RU2674588C2 - Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation - Google Patents
Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2674588C2 RU2674588C2 RU2017114423A RU2017114423A RU2674588C2 RU 2674588 C2 RU2674588 C2 RU 2674588C2 RU 2017114423 A RU2017114423 A RU 2017114423A RU 2017114423 A RU2017114423 A RU 2017114423A RU 2674588 C2 RU2674588 C2 RU 2674588C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wire
- refractory
- layer
- base material
- feeder
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
- B23K26/342—Build-up welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
- B23K37/02—Carriages for supporting the welding or cutting element
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Furnace Housings, Linings, Walls, And Ceilings (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к технологии аддитивного изготовления изделий с использованием лазерного излучения.The invention relates to the technology of additive manufacturing of products using laser radiation.
Аддитивное производство включает в себя процессы, направленные на формирование объектов последовательным добавлением материалов, в отличие от традиционных «субтрактивных» методов, применяющихся в машинной обработке и подразумевающих удаление лишней массы (резка, фрезерование, сверление и т.д.).Additive production includes processes aimed at the formation of objects by the sequential addition of materials, in contrast to the traditional "subtractive" methods used in machine processing and involving the removal of excess mass (cutting, milling, drilling, etc.).
Известно, что 3D-принтер для изготовления изделий - это специальное устройство, которое дает возможность создавать, в том числе и металлические изделия, путем последовательного нанесения тонких слоев базового материала на заготовку или специальную подложку. Базовая последовательность операций следующая:It is known that a 3D printer for manufacturing products is a special device that makes it possible to create, including metal products, by successively applying thin layers of base material to a workpiece or a special substrate. The basic sequence of operations is as follows:
- при помощи компьютера, сканера и специального программного обеспечения создается виртуальная модель в трех плоскостях, разделенная на цифровые слои.- using a computer, scanner and special software creates a virtual model in three planes, divided into digital layers.
- физическое формирование изделия путем послойного нанесения расплавленного или спекаемого металла (или неметалла).- physical formation of the product by layer-by-layer deposition of molten or sintered metal (or non-metal).
Ниже кратко описаны наиболее широко используемые способы аддитивного изготовления изделий с помощью лучевой энергии и возможность применения для изготовления реально функционирующих изделий.Below are briefly described the most widely used methods of additive manufacturing of products using radiation energy and the possibility of application for the manufacture of really functioning products.
Выборочное лазерное спекание (SLS) «Selective Laser sintering» - (http://3dtoday.ru/wiki/SLS_print/) - подразумевает использование одного или нескольких лазеров высокой мощности для спекания (частичной плавки) частиц материала до образования трехмерного объекта. В качестве материалов используются порошок из пластика, металла, керамики или стекла. Спекание порошка производится за счет вычерчивания лазером контуров, заложенных в цифровой модели. Порошок насыпается на рабочую платформу, способную передвигаться в вертикальном направлении. По завершении спекания одного слоя, рабочая платформа опускается, наносится новый слой материала и выравнивается движущейся кареткой. Процесс повторяется до образования полной модели. SLS устройства используют либо однородный порошок, либо (в большинстве случаев) используются композитные гранулы с тугоплавким ядром и оболочкой из материала с пониженной температурой плавления. SLS применяется для мелкосерийного производства готовых изделий.Selective Laser sintering (SLS) - (http://3dtoday.ru/wiki/SLS_print/) - involves the use of one or more high-power lasers for sintering (partial melting) of material particles to form a three-dimensional object. As materials, powder is used from plastic, metal, ceramic or glass. Sintering of the powder is carried out by drawing laser contours embedded in a digital model. Powder is poured onto a work platform that can move in the vertical direction. Upon completion of the sintering of one layer, the working platform is lowered, a new layer of material is applied and leveled by the moving carriage. The process is repeated until a complete model is formed. SLS devices use either a uniform powder, or (in most cases) composite granules with a refractory core and a shell of a material with a lower melting point are used. SLS is used for small-scale production of finished products.
Прочностные характеристики не достаточны для применения в качестве функциональных прототипов деталей механизмов.Strength characteristics are not sufficient for use as functional prototypes of machine parts.
Выборочная лазерная плавка (SLM) «Selective Laser Melting» метод аддитивного производства, использующий лазеры высокой мощности для создания трехмерных физических объектов за счет плавки металлических порошков. Расходные материалы подвергаются не спеканию, а полной плавке до образования гомогенной массы. Процесс печати протекает в рабочей камере, заполняемой инертными газами. Каждый слой модели сплавляется, повторяя контуры слоев цифровой модели. Цикл построения аналогичен SLS. Наиболее популярными материалами являются порошковые металлы и сплавы, включая нержавеющую сталь, инструментальную сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан, алюминий, золото и др.Selective Laser Melting (SLM) The Selective Laser Melting is an additive manufacturing method that uses high-power lasers to create three-dimensional physical objects by melting metal powders. Consumables are not sintered, but completely melted until a homogeneous mass is formed. The printing process takes place in a working chamber filled with inert gases. Each layer of the model is fused, repeating the contours of the layers of the digital model. The build cycle is similar to SLS. The most popular materials are powder metals and alloys, including stainless steel, tool steel, cobalt-chromium alloys, titanium, aluminum, gold, etc.
Прочностные характеристики достаточны для применения в качестве функциональных прототипов деталей механизмов.Strength characteristics are sufficient for use as functional prototypes of machine parts.
Электронно-лучевая плавка (ЕВМ) «Electron beam melting» была разработана и применена шведской компанией Arcam АВ. ЕВМ схожа с SLM. Существенное различие - использование электронных излучателей (т.н. электронных пушек) вместо лазеров в качестве источников энергии для плавки. Поэтому плавка производится в вакуумных рабочих камерах, что позволяет работать с материалами, чувствительными к оксидации.Electron beam melting (EBM) Electron beam melting was developed and applied by the Swedish company Arcam AB. EBM is similar to SLM. A significant difference is the use of electronic emitters (so-called electron guns) instead of lasers as energy sources for melting. Therefore, melting is carried out in vacuum working chambers, which allows working with materials sensitive to oxidation.
Прочностные характеристики достаточны для применения в качестве функциональных прототипов деталей механизмов.Strength characteristics are sufficient for use as functional prototypes of machine parts.
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) «Direct Metal Laser Sintering» разработано компанией EOS из Мюнхена. Цикл построения аналогичен SLM. Прочностные характеристики достаточны для применения в качестве функциональных прототипов деталей механизмов.Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Direct Metal Laser Sintering was developed by EOS in Munich. The build cycle is similar to SLM. Strength characteristics are sufficient for use as functional prototypes of machine parts.
Известно, что в методах SLM, SLS и ЕВМ используют порошкообразный материал в качестве базового материала. Компонент или изделие генерируется непосредственно из слоя порошка. Прочими методами аддитивного изготовления, такими как лазерное формование металла (LMF), объемная лазерная наплавка (LENS) или непосредственное осаждение металла (DMD), локально наплавляют материал на существующую деталь.It is known that in the SLM, SLS, and EBM methods, a powder material is used as the base material. A component or product is generated directly from the powder layer. Other additive manufacturing methods, such as laser metal forming (LMF), bulk laser cladding (LENS), or direct metal deposition (DMD), locally deposit material onto an existing part.
Произвольная электронно-лучевая плавка (EBF3) «Electron beam free form fabrication». Метод использует электронные пучки высокой мощности для последовательного наплавления материалов в форме металлической проволоки. Технология использует электронные излучатели высокой мощности в вакуумной камере для плавки металла. Электронный пучок передвигается по рабочей поверхности, повторяя контуры цифровой модели, в то время как металлическая проволока постепенно подается в точку фокусирования пучка. Расплавленный материал застывает, формируя прочные слои заданной модели. Процесс повторяется до построения цельной модели. Используется проволока толщиной более 2 мм.Arbitrary electron beam melting (EBF3) Electron beam free form fabrication. The method uses high-power electron beams for sequential deposition of materials in the form of a metal wire. The technology uses high-power electronic emitters in a vacuum chamber to melt metal. The electron beam moves along the working surface, repeating the contours of the digital model, while the metal wire is gradually fed to the beam focusing point. The molten material solidifies, forming durable layers of a given model. The process is repeated until a complete model is built. Used wire with a thickness of more than 2 mm.
Процесс EBF3 происходит в специальной вакуумной камере, в которой пучок электронов фокусируется на источнике металла, который непрерывно подается к лучу. Этот луч плавит металл над вращающейся поверхностью, он укладывает его слоями, в соответствии с определенной 3D-моделью объекта.The EBF3 process takes place in a special vacuum chamber in which an electron beam is focused on a metal source, which is continuously supplied to the beam. This beam melts the metal over a rotating surface, it stacks it in layers, in accordance with a certain 3D-model of the object.
Прочностные характеристики достаточны для применения в качестве функциональных прототипов деталей механизмов.Strength characteristics are sufficient for use as functional prototypes of machine parts.
Ниже приведен перечень недостатков, которые должны быть устранены предлагаемым нами техническим решением:The following is a list of shortcomings that should be addressed by our technical solution:
Выборочное лазерное спекание (SLS) «Selective Laser sintering»:Selective Laser Sintering (SLS):
очень высокая пористость изделия и, следовательно, низкая прочность;very high porosity of the product and, therefore, low strength;
низкое качество поверхности;poor surface quality;
низкая точность изготовления детали;low precision manufacturing parts;
Выборочная лазерная плавка (SLM) «Selective Laser Melting»:Selective Laser Melting (SLM):
высокие энергозатраты;high energy consumption;
низкое качество поверхности;poor surface quality;
сравнительно, невысокая скорость изготовления;relatively low manufacturing speed;
низкая точность изготовления детали;low precision manufacturing parts;
Электронно-лучевая плавка (ЕВМ) «Electron beam melting»:Electron beam melting (EBM) Electron beam melting:
требует вакуумирования камеры;requires evacuation of the chamber;
низкое качество поверхности;poor surface quality;
высокие энергозатраты;high energy consumption;
низкая точность изготовления детали;low precision manufacturing parts;
Кроме того, всем «порошковым» технологиям аддитивного изготовления металлических изделий присущи недостатки, связанные с высокой ценой порошков (дешевых способов получения металлических порошков мелких фракций (∅≤200 мкм) не существует), необходимостью введения в технологический процесс крайне трудоемких операций с порошком: просеивания, удаления из камеры, пересыпания и пр, а также невозможностью создания изделий с сетчатой, трубчатой, ячеистой или сотовой внутренней структурой.In addition, all the “powder” technologies for the additive manufacturing of metal products have inherent disadvantages associated with the high price of powders (there are no cheap methods for producing metal powders of fine fractions (∅≤200 μm)), the need to introduce extremely laborious powder operations into the technological process: sifting , removal from the chamber, pouring, etc., as well as the inability to create products with a mesh, tubular, cellular or cellular internal structure.
По нашему мнению, проблема заключается в том, что перспективный 3D - принтер должен обладать, по меньшей мере, следующими характеристиками:In our opinion, the problem is that a promising 3D printer should have at least the following characteristics:
- точность изготовления детали - не выше 8 квалитета;- precision manufacturing details - not higher than 8 qualifications;
- шероховатость поверхности детали - не выше Ra25;- surface roughness of the part - not higher than Ra25;
- скорость изготовления детали - не менее 100 куб.см./час;- production speed of the part - not less than 100 cubic cm / hour;
- низкое энергопотребление - не более 50 Вт*час/куб.см.- low power consumption - not more than 50 W * hour / cc.
Из всех вышеперечисленных аддитивных технологий, ни одна не удовлетворяет всем указанным требованиям к перспективному 3D - принтеру.Of all the additive technologies listed above, none of them meets all the specified requirements for a promising 3D printer.
Кроме того, все порошковые технологии имеют отрицательный аспект - на их основе невозможно получать пустотелые (например, сотовые) структуры, так как лишний порошок удаляется только после полного завершения процесса построения изделия в целом и, следовательно, порошок внутри каждой отдельной соты будет запечатан (останется внутри соты).In addition, all powder technologies have a negative aspect - it is impossible to obtain hollow (for example, honeycomb) structures on their basis, since excess powder is removed only after the complete construction of the product as a whole and, therefore, the powder inside each individual cell will be sealed (remains inside the cell).
Вариант не порошковой технологии электронно-лучевой плавки металлической проволоки («EBF3»), представляющийся перспективным, имеет следующие существенные недостатки:A non-powder version of the technology of electron beam melting of metal wire ("EBF3"), which seems promising, has the following significant disadvantages:
- электронные пучки высокой мощности можно использовать только в вакууме, так как они сильно рассеиваются на молекулах газа, а создание и поддержание глубокого вакуума повлечет за собой удорожание и утяжеление конструкции;- high-power electron beams can only be used in vacuum, since they are strongly scattered by gas molecules, and the creation and maintenance of a deep vacuum will entail an increase in the cost and weight of the structure;
- платформа с изделием вращается, следовательно, возникнут проблемы с изготовлением изделий, не обладающих осевой симметрией;- the platform with the product rotates, therefore, there will be problems with the manufacture of products that do not have axial symmetry;
- в данный момент электронно-лучевая плавка ограничена точностью 0,2 мм, из-за размера электронного пучка, который составляет 0,2-1,0 мм - это приводит к высокому квалитету точности детали и большой шероховатости готовых изделий;- at the moment, electron beam melting is limited to an accuracy of 0.2 mm, due to the size of the electron beam, which is 0.2-1.0 mm - this leads to a high quality of precision parts and a large roughness of the finished product;
- устройство подачи проволоки неподвижно (или имеет мало степеней свободы), что сильно затрудняет изготовление изделий сложной конфигурации.- the wire feed device is stationary (or has few degrees of freedom), which greatly complicates the manufacture of products of complex configuration.
Из патентной литературы в качестве прототипа считаем возможным принять патент RU (11) 2574536, МПК B22F 3/105, B22F 5/04, В23K 26/34, С23С 26/00, F01D 9/02, публикация: 27.05.2015. Изобретение относится к способу изготовления трехмерной металлической детали, включающему стадии, на которых последовательно наращивают указанную деталь из металлического базового материала с помощью процесса аддитивного изготовления путем сканирования энергетического луча, при этом создают контролируемую ориентацию зерен в направлении Z, перпендикулярном плоскости X-Y детали, и направлении в плоскости X-Y детали, причем ориентацию зерен в плоскости X-Y детали создают путем сканирования энергетического луча в соответствии с профилем ее сечения или условиями локальной нагрузки на деталь, при этом регулирование ориентации зерен в плоскости X-Y детали достигается проведением траекторий движения сканера в последовательных слоях попеременно, параллельно и перпендикулярно направлению, соответствующему наименьшему значению модуля Юнга в детали. Создают трехмерную модель указанной детали с последующим процессом послойного разделения для расчета сечений; после этого направляют указанные рассчитанные сечения в управляющее устройство; обеспечивают порошок указанного базового материала, который необходим для процесса; получают слой порошка с постоянной и равномерной толщиной на пластинчатой подложке или на ранее обработанном порошковом слое; выполняют плавление проведением сканирования энергетического луча на участке, соответствующем сечению указанной детали согласно трехмерной модели, сохраняемой в управляющем устройстве; понижают верхнюю поверхность предварительно сформированного сечения на толщину одного слоя; повторяют указанные стадии), пока не будет достигнуто последнее сечение согласно трехмерной модели.From the patent literature as a prototype we consider it possible to accept the patent RU (11) 2574536,
Так как разнонаправленное сканирование (плавление) слоев порошка не влияет на пористость изделия, шероховатость и квалитет его поверхности, а также энергетические и временные параметры технологии, то все, ранее указанные выше недостатки вышеперечисленных технологий и изделий, изготовленных по этим технологиям, сохраняют свою актуальность.Since multidirectional scanning (melting) of the powder layers does not affect the porosity of the product, the roughness and quality of its surface, as well as the energy and time parameters of the technology, all the previously mentioned disadvantages of the above technologies and products made using these technologies remain valid.
Таким образом, задача заключается в том, чтобы предложить способ и оборудование для аддитивного изготовления качественных изделий со сложной поверхностью, в том, числе с сетчатой, ячеистой или сотовой внутренней структурой.Thus, the task is to offer a method and equipment for the additive manufacturing of high-quality products with a complex surface, including a mesh, mesh or cellular internal structure.
Технический результат заключается в повышении точности и чистоты поверхности изделий сложной конфигурации изготовленных посредством аддитивной технологии.The technical result consists in increasing the accuracy and cleanliness of the surface of products of complex configuration made by means of additive technology.
Указанный технический результат достигается в способе аддитивного сварочно - плавильного изготовления трехмерных изделий, включающем последовательное послойное построение указанного изделия из базового материала в соответствии с заранее созданной трехмерной моделью указанного изделия, разделенной послойно на расчетные сечения для последующего управления процессом послойного построения посредством плавления базового материала лазерным лучом, тем, что используют базовый материал в виде двух проволок разной тугоплавкости, а в процессе построения формируют сначала граничные слои изделия послойным свариванием лазерным лучом более тугоплавкой проволоки и затем заполняют пространство между граничными слоями послойным плавлением лазерным лучом менее тугоплавкой проволоки.The specified technical result is achieved in the method of additive welding - smelting manufacturing of three-dimensional products, including sequential layer-by-layer construction of the specified product from the base material in accordance with a previously created three-dimensional model of the specified product, divided by layers into design sections for subsequent control of the process of layer-by-layer construction by melting the base material with a laser beam , the fact that they use the base material in the form of two wires of different refractoriness, and in percent sse first construction form the boundary layers of the stratified product with a laser beam welding wire more refractory and then fill the space between the boundary layers of stratified melting laser beam less refractory wire.
Кроме того, используют проволоку большей тугоплавкости меньшего диаметра, чем диаметр проволоки меньшей тугоплавкости.In addition, use a wire of greater refractoriness of a smaller diameter than the diameter of the wire of lower refractoriness.
Кроме того, используют используют проволоку большей тугоплавкости из металла, а проволоку меньшей тугоплавкости из неметалла.In addition, they use a wire of higher refractoriness from metal, and a wire of lower refractoriness from non-metal.
Кроме того, базовый материал является металлом или неметаллом.In addition, the base material is metal or non-metal.
Кроме того, процесс построения изделия осуществляют в герметичной камере с нормальным или пониженным давлением в атмосфере инертного газа, азота или воздуха.In addition, the product construction process is carried out in a sealed chamber with normal or reduced pressure in an atmosphere of inert gas, nitrogen or air.
Этот же технический результат достигается в установке для аддитивного сварочно - плавильного изготовления трехмерных изделий, содержащей конструкционную опору для поддержания изделия во время построения из базового материала, узел подачи базового материала в зону построения и лазерный узел, тем, что конструкционная опора выполнена в виде размещенной в герметичной камере платформы из тугоплавкого неметалла, установленной с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси и движения вдоль нее с помощью позиционера, узел подачи базового материала в зону построения состоит из устройства подачи более тугоплавкой проволоки, имеющего возможность движения вдоль двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей, вращения вокруг его вертикальной оси и поворота вокруг продольной оси этого устройства, а также устройства подачи менее тугоплавкой проволоки, имеющего возможность движения вдоль двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей и вращения вокруг его вертикальной оси, при этом лазерный узел состоит из двух лазерных оптических головок, закрепленных, соответственно, на устройстве подачи более тугоплавкой проволоки и на устройстве подачи менее тугоплавкой проволоки.The same technical result is achieved in the installation for additive welding and smelting manufacturing of three-dimensional products, containing a structural support for supporting the product during the construction of the base material, a base material supply unit to the construction zone and a laser unit, in that the structural support is made in the form placed in a sealed chamber of the platform of refractory non-metal, mounted to rotate around its vertical axis and move along it using a positioner, the base feed unit about the material in the construction zone consists of a device for feeding a more refractory wire having the ability to move along two mutually perpendicular horizontal axes, rotating around its vertical axis and rotating around the longitudinal axis of this device, as well as a device for feeding a less refractory wire, having the ability to move along two mutually perpendicular horizontal axes and rotation around its vertical axis, while the laser unit consists of two laser optical heads, mounted, corresponding continuously on a refractory feeder wire feeder and less refractory wire.
Кроме того, установка снабжена силовой рамой, имеющей два горизонтальных уровня взаимно перпендикулярных, связанных между собой муфтами направляющих и приводных винтовых шпилек, на которых размещены каретки для соответствующих устройств подачи проволоки, при этом каждая приводная винтовая шпилька снабжена позиционером в виде шагового или иного двигателя, устройство подачи более тугоплавкой проволоки установлено на соответствующей каретке посредством поворотной башни с поворотной башенной штангой, а устройство подачи менее тугоплавкой проволоки установлено на соответствующей каретке посредством поворотной башни.In addition, the installation is equipped with a power frame having two horizontal levels mutually perpendicular, interconnected by clutches of guides and drive screw pins, on which the carriages for the respective wire feed devices are placed, each drive screw pin equipped with a positioner in the form of a stepper or other motor, a feeder for a more refractory wire is mounted on the corresponding carriage by means of a rotary tower with a rotary tower bar, and a feeder is less refractory Coy wire mounted on the respective carriage by means of pivoting of the tower.
Кроме того, герметичная камера снабжена вакуумным насосом и/или устройством подачи инертного газа.In addition, the sealed chamber is equipped with a vacuum pump and / or an inert gas supply device.
Кроме того, устройство подачи менее тугоплавкой проволоки снабжено индукционным или иным нагревателем подаваемой проволоки.In addition, the feeder for a less refractory wire is equipped with an induction or other wire feed heater.
Кроме того, устройство подачи более тугоплавкой проволоки и устройство подачи менее тугоплавкой проволоки установлены на одной каретке.In addition, a feeder for a more refractory wire and a feeder for a less refractory wire are mounted on the same carriage.
Предлагаемые изобретения поясняются чертежами.The proposed invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 - пример изделия, получаемого предлагаемым способом аддитивного сварочно-плавильного изготовления.In FIG. 1 - an example of a product obtained by the proposed method of additive welding and smelting manufacturing.
На фиг. 2 - показана схема построения граничного слоя.In FIG. 2 - shows a diagram of the construction of the boundary layer.
На фиг. 3 - показана схема заполнения металлом - наполнителем пространства между граничными слоями (вид В показывает срез, при котором убран внешний граничный слой).In FIG. 3 - shows a diagram of fill metal - filling the space between the boundary layers (view B shows slice, wherein the removed outer boundary layer).
На фиг. 4 - представлена схема установки - вид спереди.In FIG. 4 - presents the installation diagram - front view.
На фиг. 5 - представлена схема установки - вид сверху (устройство подачи менее тугоплавкой проволоки не показано).In FIG. 5 - shows the installation diagram - top view (feeder less refractory wire is not shown).
Способ аддитивного сварочно-плавильного изготовления трехмерных изделий, включает последовательное послойное построение указанного изделия 1 из базового материала в соответствии с заранее созданной трехмерной моделью указанного изделия, разделенной послойно на расчетные сечения для последующего управления процессом послойного построения посредством плавления базового материала лазерным лучом 2, Причем используют базовый материал в виде двух проволок 3 и 4 разной тугоплавкости, а в процессе построения формируют сначала граничные слои изделия послойным свариванием лазерным лучом 2 более тугоплавкой проволоки 3 и затем заполняют расплавом 7 пространство между граничными слоями 5 и 6 послойным плавлением лазерным лучом менее тугоплавкой проволоки 4. Преимущественно используют проволоку большей тугоплавкости 3 меньшего диаметра, чем диаметр проволоки меньшей тугоплавкости 4. Базовый материал является металлом или неметаллом.The method of additive welding and smelting manufacturing of three-dimensional products, includes sequential layer-by-layer construction of the specified
Процесс построения изделия осуществляют в герметичной камере 8 с нормальным или пониженным давлением в атмосфере инертного газа, азота или воздуха.The process of constructing the product is carried out in a sealed
Установка для аддитивного сварочно-плавильного изготовления трехмерных изделий, содержит конструкционную опору 9 для поддержания изделия 1 во время построения из базового материала, узел 10 подачи базового материала в зону построения 32 и лазерный узел 11. Конструкционная опора 9 выполнена в виде размещенной в герметичной камере 8 платформы 12 из тугоплавкого неметалла, установленной с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси и движения вдоль нее с помощью позиционера 25, узел 10 подачи базового материала в зону построения состоит из устройства подачи 13 более тугоплавкой проволоки, имеющего возможность движения вдоль двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей, вращения вокруг его вертикальной оси и поворота вокруг продольной оси 14 этого устройства, а также устройства подачи 15 менее тугоплавкой проволоки, имеющего возможность движения вдоль двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей и вращения вокруг его вертикальной оси, при этом лазерный узел 11 состоит из двух лазерных оптических головок 16 и 17, закрепленных, соответственно, на устройстве подачи 13 более тугоплавкой проволоки и на устройстве подачи 15 менее тугоплавкой проволоки. Установка снабжена силовой рамой 18, имеющей два горизонтальных уровня взаимно перпендикулярных, связанных между собой муфтами 19 и 20 направляющих 21 и приводных винтовых шпилек 22, на которых размещены каретки 23 и 24 для соответствующих устройств подачи проволоки, при этом каждая приводная винтовая шпилька 22 снабжена позиционером 25 в виде шагового или иного двигателя, устройство подачи 13 более тугоплавкой проволоки установлено на соответствующей каретке 23 посредством поворотной башни 26 с поворотной башенной штангой 27, а устройство подачи менее тугоплавкой проволоки установлено на соответствующей каретке 24 посредством поворотной башни 28. Герметичная камера 8 снабжена вакуумным насосом 29 и/или устройством подачи инертного газа. Устройство подачи менее тугоплавкой проволоки снабжено индукционным или иным нагревателем 30 подаваемой проволоки.Installation for additive welding and smelting manufacturing of three-dimensional products, contains a
Причинно-следственную связь операций способа и признаков устройства с решением технической задачи и достижением технического результата покажем на примере изготовления изделия из металла.A causal relationship between the operations of the method and the features of the device with the solution of the technical problem and the achievement of the technical result is shown by the example of manufacturing a metal product.
Поверхность изделия (граничные слои) изготавливается послойно из металлической проволоки из тугоплавкого и прочного металла (например, титана или медно-никелевых сплавов), которая послойно укладывается на предыдущий слой и приваривается к нему лазерным лучом. Движение устройства подачи проволоки и оптической головки лазера повторяет внешние и внутренние контуры слоев цифровой модели (см. фиг. 2).The surface of the product (boundary layers) is made layer-by-layer from a metal wire of refractory and durable metal (for example, titanium or copper-nickel alloys), which is layer-by-layer laid on the previous layer and welded to it with a laser beam. The movement of the wire feed device and the laser optical head follows the external and internal contours of the layers of the digital model ( see Fig. 2 ).
Внутренний объем между граничными слоями, образующими поверхность изделия, заполняется металлом-наполнителем, имеющим температуру плавления, ниже температуры плавления металла граничного слоя и расплавляемым второй оптической головкой лазера (см. фиг. 3). Такая последовательность действий дает большой выигрыш в скорости изготовления изделия, в сравнении с «порошковыми» технологиями и, вместе с тем, позволяет с высокой точностью (не выше 10 квалитета) и низкой шероховатостью (не более Ra25.0) изготавливать поверхность детали (указанные точностные параметры характерны для проволок) путем сварки слоев проволоки лазерным лучом, а основную массу металла детали фактически заливать путем расплавления подаваемой толстой проволоки из металла-наполнителя. В то время как технологии, перечисленные в первом разделе, могут гарантировать, в лучшем случае, 11 квалитет и шероховатость Ra25.0The internal volume between the boundary layers forming the surface of the product is filled with a filler metal having a melting point lower than the melting temperature of the boundary layer metal and melted by a second laser optical head ( see Fig. 3 ). Such a sequence of actions gives a big gain in the speed of manufacturing the product, in comparison with the “powder” technologies and, at the same time, allows with high accuracy (not higher than 10 quality) and low roughness (not more than Ra25.0) to produce the surface of the part (specified accuracy the parameters are typical for wires) by welding the wire layers with a laser beam, and the bulk of the metal of the part is actually filled by melting the supplied thick wire from the filler metal. While the technologies listed in the first section can guarantee, at best, 11 Ra25.0 quality and roughness
Используемая проволока граничного слоя может иметь различные размеры (от десятков мкм до нескольких миллиметров), но получаемая поверхность будет, в любом случае, значительно лучше (по показателю шероховатости), а точность изготовления детали - по квалитету, чем получаемая при сплавлении или спекании металлического порошка с размерами частиц, например, 50 мкм, так как проволока имеет ровную, гладкую поверхность, а «шарики» порошка ложатся хаотически. Что касается сравнения с технологией EBF3, в которой сплавляется проволока, то в этой технологии используется проволока от ∅ 2 мм и электронный луч очень высокой энергии с «пятном» (фокусировкой) 2 мм, что автоматически приводит к точности поверхности ~ 1 мм (11-13 квалитет) и шероховатости Ra100 (или еще хуже). А из-за большой мощности луча плавления - имеются многочисленные наплывы и брызги.The boundary layer wire used can have different sizes (from tens of microns to several millimeters), but the resulting surface will, in any case, be much better (in terms of roughness), and the manufacturing accuracy of the part will be more accurate than that obtained by fusion or sintering of metal powder with particle sizes, for example, 50 microns, since the wire has a flat, smooth surface, and the "balls" of powder lie randomly. As for the comparison with EBF3 technology, in which the wire is fused, this technology uses a wire of ∅ 2 mm and an electron beam of very high energy with a “spot” (focusing) of 2 mm, which automatically leads to a surface accuracy of ~ 1 mm (11- 13 qualifications) and roughness Ra100 (or worse). And because of the high power of the melting beam, there are numerous bursts and sprays.
Зона построения изделия 32 находится в камере с обычным или пониженным давлением в атмосфере инертного газа, азота или воздуха, в зависимости от материала изделия и режимов изготовления. С помощью чернения стенок камеры, системы дополнительного охлаждения корпуса камеры, продувкой инертного газа, азота или воздуха и иными методами (в зависимости от теплового режима процесса) достигается максимально ровное тепловое поле в камере для обеспечения сохранности шаговых двигателей и прочего высокоточного оборудования, работающего внутри камеры 8.The
Устройство подачи 13 тугоплавкой проволоки закреплено на башенной штанге 27 (см. фиг. 2 и фиг. 5) и имеет четыре степени свободы: движение (вместе с кареткой 23) вдоль осей X и Y (см. фиг. 5), поворот вокруг вертикальной оси на 360° (с поворотной башней 26) и поворот вокруг продольной оси на 180° (с башенной штангой 27). Устройство подачи 13 проволоки, сопряженное с лазерной оптической головкой 16, позиционируется по отношению к строящемуся граничному слою изделия с помощью позиционера 25, имеющего точность позиционирования около 20 мкм. Устройство подачи проволоки укладывает каждый слой проволоки поверх предыдущего слоя проволоки (с учетом заложенных в программе управления данных о геометрии 3d модели), подавая проволоку в точку фокусирования 32 луча лазера. Лазерный луч 2, проходя через оптическую головку 16, закрепленную вместе с устройством подачи 13 тугоплавкой проволоки на башенной штанге 27, приваривает новый слой проволоки к нижележащему слою (см. фиг. 2). Повороты вокруг вертикальной оси и вокруг продольной оси позволяют формировать контур любой поверхности изделия 1.The
Металл - наполнитель подается в виде прогретой с помощью нагревателя 30 (ниже температуры плавления металла-наполнителя) толстой (0,5-2 мм) проволоки из вертикально расположенного сопла устройства подачи 15 проволоки (см. фиг. 3 и фиг. 4). Устройство подачи 15 проволоки металла-наполнителя может крепиться как к каретке 23, на которой расположено устройство подачи 13 тугоплавкой проволоки, так и иметь независимый позиционер 25 и отдельную каретку 24. На фиг. 4 изображен второй вариант крепления устройства подачи 15 проволоки металла-наполнителя.The metal filler is supplied in the form of a thick (0.5-2 mm) wire from a vertically located nozzle of the wire feed device 15 ( see FIG. 3 and FIG. 4 ) heated with a heater 30 (below the melting temperature of the filler metal). The
Устройство подачи проволоки 15 из металла-наполнителя имеет три степени свободы: движение (вместе с кареткой 24) вдоль осей X и Y, поворот вокруг вертикальной оси на 360° (с поворотной башней 28). Устройство подачи 15 проволоки, сопряженное с лазерной оптической головкой 17, позиционируется по отношению к строящейся стенке 31 изделия вторым позиционером 25, с помощью которого сопло устройства подачи 15 проволоки выставляется таким образом, чтобы расплавляемый лазером 2 металл-наполнитель выливался на нижележащий слой металла - наполнителя между сформированными граничными слоями из более тугоплавкого металла. Подача проволоки 4 металла - наполнителя осуществляется после завершения нескольких циклов построения граничных слоев 5,6 из тугоплавкой проволоки 3 или одновременно с формированием граничных слоев 5.6 (когда это будет необходимо). Проволока подается в точку фокусирования 32 луча лазера 2, оптическая головка 17 которого закреплена вместе с устройством подачи 15 проволоки металла-наполнителя на поворотной башне 28 (см. фиг. 4, фиг. 3).The
Платформа 12, на которой формируется изделие 1, изготавливается из тугоплавкого неметалла (например, графит) и имеет две степени свободы: движение вверх-вниз вдоль вертикальной оси Z (при котором после завершения формирования каждого граничного слоя 5, 6 из тугоплавкого металла, платформа опускается для начала формирования нового слоя) и вращение вокруг вертикальной оси на 360° (см. фиг. 4 и фиг. 5).The
Ниже приведена таблица сравнения достигнутых предлагаемыми изобретениями параметров с параметрами известных технологий.The following is a table comparing the parameters achieved by the present invention parameters with the parameters of known technologies.
Таблица сравнительнаяComparative table
Таким образом, предлагаемыми изобретениями обеспечивается получение технического результата, заключающегося в повышении точности и чистоты поверхности изделий сложной конфигурации изготовленных посредством аддитивной технологии.Thus, the proposed invention provides a technical result, which consists in increasing the accuracy and cleanliness of the surface of products of complex configuration made by means of additive technology.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017114423A RU2674588C2 (en) | 2017-04-25 | 2017-04-25 | Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017114423A RU2674588C2 (en) | 2017-04-25 | 2017-04-25 | Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017114423A3 RU2017114423A3 (en) | 2018-10-25 |
RU2017114423A RU2017114423A (en) | 2018-10-25 |
RU2674588C2 true RU2674588C2 (en) | 2018-12-11 |
Family
ID=63923089
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017114423A RU2674588C2 (en) | 2017-04-25 | 2017-04-25 | Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2674588C2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU193110U1 (en) * | 2019-06-13 | 2019-10-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" (ТвГТУ) | Automatic installation for 3D printing of metal products of complex shape |
RU193473U1 (en) * | 2019-01-30 | 2019-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Научный логистический центр" | Installation for additive manufacturing of three-dimensional products |
RU198092U1 (en) * | 2020-01-09 | 2020-06-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" | Installation for 3D printing of metal products |
RU2732252C1 (en) * | 2019-07-30 | 2020-09-14 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" | Method for layer-by-layer manufacturing of three-dimensional articles |
RU2750603C1 (en) * | 2020-09-02 | 2021-06-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Apparatus for production of parts using additive-subtractive-hardening technology |
WO2021221599A1 (en) * | 2020-04-27 | 2021-11-04 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Dehumidify and recycle a gas from a 3d printer |
RU2774519C1 (en) * | 2021-01-25 | 2022-06-21 | Вэньчжоу Джинхэ Интеллигент Мануфактуринг Сайнс & Текнолоджи компани ЛТД | Auxiliary apparatus for feeding filler wire in the process of cold metal transfer arc welding |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2700439C1 (en) * | 2018-12-11 | 2019-09-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Method for additive production of articles from titanium alloys with a functional gradient structure |
RU2721109C1 (en) * | 2019-10-29 | 2020-05-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Method for additive production of articles from high-strength aluminum alloys with a functional gradient structure |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2562584C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of forming of discrete wearproof coating of part |
RU2562722C1 (en) * | 2014-03-26 | 2015-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Method of production of articles with complex shape out of powder systems |
CN105073327A (en) * | 2013-02-26 | 2015-11-18 | 联合工艺公司 | Multiple wire electron beam melting |
RU2014121095A (en) * | 2011-10-26 | 2015-12-10 | Снекма | METHOD FOR PRODUCING METAL PARTS FOR TURBOJET ENGINE OF AIRCRAFT |
JP2016179501A (en) * | 2015-03-23 | 2016-10-13 | リンカーン グローバル, インコーポレイテッドLincoln Global, Inc. | Method and system for additive manufacture using high energy source and hot wire |
-
2017
- 2017-04-25 RU RU2017114423A patent/RU2674588C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2014121095A (en) * | 2011-10-26 | 2015-12-10 | Снекма | METHOD FOR PRODUCING METAL PARTS FOR TURBOJET ENGINE OF AIRCRAFT |
CN105073327A (en) * | 2013-02-26 | 2015-11-18 | 联合工艺公司 | Multiple wire electron beam melting |
RU2562722C1 (en) * | 2014-03-26 | 2015-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Method of production of articles with complex shape out of powder systems |
RU2562584C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of forming of discrete wearproof coating of part |
JP2016179501A (en) * | 2015-03-23 | 2016-10-13 | リンカーン グローバル, インコーポレイテッドLincoln Global, Inc. | Method and system for additive manufacture using high energy source and hot wire |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU193473U1 (en) * | 2019-01-30 | 2019-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Научный логистический центр" | Installation for additive manufacturing of three-dimensional products |
RU193110U1 (en) * | 2019-06-13 | 2019-10-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" (ТвГТУ) | Automatic installation for 3D printing of metal products of complex shape |
RU2732252C1 (en) * | 2019-07-30 | 2020-09-14 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" | Method for layer-by-layer manufacturing of three-dimensional articles |
RU198092U1 (en) * | 2020-01-09 | 2020-06-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" | Installation for 3D printing of metal products |
WO2021221599A1 (en) * | 2020-04-27 | 2021-11-04 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Dehumidify and recycle a gas from a 3d printer |
RU2750603C1 (en) * | 2020-09-02 | 2021-06-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Apparatus for production of parts using additive-subtractive-hardening technology |
RU2774519C1 (en) * | 2021-01-25 | 2022-06-21 | Вэньчжоу Джинхэ Интеллигент Мануфактуринг Сайнс & Текнолоджи компани ЛТД | Auxiliary apparatus for feeding filler wire in the process of cold metal transfer arc welding |
RU2781510C1 (en) * | 2022-01-12 | 2022-10-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" (ТвГТУ) | Method for additive manufacturing of metal products |
RU2797831C1 (en) * | 2022-11-09 | 2023-06-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Промышленная механика" | Zirconium tube welding unit |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017114423A3 (en) | 2018-10-25 |
RU2017114423A (en) | 2018-10-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2674588C2 (en) | Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation | |
JP6845335B2 (en) | Additional manufacturing using mobile scanning area | |
JP6848069B2 (en) | Additional manufacturing using mobile scanning area | |
JP6898036B2 (en) | Additional manufacturing using mobile scanning area | |
Fang et al. | Study on metal deposit in the fused-coating based additive manufacturing | |
US9757802B2 (en) | Additive manufacturing methods and systems with fiber reinforcement | |
CN105945281B (en) | The deposition forming machining manufacture of part and mold | |
US5398193A (en) | Method of three-dimensional rapid prototyping through controlled layerwise deposition/extraction and apparatus therefor | |
US20150224607A1 (en) | Superalloy solid freeform fabrication and repair with preforms of metal and flux | |
Paul et al. | Metal additive manufacturing using lasers | |
WO2011127798A1 (en) | Fused deposition forming composite manufacturing method for part and mold and auxiliary device thereof | |
JP2011021218A (en) | Powder material for laminate molding, and powder laminate molding method | |
JP2000296561A (en) | Variable weld lamination type rapid shaping method and apparatus | |
CN101780544A (en) | Method for forming refractory metal parts by using laser | |
WO2018212193A1 (en) | Additive manufacturing device and additive manufacturing method | |
Kreutz et al. | Rapid prototyping with CO2 laser radiation | |
US10919114B2 (en) | Methods and support structures leveraging grown build envelope | |
AU2020253392B2 (en) | Systems and methods for non-continuous deposition of a component | |
JP6888874B2 (en) | Addition manufacturing using mobile scanning area | |
Ruan et al. | A review of layer based manufacturing processes for metals | |
Ludovico et al. | Experimental analysis of the direct laser metal deposition process | |
Kumar | Process and Classification | |
JP7150121B1 (en) | Modeling program creation method, layered manufacturing method, and layered manufacturing apparatus | |
EP3984669A1 (en) | Method of regenerating a build plate | |
RU193473U1 (en) | Installation for additive manufacturing of three-dimensional products |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190426 |