабочая платформа закреплена снизу высокоточной плиты устройства разравнивания порошка. Рабочая платформа имеет форму колодца, внутри которого перемещается вверх или вниз рабочий стол. На рабочем столе происходит «выращивание» изделия. Стол двигается на четырех круглых направляющих при помощи прецизионной шарико-винтовой пары. Шарико-винтовая пара вращается электродвигателем. Точность позиционирования рабочего стола ±0,001 мм. Размер рабочей зоны: диаметр 250 мм, высота 300 мм, полезный объем 1,5 л.

Устройство подачи порошка закреплено снизу высокоточной плиты механизма разравнивания порошка. Устройство подачи порошка имеет форму колодца, внутри которого перемещается вверх или вниз стол подачи порошка. Стол подачи порошка двигается на четырех круглых направляющих при помощи прецизионной шарико-винтовой пары. Шарико-винтовая пара вращается электродвигателем. Точность позиционирования стола подачи порошка ±0,001 мм.

Герметичная камера (или печь) закрепляется сверху высокоточной плиты механизма разравнивания порошка. Она образует замкнутое пространство, в которое может подаваться газ (аргон, азот и др.). Пространство в герметичной камере может нагреваться до 900°C.

Газовое оборудование и охлаждение. Газовое оборудование осуществляет создание в герметичной камере необходимой атмосферы (аргоновой, азотной и др.). Система охлаждения установки осуществляет охлаждение волоконного лазера мощностью 50 или 100 Вт (в зависимости от комплектации).

Волоконный лазер подключен к сканирующей системе, которая позволяет управлять лучом лазера в двух пространственных направлениях. Скорость построения: 1-10 мм³/сек.

Недостатком данного устройства является большой объем герметичной камеры, который приводит к большому расходу защитного газа (аргон, азот или др.) порядка 11,2 м³/час, что в конечном итоге резко повышает себестоимость изготавливаемого изделия.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является установка для изготовления деталей методом послойного синтеза (патент РФ на изобретение 2487779, B22F 3/105, В23К 26/00, 2012 г.). Согласно патенту установка для изготовления деталей методом послойного синтеза содержит: герметичную камеру, рабочий стол, стол для спекания, механизм подачи порошка на рабочий стол, устройство для сбора избыточного порошка и устройство для выравнивания слоев порошков, включающее каретку с ножом, перемещаемую над поверхностью рабочего стола с помощью привода, отличающаяся тем, что каретка выполнена в виде корпусной детали прямоугольной формы и снабжена установленными на ее торцах Г-образными кронштейнами, размещенными в двух параллельных пазах, выполненных в рабочем столе по бокам его рабочей зоны, и корпусом разравнивающего ножа, установленным на ее передней кромке, при этом на концах Г-образных кронштейнов расположены ползуны, установленные на направляющих, закрепленных на нижней поверхности рабочего стола, а рабочий стол снабжен устройствами защиты пазов.

Также установка отличается тем, что устройства защиты пазов выполнены в виде бесконечных лент, установленных на вращающихся барабанах, закрепленных на нижней поверхности рабочего стола, пропущенных над прорезями и закрепленных на торцах каретки, при этом вращающиеся барабаны снабжены устройствами их перемещения для регулировки натяжения лент.

Недостатком данного устройства является большой объем герметичной камеры, который приводит к большому расходу защитного газа (аргон, азот или др.) порядка 11,2 м³/час, что в конечном итоге резко повышает себестоимость изготавливаемого изделия.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является снижение себестоимости изделия, изготовленного методом селективного лазерного плавления, за счет снижения расхода защитного газа.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в уменьшение объема расходуемого защитного газа при изготовлении изделия методом селективного лазерного плавления без потери качества процесса.

Заявленный технический результат, получаемый при решении поставленной технической задачи, достигается за счет того, что устройство для получения изделий из порошкообразных материалов, содержащее установленную на жестком каркасе плиту с базовой поверхностью, на которой установлена защитная камера, установленные на нижней плоскости плиты с возможностью независимого возвратно-поступательного перемещения относительно верхней плоскости плиты рабочий бункер, оснащенный поршнем с нагревательным элементом и закрепленной сверху подложкой для послойного формироваания изделия, и бункер подачи порошкообразного материала с разравнивающим ножом, выполненным с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формирования слоя изделия, установленный на нижней плоскости бункер сбора излишков порошкообразного материала, и лазерный узел, расположенный с возможностью обеспечения фокусировки лазерного луча в зону формирования изделия, снабжено защитным колпаком, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно верхней плоскости и герметичного прилегания к ней, оборудованным трубками подачи и отвода защитного газа, и выполненным с окном из кварцевого стекла с просветляющим покрытием для обеспечения доступа лазерного луча к зоне формирования изделия, при этом колпак снабжен датчиком кислорода.

Сущность заявленного технического решения заключается в следующем.

При селективном лазерном плавлении происходит полное и/или частичное расплавление частиц порошка лазерным лучом. Данный метод подразумевает большую номенклатуру используемых порошковых материалов, большинство из которых на воздухе активно окисляются, что впоследствии приводит к образованию нежелательных микроструктур с неблагоприятным фазовым составом, а также с большим количеством пор и дефектов, определяющих низкие физико-механические свойства изделия. Для защиты слоя порошка, обрабатываемого лазерным излучением, от окисления в устройствах, осуществляющих селективное лазерное плавление, используют неподвижные

герметичные камеры, которые заполняются защитным газом. Весь набор исполнительных органов устройства, как правило, располагается внутри герметичной камеры, поэтому зачастую герметичные камеры имеют большой объем, что определяет большой расход защитного газа.

До 30% себестоимости изготовления изделия методом селективного лазерного плавления, может зависеть от затрат связанных с использованием защитного газа. Применение компактного перемещаемого герметичного колпака, благодаря которому для каждого обрабатываемого лазерным лучом слоя порошка будет создаваться защитная атмосфера, может в разы сократить объемы расходуемого защитного газа.

Полезная модель поясняется графическими материалами, где схематично изображены на:

фиг. 1 - устройство для получения изделий из порошкообразных материалов (осевой разрез);

фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;

фиг. 3 - обработка слоя порошка лазерным лучом с применением герметичного колпака.

Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов состоит из следующих основных деталей, узлов и оборудования:

- каркас 1;

- высокоточная плита 2;

- камера 3;

- рабочий бункер 4;

- поршень 5;

- подложка 6;

- бункер сбора излишков порошка 7;

- разравнивающий нож 8;

- бункер подачи порошка 9;

- лазерный узел 10;

- колпак 11.

Каркас 1 (фиг. 1) изготавливается в виде сварной или сборной жесткой конструкции коробчатой формы из металлических труб квадратного сечения.

Каркас является базовым узлом для закрепления основных деталей, узлов и оборудования установки.

Высокоточная плита 2 (фиг. 1, фиг. 2) устанавливается на каркасе 1 и содержит сквозное отверстие 12 необходимое для перемещения в нем подложки 6 вместе с поршнем 5. Также в высокоточной плите 2 предусмотрено отверстие 13 для ссыпания через него излишков порошка в бункер сбора излишков порошка 7 и отверстие 14 для подачи порций порошка бункером подачи порошка 9.

Камера 3 устанавливается на высокоточную плиту 2. Камера 3 является сборной конструкцией, состоящей из пяти стенок, плотно прилегающих друг к другу. Спереди камера закрывается двумя дверьми со стеклянными защитными окнами. Камера 3 необходима для защиты персонала, обслуживающего устройство для получения изделий из порошкообразного материала, от частиц порошка, которые при работе устройства превращаются во взвесь, для защиты от лазерного излучения и перемещающихся узлов устройства. Внутри камеры 3 возможно осуществление подогрева рабочего пространства до необходимой температуры с целью снижения теплового градиента при формировании изделия. Подогрев рабочего пространства, осуществляется при помощи нагревательного элемента 15 встроенного в поршень 5.

Рабочий бункер 4 установлен на нижней плоскости 16 высокоточной плиты 2 и имеет форму «колодца» квадратного сечения, внутри которого поршень 5 может осуществлять вертикальное возвратно-поступательное перемещение благодаря электроприводу (на фигурах не показан). На поршне 5 установлена подложка 6, на которой происходит формирование изделия. После того как изделие изготовлено оно извлекается из устройства вместе с подложкой 6.

Бункер сбора излишков порошка 7 установлен на нижней плоскости 16 высокоточной плиты 2 и предназначены для сбора излишков порошка.

Разравнивающий нож 8 установлен консольно на задней стенке камеры 3 и имеет возможность горизонтального возвратно-поступательного перемещения параллельно верхней плоскости 17 высокоточной плиты 2 благодаря направляющей рельсового типа 18 и электроприводу (на фигурах не показан).

Бункер подачи порошка 9 предназначен для подпитки рабочего бункера 4 новыми не подвергнутыми лазерной обработке порциями порошка, которые при

совместной работе с разравнивающим ножом 8 расстилаются тонким слоем по поверхности подложки 6 (в случае нанесения первого слоя порошка), либо по поверхности обработанного перед этим предыдущего слоя порошка.

Лазерный узел 10 установлен на верхней стенке камеры 3 и необходим для обеспечения фокусировки лазерного луча 19 в технологически заданную зону селективной обработки каждого нанесенного слоя порошка при формировании изделия.

Герметичный колпак 11 имеет форму параллелепипеда и установлен консольно на задней стенке камеры 3, и имеет возможность горизонтального возвратно-поступательного перемещения параллельно верхней плоскости 17 высокоточной плиты 2 благодаря направляющей рельсового типа 18 и электроприводу (на фигурах не показан). В момент, когда колпак находится над слоем порошка, который подвергается лазерной обработке (на фиг. 1 и фиг. 2 показано пунктиром, фиг. 3), боковые стенки колпака 11 плотно прилегают к верхней плоскости 17 высокоточной плиты 2. К герметичному колпаку 11 подведены трубка 20 и трубка 21 для равномерной подачи защитного газа, а через трубку 22 и трубку 23 происходит равномерный и постоянный отсос защитного газа вместе с неблагоприятными продуктами процесса, выделяющимися при лазерной обработке слоя порошка. Верхняя крышка 24 (фиг. 3) герметичного колпака 11 состоит из кварцевого стекла с нанесенным просветляющим покрытием (например, можно использовать ультрафиолетовое кварцевое стекло марки КУ-1, которое получают высокотемпературным гидролизом четыреххлористого кремния SiCl₄ в кислород-водородном пламени, с нанесенным на него V-образным просветляющим покрытием на длину волны 1064 нм производства фирмы «Тидекс» [http://tydexoptics.com/ru/products/passive_optics/yag_lasers/]), поэтому лазерный луч 19 проходит сквозь нее с минимальными потерями энергии (1-5%). Для контроля защитной атмосферы во внутреннем пространстве защитного колпака 11 установлен датчик кислорода 25, позволяющий обеспечить концентрацию кислорода в зоне формирования изделия не выше 4%.

Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов работает следующим образом.

В системе автоматического проектирования (САПР) создают трехмерную компьютерную 3D-модель изделия и разбивают ее на поперечные сечения, которые служат основой для послойного изготовления изделия.

При технологической необходимости в камере 3 рабочее пространство нагревается до необходимой температуры, как правило 70-100°C, нагревательным элементом 15 (фиг. 1).

Поршень 5 в рабочем бункере 4 опускается вниз вместе с подложкой 6 на величину необходимого слоя порошка, который будет подвергнут лазерной обработке.

Бункер подачи порошка 9 поднимает порцию порошка с необходимым запасом над верхней плоскостью 17 высокоточной плиты 2 (фиг. 1, фиг. 2).

Разравнивающий нож 8 находящийся в крайнем правом положении перемещается влево (фиг. 1 и фиг. 2 показано пунктиром). По ходу движения нож сгребает порцию порошка над бункером подачи порошка и, проходя над рабочей платформой, наносит равномерный слой порошка на подложку 6. Остатки лишнего порошка разравнивающий нож 8 сбрасывает в бункер сбора излишков порошка 7.

Разравнивающий нож 8 возвращается в крайнее правое положение.

Герметичный колпак 11 из крайнего левого положения устанавливается над рабочим бункером 4 (фиг. 1 и фиг. 2 показано пунктиром) так, что боковые стенки колпака герметично прилегают к верхней плоскости 17 высокоточной плиты 2. Через трубку 20 и трубку 21 пространство внутри колпака 11 заполняется защитным газом. Далее включается отсос защитного газа через трубку 22 и трубку 23, тем самым достигается постоянная циркуляция защитного газа во внутреннем пространстве колпака 11.

Контроль защитной атмосферы во внутреннем пространстве колпака 11 в момент обработки слоя лазерным лучом 19 осуществляется датчиком кислорода 25 (фиг. 3).

Лазерный луч 19, генерируемый и управляемый лазерным узлом 10, по программе селективно переплавляет нанесенный слой порошка.

Через несколько секунд (10-30 с) после того, как нанесенный слой порошка обработан лазерным излучением, циркуляция газа во внутреннем пространстве

герметичного колпака 11 прекращается. Герметичный колпак 11 возвращается в крайнее левое положение.

Далее на подложку 6 наносится новый слой порошка и процесс повторяется до полного изготовления изделия. При этом всю последовательность технологических процессов осуществляют в автоматическом режиме в технологически регламентированных условиях посредством специальных программно-аппаратных средств.

Работа заявленного устройства поясняется на конкретном примере получения изделия методом СЛП из порошка системы CoCrMo.

Заявленное устройство использовали при изготовлении изделия в форме параллелепипеда размером 15×15×10 мм из порошкообразного материала на основе жаропрочного кобальтового сплава марки CoCrMo (российская маркировка сплава КХС-«Д»). Толщина наносимых функциональных слоев составляла 50 мкм. Каждый слой порошкового материала обрабатывали лазерным лучом, сфокусированным в базовой поверхности 17 подложки 6. Лазерный луч генерировался иттербиевым оптоволоконным лазером и имел длину волны 1,061,07 мкм. Скорость перемещения лазерного луча составляла 400 мм/с, диаметр пятна лазерного луча - 150 мкм, мощность лазерного источника - 200 Вт, режим работы лазерного источника - непрерывный, расстояние между соседними проходами лазерного луча - 100 мкм. Стратегия сканирования лазерным лучом «Двузонная».

Обработка каждого нанесенного слоя порошка проводилась в атмосфере защитного газа азота. Защитная атмосфера создавалась при помощи герметичного колпака 11 и контролировалась высокоточным датчиком кислорода OOI-103 с электрическим интерфейсом OxiQuant S. Концентрация кислорода за все время изготовления не превышала 4%.

При изготовлении заявленным способом параллелепипеда размером 15×15×10 мм объем расходуемого газа уменьшился в 2 раза в сравнении с изготовлением данного параллелепипеда на устройствах, приведенных как аналоги полезной модели (патент США US 7789037, В05С 13/00, 2006 г.; патент РФ на изобретение 2487779, B22F 3/105, В23К 26/00, 2012 г.).

Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет обеспечить снижении себестоимости изделия, изготовленного методом селективного лазерного плавления, за счет снижения расхода защитного газа без потери качества процесса.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы 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 получения изделий из порошкообразных материалов сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка методом селективного лазерного плавления и/или спекания по компьютерной 3-D модели и может найти применение в различных отраслях машиностроения, например, для изготовления сверхпрочных, жаростойких деталей и узлов.

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке 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 условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

1. Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов, содержащее установленную на жестком каркасе плиту с базовой поверхностью, на которой установлена защитная камера, установленные на нижней плоскости плиты с возможностью независимого возвратно-поступательного перемещения относительно верхней плоскости плиты рабочий бункер, оснащенный поршнем с нагревательным элементом и закрепленной сверху подложкой для послойного формирования изделия, и бункер подачи порошкообразного материала с разравнивающим ножом, выполненным с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формирования слоя изделия, установленный на нижней плоскости плиты бункер сбора излишков порошкообразного материала и лазерный узел, расположенный с возможностью обеспечения фокусировки лазерного луча в зону формирования изделия, отличающееся тем, что оно снабжено защитным колпаком, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно верхней плоскости плиты и герметичного прилегания к ней, оборудованным трубками подачи и отвода защитного газа и выполненным с окном из кварцевого стекла с просветляющим покрытием для обеспечения доступа лазерного луча к зоне формирования изделия.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что колпак снабжен датчиком кислорода.

РИСУНКИ