Устройство выравнивания слоев порошков для спекания деталей технологией послойного синтеза

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, производству изделий из металлических, керамических порошков с проведением процесса их спекания, а именно к устройствам для изготовления сложных деталей из мелкодисперсного порошка с применением технологии лазерного послойного синтеза. Устройство может найти применение в различных отраслях машино - и авиастроения.

Задачей настоящей полезной модели, является создание такого устройства выравнивания слоев порошка, которое позволило бы повысить качество спекания детали за счет достижения для каждого слоя порошка оптимальной плотности, обеспечивающей достаточную поверхностную активность микрочастиц при спекании.

Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство выравнивания слоев порошков для спекания деталей технологией послойного синтеза содержит механизм выравнивания, выполненный в виде цилиндра закрепленного в режиме свободного качения, на каретке, приводимой в движение приводом. Так же устройство выравнивания выполнено с механизмом хранения и подачи порошка на рабочий стол. Механизм выравнивания снабжен ножом, закрепленным на каретке, выполненным с регулируемой высотой установки относительно плоскости рабочего стола. Нож снабжен механизмом регулирования, выполненным в виде дифференциального винта с шаговым сервоприводом.

Механизм хранения и подачи порошка выполнен в виде стакана, для размещения порции порошка для одного слоя, соединенного с бункером через механизм дозированной подачи порошка шиберного типа. Кроме того, рабочий стол снабжен бункером сбора избыточного количества порошка.

Такое решение задачи позволяет получить устройство, которое позволяет повысить качество спекания детали за счет достижения для каждого слоя порошка оптимальной плотности, тем самым снизить энергозатраты на производство и повысить качество спекаемых деталей.

Формула полезной модели из 1 пункта, чертежи-2 фигуры.

Область техники

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, производству изделий из металлических, керамических порошков с проведением процесса их спекания, а именно к устройствам для изготовления сложных деталей из мелкодисперсного порошка с применением технологии лазерного послойного синтеза. Устройство может найти применение в различных отраслях машино - и авиастроения.

Уровень техники

Известен способ изготовления объемных изделий из биметаллических порошковых композиций (патент РФ 2217266 С2 класс B22F 3/105, D22F 7/100, 11.08.2000 г.) включающий операцию формирования ровного слоя порошка с использованием устройства типа цилиндр для выравнивания слоя порошка и последующего его послойного лазерного спекания.

Известны установки Pnenix, например машина Pnenix-250 (по источнику wwwl.pomori.ru, 2009 год), состоящие, из лазерно-оптической системы, рабочей камеры. Рабочая камера выполнена с вертикально подвижным рабочим столом, оборудованным механизмом дозированной подачи порошка и механизмом выравнивания, выполненным в виде цилиндра. Так же рабочая камера снабжена системами вакуумирования, очистки и защиты газовой среды, а также системами контроля температуры спекаемого слоя, охлаждения детали, системой управления и программным обеспечением.

Известны устройства для выравнивания слоев порошка, выполненные в виде ножей, например в машине Conzept M2 (Германия) (источник информации http://www.mcp.by/equipment?id=49, 2009 год). Ножи установлены с постоянными зазорами относительно плоскости стола камеры спекания.

Наиболее близким по техническому решению является устройство по патенту РФ 2021881 С1, класс В22F 3/22 20.01.1994 года "Способ изготовления детали и устройство для его осуществления". Согласно патенту устройство снабжено лазером, системой управления лазерным лучом, бункером с механизмом дозированной подачи порошка на рабочий стол, а так же механизмом разравнивания, выполненным в виде цилиндра с накаткой по наружной поверхности, установленным с возможностью плоскопараллельного движения и с образованием зазора постоянной толщины между цилиндром и поверхностью рабочего стола.

Недостатки всех выше упомянутых устройств в том, что выравнивание слоя порошка с использованием ножей или цилиндров происходит с постоянными зазорами между ними - с одной стороны, и рабочими плоскостями столов камер - с другой, при этом порошок имеет насыпную плотность и не исключено наличие пор в слое порошка, что ведет к снижению качества изделия.

Сущность полезной модели

Задачей настоящей полезной модели, является создание такого устройства выравнивания слоев порошка, которое позволило бы повысить качество спекания детали за счет достижения для каждого слоя порошка оптимальной плотности, обеспечивающей достаточную поверхностную активность микрочастиц при спекании.

Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство выравнивания слоев порошков для спекания деталей технологией послойного синтеза, содержащее механизм выравнивания, выполненный в виде цилиндра шарнирно закрепленного на каретке, приводимой в движение приводом, а так же механизм хранения и подачи порошка на рабочий стол. Ножом выполнен с регулируемой высотой установки относительно плоскости рабочего стола и закреплен на подвижной каретке, при этом нож снабжен механизмом регулирования выполненным в виде дифференциального винта с шаговым сервоприводом. Механизм хранения и подачи порошка выполнен в виде стакана, для размещения порции порошка одного слоя, соединенного с бункером через механизм дозированной подачи порошка шиберного типа.

Кроме того рабочий стол снабжен бункером сбора избыточного количества порошка.

Такое выполнение устройства позволяет повысить качество спекания детали за счет достижения для каждого слоя порошка оптимальной плотности, снизить энергозатраты на производство и повысить качество спекаемых деталей.

Перечень фигур на чертежах.

Устройство поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1 показывает механизм устройства выравнивания и уплотнения слоя порошка;

Фиг.2 показывает узел А фиг.2, на котором изображена схема дифференциального винта.

Осуществление полезной модели.

Стенд для изготовления деталей технологией послойного синтеза состоит из каркаса, на котором жестко закреплен контейнер, выполненный из стального листового материала, с размещенным в нем порошком, механизм дозированной подачи порошка шиберного типа, механизм выравнивания и уплотнения слоя порошка. Кроме того, устройство снабжено механизмом вертикального перемещения лазерной оптической головки, состоящим из оптической головки лазера жестко закрепленной (с исключением возможного сдвига) на штоке линейного сервопривода, шток линейного сервопривода перемещается по направляющей, жестко закрепленным (с исключением возможности сдвига) крепежными элементами на кронштейне экспериментального стенда. Устройство снабжено кареткой, оптоволоконным иттербериевым лазером, шкафом управления, рабочей камерой (с системами вакуумирования, наддува защитного газа, очистки, охлаждения камеры, контроля фактической температуры спекаемого порошка). Так же устройство снабжено рабочим столом выполненным с возможностью его вертикального перемещения при помощи высокоточного шагового винтового привода с ЧПУ, пультом управления с режимами ручного и автоматического управления, стенда с программным обеспечением, защитным кожухом. Защитный кожух выполнен из металлического листа с минимальной отражающей способностью. Стенд оснащен бункером сбора избыточного количества порошка расположенным в плите стенда и выполненным в виде отверстия глубиной не менее 200 мм, снабженного приемным устройством с возможностью его извлечения из бункера.

На фиг.1. изображен механизм выравнивания и уплотнения слоя порошка, выполненный с кареткой 2, стаканом 4, уплотняющим валиком 5, предназначенным для уплотнения слоя порошка, ножом 9. Каретка выполнена в виде жесткого кронштейна с двумя позиционными электроприводами 6 горизонтально перемещающими ее по направляющим 10, выполненным в виде параллельных пластин жесткосоединенных с каркасом экспериментального стенда 1. Каретка 2 жестко закреплена на плите экспериментального стенда 1. На каретке 2 жестко закреплены уплотняющий валик 5 и корпус 7 вертикально расположенного дифференциального винта 8 с шаговым сервоприводом 11 и выравнивающим порошок ножом 9.

Стакан 4 выполнен в виде трубы с входным и выходным отверстиями из стального листового материала и жестко закреплен на подвижной каретке 2. В стакане 4 размещена порция порошка 13.

Уплотняющий валик 5 выполнен в виде стального массивного (литого) цилиндра шарнирно закрепленного на каретке 2. Цилиндр уплотняющего валика 5 может работать в режиме свободного качения

Нож 9 жестко закреплен на дифференциальном винте 8, выполненным с корпусом 7. Корпус 7 вертикального винта 8 жестко закреплен на каретке 2, с шаговым сервоприводом 11, обеспечивающим вертикальное перемещение ножа с высокой точностью.

Работа устройства выравнивания слоев порошка происходит следующим образом.

В стакан 4 из бункера при помощи шиберного механизма дозированной подачи насыпают порцию порошка объемом достаточным для одного слоя. После чего рабочий стол 3 опускают на высоту равную высоте одного слоя порошка.

Следующим этапом осуществляют выравнивание насыпанного слоя порошка. Предварительно определяют необходимую толщину слоя насыпанного порошка. Высота выровненного слоя порошка зависит от выставленной высоты ножа 9 относительно плоскости рабочего стола 3. При этом расчетная толщина слоя порошка определяется по формуле с условием обеспечения относительного повышения заданной насыпной плотности.

После чего нож 9 выставляют относительно плоскости рабочего стола, с учетом рассчитанного относительного повышения насыпной плотности. При этом зазор уплотняющего валика до рабочей плоскости стола меньше аналогичного зазора ножа 9, что обеспечивает повышение насыпной плотности порошка при горизонтальном передвижение каретки 2.

Точность установки ножа 9 обеспечивается работой дифференциального винта 8 (Фиг.2):

Ротор шагового сервопривода 11 дифференциального винта жестко соединен с ножом 9 при помощи винта 15, на котором выполнены внешняя и внутренняя резьбы одного направления, причем шаг внешней резьбы K₂ отличается от шага внутренней резьбы K₁ на малую величину (100-250 мкм). При повороте винта 15 внутренний винт 16 поступательно перемещается по вертикали на расстояние, зависящее как от разницы шага K₁ внутренней резьбы и шага К ₂ наружной резьбы винта 15, так и от величины угла G поворота ротора с дискретностью g. При этом шпонка 17 (в беззазорном исполнении) препятствует вращению винта 16.

Расчетное перемещение L ножа 9 и его расчетная высота S₁ определяются по формулам:

где:

S₁ - Расчетная высота установки ножа, [мкм].

L - Расчетное перемещение ножа, [мкм].

G - Угол поворота ротора сервопривода, [град],

g - угол поворота ротора (дискретная величина), [град],

К₁ - Шаг внутренней резьбы винта 15, [мкм].

К₂ - Шаг наружной резьбы винта 15, [мкм].

Выравнивание насыпанного слоя порошка осуществляют перемещением со скоростью 70 мм/с, из крайнего правого положения влево, подвижной каретки 2 (фиг.3). При этом жесткозакрепленный на каретке и нож 9 разгребает и выравнивает порцию порошка с установленной толщиной слоя порошка. Точность вертикального перемещения ножа обеспечивается работой дифференциального винта. Толщину насыпанного слоя порошка на рабочей плоскости стола 3, уплотняют на величину h₂, при этом увеличивая насыпную плотность порошка. Уплотнение выполняют горизонтальным перемещением каретки 2 влево и закрепленным на ней, в режиме свободного качения, валиком 5. Причем зазор валика до рабочей плоскости стола устанавливают меньшим зазора ножа 9 до рабочей плоскости стола на величину h₂ (фиг.3).

После процесса уплотнения осуществляют удаление избыточного количества порошка следующим образом: каретку 2 останавливают, нож 9 опускают относительно плоскости рабочего стола с гарантированным зазором между ним и плоскостью рабочего стола не менее 10 мкм. После чего каретку перемещают в крайнее левое положение к бункеру 12 сбора избыточного порошка 13, при этом нож сгребает весь объем избыточного порошка в бункер 12. Далее нож 9 поднимают до высоты h₂+h₁ и каретку 2 переводят в крайнее правое положение.

Следующим этапом в рабочую камеру подают защитный газ (азот или аргон) Р=1,3×105 мПа.

Подготовленный уплотненный слой порошка подвергают спеканию лучом лазера в соответствии с программным обеспечением режимов спекания.

При формировании следующих слоев, цикл операций повторяют до изготовления всей детали. После чего готовую деталь подвергают охлаждению, очистки и удалению из рабочей камеры стенда.

Был проведен эксперимент по подтверждению повышения качества спекания порошка предлагаемым способом (по фактору порообразования).

Результаты эксперимента: Отсутствие порообразовании спеченного слоя порошка с увеличенной насыпной плотностью при пониженной мощности лазерного излучения свидетельствует о повышении качества спекания уплотненного порошка за счет повышения поверхностной активности спекаемых микрочастиц.

Таким образом, применение предлагаемого устройства за счет вертикального перемещения выравнивающего ножа с высокой точностью, а также и функционирования валика в режиме свободного качения позволяет:

1. Повысить качество спекания порошка (при увеличении его насыпной плотности) за счет повышения поверхностной активности спекаемых микрочастиц порошка.

2. Понизить мощность лазерного луча необходимую для спекания порошка.

1. Устройство выравнивания слоев порошков для спекания деталей технологией послойного синтеза, содержащее механизм выравнивания, выполненный в виде цилиндра, шарнирно закрепленного на каретке, приводимой в движение приводом, механизм хранения и подачи порошка на рабочий стол, отличающееся тем, что нож, выполнен с регулируемой высотой установки относительно плоскости рабочего стола и закреплен на каретке, при этом нож снабжен механизмом регулирования, выполненным в виде дифференциального винта с шаговым сервоприводом.

2. Устройство выравнивания слоев порошков для спекания деталей технологией послойного синтеза по п.1, отличающееся тем, что механизм хранения и подачи порошка выполнен в виде стакана, для размещения порции порошка для одного слоя, соединенного с бункером через механизм дозированной подачи порошка шиберного типа.

3. Устройство выравнивания слоев порошков для спекания деталей технологией послойного синтеза по п.1, отличающееся тем, что рабочий стол снабжен бункером сбора избыточного количества порошка.