CZ2017215A3 - Způsob a zařízení ke zhotovování kovových výrobků - Google Patents

Abstract

Jedná se o zhotovování výrobků z kovových materiálů aditivním způsobem, při němž je výrobek sestaven z velkého počtu postupně přidávaných malých kapek roztaveného kovu. K vytváření kapek se podle vynálezu využívá poměrů u vrcholu kuželu (111) z roztaveného kovu vytvořeného účinkem elektrostatického pole. Toto anebo jiné nezávisle nastavitelné elektrostatické pole mezi taveninou (100) a výrobkem (110) také kapky urychluje do zvoleného místa na povrchu zhotovovaného výrobku (110).

Description

Oblast techniky

Předmět vynálezu je určen k všeobecnému uplatnění všude tam, kde se zhotovují kovové výrobky - tedy zejména ve strojním inženýrství, kde může účinně nahradit dosavadní výrobu kovových předmětů klasickým strojním obráběním - zvláště jde-li o předměty složitých tvarů.

Dosavadní stav techniky

Na rozdíl od dosud převládajících subtraktivních výrobních metod kovových předmětů, kde převládá postup při němž se z výchozího polotovaru postupně materiál strojním obráběním odebírá, předmět vynálezu patří mezi aditivní výrobní postupy u nichž je po malých přírůstcích naopak materiál postupně přidáván. Přináší výhody zejména u předmětů se složitými tvary, kdy při subtraktivní výrobě musí být odebrána velmi podstatná nebo dokonce až převládající část původního polotovaru a požadované tvary výrobku nelze snadno provést s obvyklými tvary a pohyby obráběcích nástrojů. V současné době jsou vyvinuty takovéto počítačem řízené aditivní postupy zejména pro výrobky z měkkých polymerových materiálů, které se taví při relativně nízkých teplotách a snadno vytváří kapky, které se jako stále tekuté na zhotovovaný výrobek uchytí při svém dopadu. Polymerové materiály ovšem vesměs nemají velkou pevnost a proto nevyhovují tam, kde zhotovovaný předmět má snášet velká silová zatížení. V klasickém strojním inženýrství jsou takové mechanicky namáhané předměty obvykle zhotovovány z kovů, zejména z oceli. Kovy však, zejména vzhledem k jejich obvykle vysoké teplotě tání, znamenají u aditivních metod výroby řadu potíží a komplikací. Proto se u dnes u kovů pracuje s jiným přístupem: počítačem řízeným spékáním, sintrováním. Výkonový zdroj tepla, obvykle laser se světleným svazkem soustředěným na určitou velmi malou plošku, spéká navzájem tam se nacházející drobné tuhé kovové částice, přiváděné na povrch výrobku ve formě kovového prášku. Nedostatkem je, že ke spojení spékáním dojde u každé částice prášku jen na některých místech, a sice ve výstupcích vystupujících nad své okolí a dotýkajících se tak částice sousední. Výstupky se nataví a spojí s protilehlou částicí, ale ke vzájemnému spojitému spojení částic nedojde. Jak je to obvyklé u sintrovacích výrobních postupů, uvnitř vyrobeného předmětu tak zůstane poměrně značné objemové procento malých prázdných objemů, přes které se silové namáhání přenášet nemůže. U celé řady výrobků postačí takové spojení spékáním, s malými vzniklými dutinami. Nepostačí to ovšem u vysoce mechanicky namáhaných výrobků vyžadující takovou celkovou pevnost, jakou mají tělesa z kompaktního materiálu.

Podstata vynálezu

Problém je řešen jednak způsobem zhotovování kovových výrobků, jednak zařízením k provádění tohoto způsobu podle tohoto vynálezu jehož podstatou je, že z taveniny kovu se tvoří kapky u vrcholu kapalinového kuželu který se předtím vytvořil místním vystavením taveniny účinkům elektrostatického pole mezi taveninou a nejméně jednou elektrodou, a tyto kapky se pak tímto elektrostatickým polem urychlují interakcí svého náboje a polem elektrody na určené místo povrchu zhotovovaného výrobku, který se postupně přemisťuje do takových poloh proti dráhám kapek, že dopadem a zachycením kapky se zhotovovaný výrobek zvětší právě ve směru odpovídajícím žádoucímu vzrůstu jeho rozměrů.

Zejména je vhodné, aby způsob podle vynálezu byl prováděn tak, že se opakovaně, zejména například periodicky pravidelně, zmenšuje elektrické napětí přiváděné na elektrodu zatímco tavenina je uzemněna.

- 1 CZ 2017 - 215 A3

Alternativně může být účelné aby se opakovaně zmenšovalo elektrické napětí přiváděné na elektricky vodivou dutinu obsahující taveninu zatímco elektroda je uzemněna.

Je také popřípadě možné provádět způsob podle vynálezu tak, že se opakovaně zmenšuje elektrické napětí přiváděné na kovový drát u jehož konce se vytváří kapalinový kužel roztaveného kovu.

Výše popsaný způsob má být prováděn v zařízení s traverzérem pro přemisťování s ním dočasně spojeného zhotovovaného výrobku podle tohoto vynálezu, jehož podstatou je, že tepelný výkonový zdroj, jako je například laser, elektronový svazek ve vakuu nebo indukční ohřívací ústrojí, má proti povrchu zhotovovaného výrobku přístupný povrch taveniny, která je napojena na první svorku elektrického obvodu a proti tomuto přístupnému povrchu taveniny je nejméně jedna elektroda, například první elektroda opatřená otvorem a elektricky napojená na druhou svorku elektrického obvodu, a přístupný povrch taveniny je umístěn proti tomuto otvoru v elektrodě.

Zejména může být podle tohoto vynálezu účelné, aby výkonový zdroj zasahoval svojí aktivní částí do zásobníku obsahujícím taveninu.

Konečně může být také podle tohoto vynálezu účelné, aby výkonový zdroj zasahoval svojí aktivní částí proti konci kovového drátu jenž je v mechanickém kontaktu s mechanismem posuvu a elektrickém kontaktu s první elektrodou.

Základními částmi zařízení podle vynálezu jsou tedy na jedné straně generátor malých kapiček roztaveného kovu, které z něho vylétají, a na druhé straně výrobek. Ten je dočasně upevněn na traverzéru, tedy mechanismu který výrobkem pohybuje, obvykle podle řídicího počítačového programu, a to tak aby na výrobek v jeho žádoucích místech kapičky dopadly a tam se uchytily a ztuhly. Řídicí program také přerušuje tvorbu kapiček v generátoru při těch některých polohách traverzéru kdy kovový materiál na výrobku nemá být.

Podstatnou částí zmíněného generátoru kovových kapiček je výkonový tepelný zdroj s aktivní částí, která působí na dodávaný kovový materiál. Ten se pod vlivem tepelného příkonu zdroje taví a vytváří taveninu. Jsou dvě alternativní možnosti. Jednou z nich je, že vytvářená tavenina je uvnitř zásobníku který má tvar nádoby zhotovené z materiálu odolávajícího vysokým teplotám. Tato nádoba má trysku z níž může tavenina vytékat, ale tomuto výtoku v základním stavu brání povrchové napětí taveniny. Tavenina je v elektrickém kontaktu s jednou přívodní elektrickou svorkou.

Ve druhém případě funguje jako zásobník kovu v pevném skupenství tenká tyč nebo drát. Konec tohoto drátu se nachází v dosahu aktivní části tepelného zdroje. Tento konec se taví a v zásadě by se mohlo stát, že takto vytvořená tavenina z konce drátu bude mít tendenci stékat — je tam ale zase držena povrchovým napětím. Drát tavením postupně ubývá a proto na něj působí mechanismus posuvu který drátem pohybuje tak aby tavený konec drátu zůstával v dosahu aktivní části tepelného zdroje. V tomto alternativním případě je to drát, který je v elektrickém kontaktu s jednou přívodní elektrickou svorkou.

Další podstatnou částí generátoru kovových kapiček je nejméně jedna elektroda která má v sobě otvor a je v elektrickém kontaktu se druhou přívodní elektrickou svorkou. Otvor v elektrodě je umístěn proti volně přístupnému povrchu taveniny, kterým je bud' ve zmíněné první alternativě ústí trysky v níž je tavenina držena svým povrchovým napětím, nebo ve druhé alternativě je to tavenina držená povrchovým napětím na taveném konci drátu. Také je otvor v této elektrodě orientován proti místu na povrchu výrobku, do kterého mají kapky taveniny dopadat.

Je-li jedna přívodní elektrická svorka uzemněna a na druhou přívodní elektrickou svorku je pak přivedeno vysoké elektrické napětí proti zemi, tavenina vytvoří kapalinový kužel jehož vrchol směřuje do otvoru v elektrodě. Tvar kuželu je určen vzájemnými poměry působících sil, a sice elektrostatické přitažlivé síly, povrchového napětí a posléze, když se tavenina v kuželu dá do

-2CZ 2017 - 215 A3 pohybu, uplatní se také viskozitní síly. Zvyšuj e-li se intenzita působícího elektrostatického napětí, na špičce kuželu se vytvoří volný proud taveniny směřující do otvoru v elektrodě. Ve větší vzdálenosti od základny kuželu, u jeho vrcholu a popřípadě po ještě dalším zvýšení napěťového spádu mezi oběma svorkami a pak se tento volný proud taveniny rozpadá do velkého počtu velmi malých kapek roztaveného kovu. Kapky jsou zhruba o desítkový řád nebo i více menší než otvor ústí trysky což znamená, že tak malé kapky by ztěží bylo možné vytvořit nějakým jiným způsobem. Kapky prolétnou otvorem v elektrodě a dopadají na výrobek, který se traverzérem přemisťuje postupně do takových poloh proti dráhám kapek, že dopadem a zachycením kapky se zhotovovaný výrobek zvětší právě ve směru odpovídajícím žádoucímu vzrůstu jeho rozměrů. Kovový výrobek tak postupně získává požadovaný tvar.

Výhodou tohoto uspořádání oproti dosud známým zařízením pro aditivní výrobu kovových výrobků je, že se pracuje s extrémně malými kovovými kapičkami, do jakých se rozpadá na špičce kapalinového kuželu zde vytvořený volný proud taveniny. To umožňuje vytvářet velmi přesně definované kovové povrchy. Protože je možné změnami elektrostatického pole měnit charakter základního kapalinového kuželu, je v tomto uspořádání možné měnit podle požadovaného charaktery výrobu i rychlost jeho zhotovování - zejména velké rozměry kapek tam, kde výroba má být zrychlena a výrobek nemá jemné detaily, a naproti tom u rozměry naopak mimořádně malé tak, kde takové detaily jsou nezbytné.

Ve výše popsaném základním uspořádání může být tvar vytvářených výrobků ještě být vcelku hrubý, s povrchem charakterizovaným značnou drsností. Tato drsnost není způsobena velikostí na povrch výrobku dopadajících kapiček kovu, které jsou i v základním uspořádání mimořádně malé, ale tím, že trajektorie pohybu kapek po jejich vytvoření nejsou zcela identické a mohou se navzájem o něco málo rozbíhat.

Vynález umožňuje další uspořádání, ve kterých se dosáhne možnost vytvářet výrobek s ještě hladším povrchem, a sice fokuzací jednotlivých trajektorií po nichž se vytvářené kapky pohybují tak, že se trajektorie sbíhají do extrémně malého místa na povrchu výrobku.

V ještě dalším alternativním uspořádání generátoru kapiček taveniny lze pak navíc zvýšit desintegračním působením časově proměnného napětí na kapalinový kužel energetickou efektivitu tvoření kapiček se současným ovládáním jejich velikosti.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na připojených obrázcích je schematicky naznačeno několik alternativních příkladů provedení zařízení podle vynálezu, kde na obr. 1 je nejjednodušší základní provedení určené ke zhotovování méně přesných výrobků, na obr. 2 je druhé, základní provedení. Je charakterizováno elektrostatickou fokuzací kapek, vytvářených z taveniny ohřáté svazkem světla laseru v zásobníku majícím charakter nádoby, na obr. 3 je znázorněn detail trysky a jejího okolí u druhého provedení s elektrostatickou fokuzací podle obr. 2 v situaci kdy je nulový napěťový rozdíl mezi součástkami vytvářejícími kapky kovu, na obr. 4 je stejný detail trysky a jejího okolí v provedení z obr. 3 zachycený právě v situaci kdy na taveninu v trysce působí velký napěťový rozdíl vytvářející kapky, na obr. 5 je jiné, třetí provedení s elektrostatickou fokuzací a roztaveným kovem v otevřené nádobě zásobníku, kde je ale tavenina vytvořena indukčním ohřevem a přitom jde o vytváření kapiček kovu který by za atmosférických podmínek rychle oxidoval. Tomu je u tohoto provedení zabráněno umístěním do plynotěsné skříně, s výhodou evakuované.

-3 CZ 2017 - 215 A3 na obr. 6 je detail čtvrtého příkladu uspořádání, s indukčním ohřevem taveniny a hlavně uzavřenou nádobou zásobníku, umožňující regulovat výtok taveniny tryskou, na obr. 7 je pátý příklad provedení, s odporovým ohřevem taveniny a s tlakovým řízením výtoku tryskou prostřednictvím tlakového regulátoru, na obr. 8 je detail okolí šestého příkladu provedení s pulsační dekompozicí vrcholu kapalného kuželu, na obr. 9 je sedmý příklad provedení, uzavřený vplynotěsné skříni a tlakovým řízením výtoku roztaveného kovu tryskou. Tento příklad se od předchozích liší magnetickou fokuzací trajektorií kapek na obr. 10 je v detailu devátý příklad provedení, charakteristický velmi malými rozměry zásobníku roztaveného kovu. Tavenina je produkována tavením konce přiváděného drátu účinkem laseru, na obr. 11 je pak desátý případ, který je zcela bez zásobníku roztaveného kovu. Tavenina je produkována účinkem laseru přímo na konec přiváděného drátu. Na tomto konci se přímo vytváří kapalinový kužel.

na posledním obr. 12 je poslední jedenáctý příklad provedení podobný provedení z obr. 5 avšak s tlakovým řízením průtoku tryskou a také s párem deflekčních elektrod sloužících pro jemné tvarování detailů zhotovovaného výrobku.

Příklad 1

Uspořádání znázorněné na obr, 1 je určeno k vytváření kovového výrobku 110, který je schematicky naznačen na pravé straně obrázku, z kapiček taveniny 100 která se vytváří a hromadí v zásobníku 1000 na levé straně obrázku. Tavení v něm způsobuje účinek výkonového zdroje 10 který na taveninu 100 působí například elektromagneticky, proudem urychlených elektronů, fotonů nebo přímo tepelnými účinky a/nebo jinými známými způsoby. Zásobník 1000 má v tomto případě tvar nahoře otevřené nádoby z elektricky vodivého materiálu, zvnějšku opatřeného tepelnou izolací 112. U dna nádoby je zásobník 1000 opatřen tryskou 101. pro výtok taveniny 100. Její výtokový otvor je natolik malý, že v základním stavu ze zásobníku 1000 tavenina 100 nevytéká protože jí v tom brání povrchové napětí na rozhraní mezi kapalinou a okolím. Tryska 101 je orientována proti povrchu zhotovovaného kovového výrobku 110 kam je směrována skrze otvor v první elektrodě 131, která je prstencového tvaru s otvorem uprostřed. Elektricky vodivý vnitřní povrch zásobníku 1000 je elektricky vodivě spojen s první svorkou

141. Naproti tomu první elektroda 131 je obdobně elektricky vodivě propojena s druhou svorkou

142.

Na začátku výrobní operace se v zásobníku 1000 vytvoří dostatečná zásoba taveniny 100. Poté se obě svorky 141 a 142 připojí na zdroj vysokého napětí, to způsobí, že se u ústí trysky 101. vytvoří kapalinový kužel 111, jehož tvar je určen vzájemnými poměry elektrostatické přitažlivé síly, povrchového napětí a posléze, když se tavenina 100 v kuželu dá do pohybu, uplatní se také její viskozita. Zvyšuje-li se intenzita působícího elektrostatického napětí, na špičce kuželu se vytvoří volný proud taveniny 100 směřující do otvoru v první elektrodě 131. Ve větší vzdálenosti od trysky 101 a popřípadě po ještě dalším zvýšení napěťového spádu mezi oběma svorkami 141 a 142 pak se tento volný proud rozpadá do velkého počtu velmi malých kapek roztaveného kovu. Kapky jsou zhruba o desítkový řád nebo i více menší než otvor ústí trysky 101. Tak malé kapky by ztěží bylo možné vytvořit nějakým jiným mechanismem.

Vytvářené kapky prolétnou otvorem v první elektrodě 131 a pokračují dále ve svém letu až dopadnou na povrch kovového výrobku 110 , kde se po dopadu uchytí. Traverzérem 121 je

-4CZ 2017 - 215 A3 kovový výrobek postupně posouván do míst dopadu kapek a tím získává požadovaný tvar. Tento tvar je v tomto případě celkem hrubý, ale to pro řadu výrobků není na závadu. Pokud v některém místě kovového výrobku 110 nemá být kovový materiál a pohyb traverzéru 121 takové místo nemůže obejít, vypne se dočasně přívod vysokého napětí mezi svorkami 141 a 142, takže kapky přestanou dopadat.

Příklad 2

Tam kde je požadován kvalitní povrch kovového výrobku 110 může být namístě použít druhé uspořádání znázorněné na obr. 2. Porovnáním s obr. 1 je patrné, že se oba obrázky liší pouze tím, že před ústím trysky 101 kromě první elektrody 131 jsou ještě druhá elektroda 132 a za ní pak třetí elektroda 133. Všechny elektrody 131 132 133 jsou osově symetrického tvaru uspořádané na společné ose a mají také všechny otvor uprostřed pro průlet kapiček taveniny 100. Navzájem se spolu nedotýkají, mezi každou dvojicí elektrod 131 132 nebo 132 133 je mezera. První elektroda 131 a třetí elektroda 134 jsou navzájem spolu elektricky propojeny vodičem který vede do druhé svorky 142. Druhá elektroda 132 s touto dvojicí elektricky spojena není, napětí na ní přiváděné je na třetí svorce 143.

Poměry v okolí ústí trysky 101 jsou v obou funkčních režimech popisovaného zařízení v provedení z obr. 2 nakresleny na obrázcích 3 a 4. Na obr. 3 je znázorněn detail trysky 101 a jejího okolí v situaci kdy je nulový napěťový rozdíl mezi svorkami 141 a 142. Naproti tomu na obr. 4 je stejný detail trysky 101 a jejího okolí v situaci kdy na taveninu 100 v trysce 101 právě působí velký napěťový rozdíl vytvářející kapky.

Při nulovém napěťovém rozdílu, jak je naznačený hodnotou „0 “ na obr. 3, tavenina 100 tryskou 101 nevytéká. Účinek hydrostatického tlaku sloupce roztaveného kovu nad ústím trysky 101 má sice snahu taveninu 100 vytlačovat tryskou 101 ven, ale tento účinek je zablokován povrchovým napětím na vrchlíku 121, který z ústí trysky 101 vyčnívá.

Po připojení vysokého napěťového rozdílu jaký je naznačen na obr. 4 hodnotou „Ui “ vytvoří se u ústí trysky 101 kužel 111 a jeho vrchol tavenina 101 ve formě extrémně malých kapek opouští. Pro znázornění probíhajícího děje jsou na obr. 4 kapky naznačeny jako tečky o průměru „d“ zatímco na obr. 3 je zakótován jako “D“ průměr ústí trysky 101 Skutečné rozměry kapiček taveniny 100 opouštějících kužel 111 jsou natolik malé, že není možné je na obr. 4 ve správném měřítku vůči průměru “D“ ústí trysky 101 vůbec zakreslit. Platí nerovnost D » d.

Fokuzační efekt válcových elektrod 131, 132 a 133 je v literatuře znám. Spočívá v geometrii elektrostatického pole v okolí mezer mezi dvojicí elektrod 131 a 132 a další dvojicí 132 a 133. Tečky reprezentující kapičky roztaveného kovu na obr. 4 naznačují průběh trajektorií kapek taveniny 100. Na vstupu do otvoru v první elektrodě 131 se trajektorie kapek taveniny 100 poněkud rozbíhají, ale postupně průchodem kolem obou mezer mezi elektrodami 131, 132 a 133 se trajektorie přemění tak, že se sbíhají právě do místa kde má být lokálně zvětšen tvar kovového výrobku 110. Ve srovnání s příkladem na obr. 1, je u tohoto druhého příkladu na obr. 2, 3 a 4 jiné uspořádání uzemnění. Snahou je, aby byl nulový napěťový rozdíl složitým tvarem kovového výrobku 110 a poslední, třetí elektrodou 133 nekomplikoval geometrii elektrického pole a tedy trajektorie kapek, což by mohlo nastat vzhledem k často složitému a v průběhu výroby se měnícímu tvaru výrobku 110. Tomu se zabrání tím, že jak třetí elektroda 133 tak i výrobek 100 jsou uzemněny.

Druhá elektroda 132 a její třetí svorka 143 budou v tomto režimu sice skoro na stejném napětí jako první svorka 141 a mohly by v principu být spolu elektricky spojeny, ale je účelné aby třetí svorka 143 byla napěťově nezávisle nastavitelná. To umožní regulovat fokuzační efekt. Regulovatelné fokuzační napětí je na obr. 4 naznačeno jako „U3“

-5 CZ 2017 - 215 A3

Příklad 3

Třetí příklad uspořádání zařízení podle vynálezu, naznačený na obr, 5, se jen málo liší od obou výše popsaných. První odlišností je konkrétní provedení výkonového zdroje 10, který byl u příkladů z obr. 1 a obr. 2 naznačen jen blokovým schématem. Na obr. 5 je zakreslen indukční ohřev taveniny 100. Slouží k tomu dutá indukční cívka 180 tvořená několika málo závity měděné trubky. Dutinou v trubce protéká chladicí voda.

Druhou, na první pohled nápadnou odlišností, je uzavření celé soustavy do skříně 191 nahoře s utěsněným víkem 192. Takto upravené zařízení umožňují práci s takovými kovy, které při zvýšené teplotě velmi rychle oxidují chemickou reakci se vzdušným kyslíkem. Tomu se zabrání tím, že skříň 191 je buď naplněná inertním plynem, nebo je v ní vakuum.

Poslední zvláštností provedení naznačeného na obr. 5 je uspořádání svorek elektrických obvodů. Podobně jako na obr. 2, 3 a 4 je tavenina 100 elektricky spojena s první svorkou 141 a výrobek 110 je spojen s uzemněním 146. S tímto uzemněním 146 však v tomto příkladu provedení není spojena první elektroda 131, která je zde vodivě spojena se druhou svorkou 142, Podobně druhá elektroda 132 je nezávisle vyvedena na třetí svorku 143.

Přiváděnými nezávisle nastavitelnými třemi napěťovými rozdíly pak probíhá řízení procesu následovně: napětím na tavenině 100 proti výrobku 110 se řídí výsledné urychlení kapek před jejich dopadem. Napěťový rozdíl mezi první svorkou 141 a druhou svorkou 142 pak nezávisle řídí elektrostatické pole způsobující vytvoření kuželu 111. Napětím na třetí svorce 143 vůči zemi se pak řídí fokuzace jak je její funkce popsána ve spojitosti s obr. 4.

Příklad 4

Na obr. 6 je pouze detail tohoto příkladu uspořádání, s indukčním ohřevem taveniny 100 a hlavně s uzavřenou nádobou zásobníku 1000, umožňující regulovat výtok taveniny tryskou. Jako v příkladu na obr. 5 i zde je ohřev taveniny 100 v zásobníku 1000 proveden indukčním ohřevem dutou indukční cívkou 180 jejíž vnitřním prostorem protéká kapalné chladivo přiváděné přívodem chladivá 181a odváděné odvodem chladivá 182. Indukční cívka 180 obklopuje spodek zásobníku 194 v němž je tavenina 100. Svrchu je prostor nad taveninou 100 uzavřen víkem zásobníku 193. Tímto víkem zásobníku 193 procházejí jednak tlakový vývod 203, jednak vývod do manometru 201. Zatímco podle obr. 3 vzdorovalo při vypnutí napěťového rozdílu jaký je naznačen na obr. 4 hodnotou „ Ui “ účinkům tlakového sloupce taveniny 100 nad tryskou 101 pouze povrchové napětí na vrchlíku 121, který z ústí trysky 101 vyčnívá, v uspořádání podle obr. 6 působí proti tomuto hydrostatickému tlaku navíc ještě podtlak nad hladinou taveniny 100 . Tento podtlak je možné přesně regulovat pomocí manometru 201. naopak, pokud nastane situace kdy by povrchové napětí příliš vzdorovalo vytvoření kuželu 111, je možné výtok tryskou 101 zvětšit působením tlaku plynu nad hladinou taveniny 100. Dokonce je v principu možné vyvolat tímto přetlakem dočasný výtok taveniny 100 tryskou 101 ve velkém množství, čímž se urychlí zhotovování výrobku 110 v takových jeho místech, kde na kvalitě povrchu nezáleží a tvorba velmi malých kapiček z konce kuželu 111 by zbytečně výrobní proces prodlužovala.

Příklad 5

Také na obr. 7 je pro tento příklad provedení nakreslen pouze detail uzavřené nádoby zásobníku 1000. I zde je tavenina 100 ve spodku zásobníku 194 a svrchu je prostor nad taveninou 100 uzavřen víkem zásobníku 193 pod nímž lze nastavovat hodnotu přetlaku nebo naopak podtlaku. Víkem zásobníku 193 procházejí jednak tlakový vývod 203, jednak vývod do regulátoru tlaku 304. Ten ovládá regulační ventil 303 v tlakovém vývodu 203 a zajišťuje tak stálost nastavených poměrů v zásobníku 1000.

-6CZ 2017 - 215 A3

V tomto uspořádání je jinak než u výše popsaných příkladů proveden výkonový zdroj 10 který taví taveninu 100. Jde zde o odporový ohřev velkým elektrickým proudem procházejícím ze svorky tavení 241 a první svorky 141 skrze taveninu 100, a sice přes elektrodu tavení 136 a vodivý vnitřní povrch spodku zásobníku 194

Příklad 6

Za velmi důležitý příklad provedení se považuje uspořádání, jehož podstatná část tryska 101 a její okolí, je naznačena v hodní části obr. 8 a v dolní části téhož obrázku je znázorněn příklad časového průběhu napětí.

Některým ze známých způsobů se v tomto případě vytváří vysoké napětí označené „U“ mezi vnitřním vodivým povrchem spodku zásobníku 194 a první elektrodou 131. Toto napětí obsahuje na základní konstantní průběh „Ui“ superponované nestacionarity „U2“ Na obr. 8 je naznačen průběh napětí v případě, kdy nestacionarity „U2“ mají charakter periodicky se opakujících napěťových pulsů. Při každém pulsu se změní silové rovnováhy na kuželu 111, na jehož tvar působí jednak elektrostatické síly, jednak povrchové napětí a konečně též viskozita. Změna má za následek vytvoření povrchových vln - které ovšem musely být pro názornost na obr. 8 nakresleny neúměrně velké. Vlny postupně vedou ktomu, že se kužel rozpadá. Je tak možné vytvářet jednak kapky taveniny 100 různě velké, podle lokální potřeby kvality povrchu na výrobku 110 — a je možné takto podporovat tvorbu kapiček a tím zmenšit energetickou náročnost prováděného zhotovování výrobků 110.

Příklad 7

Na obr. 9 je znázorněn příklad provedení charakterizovaného opět uzavřením v plynotěsné skříni 191 a tlakovým řízením výtoku roztaveného kovu tryskou 101. Od předchozích popisovaných uspořádání se tentokrát liší jiným způsobem fokuzace trajektorií kapek. Jde o fokuzaci magnetickou Lorentzovou silou, jíž vyvolá pole přerušeného magnetického obvodu fokuzační cívky 188. Kapky kovu, popřípadě již během svého letu ztuhé, jsou urychlovány napěťovým spádem mezi na jedné straně první svorkou 141 propojenou elektricky s vnitřkem spodku zásobníku 194 a na druhé straně druhou svorkou 142 elektricky propojenou s první elektrodou 103. Pokud kapky na své dráze ztuhnou, což je možné vzhledem k jejich velmi malému objemu, může být nutné je před dopadem na výrobek 110 opět ohřát, což je zde dosaženo symbolicky naznačeným svazkem paprsků 102 laseru soustředěných optikou 104. na povrch výrobku 110. Může být dokonce účelné za některých podmínek zajistit ztuhnutí kapek. Ve většině situací je výhodnější aby děj probíhal ve vakuu. Může ale také probíhat v inertním plynu přiváděném prvním plynovým přívodem 202 a odsáván prvním plynovým vývodem 204.

Příklad 8

Z energetického hlediska může být nevýhodou dosud popisovaných uspořádání s předem vytvořenou taveninou 100 v dosti velkém zásobníku 1000 ztráta únikem tepla, kterou není možné úplně eliminovat je nutné jí kompenzovat dalším přívodem tepelné energie. Projevuje se zejména jako podstatný ztrátový faktor v době, kdy traverzér 121 pohybuje výrobkem 110 přes místa kam kovové částice nemají být přidávány a veškerý příkon slouží právě jen k hrazení tepelných ztrát. Může být účelné použít výkonnější zdroj tepla aktivovaný jen mají-li právě částice být vytvářeny. Případně lze oba přístupy kombinovat tak, jak je naznačeno u příkladu provedení na obr. 11. Jde tam o ohřev laserovým výkonovým zdrojem 10 s pouze malým objemem taveniny 100 vytvářené tavením konce drátu 120 podávaného mechanismem posuvu 123.

Příklad 9

Krajní případ myšlenky sledované na obr. 11 podává pak desátý příklad provedení podle vynálezu, který je zobrazen na obr. 12. Nádoba na akumulaci taveniny 100 zde zcela odpadá,

-7 CZ 2017 - 215 A3 pracuje se jen s množstvím vytvořeným v okamžiku potřeby tavením konce drátu 120 podávaného mechanismem posuvu 123. Malé právě zpracovávané množství taveniny 100 se na konci drátu 120 udrží povrchovým napětím. Kužel 111 se vytváří tak, že průměr jeho základny je zhruba roven průměru drátu 120, Další výhodou tohoto uspořádání je miniaturizace rozměrů generátoru kapek, což umožňuje osadit zařízení více generátory kapek pracujícími každý s jiným kovem. To dává možnost vytvářet výrobky s heterogenní strukturou popřípadě slitiny se složením měnícím se na výrobku 110 od místa k místu.

Příklad 10

V tomto příkladu provedení jde o uspořádání velmi podobné výše popsanému obr. 5. Zařízení je umístěno ve skříni 191 evakuované nebo s náplní inertního plynu aby se zabránilo oxidaci zpracovávaného kovu. Tavenina 100 se po dobu než je zapotřebí k tvorbě kapek shromažďuje v zásobníku 1000 s řízeným tlakem nad hladinou, ohřívaným indukčně. Zásadně nové je to, že na konci trajektorie kapek za třetí elektrodou 133 jsou umístěny ještě vychylovací elektrody, a sice dvojice horizontálních deflekčních elektrod 144 a dále dvojice vertikálních deflekčních elektrod 145. Ty slouží ke zhotovení jemných detailů na povrchu zhotovovaného výrobku 110. Umožňují aby traverzér 121 mohl pracovat s delším krokem mezi polohami a fungoval tedy rychleji, čímž se zvýší produktivita výrobního procesu.

Průmyslová využitelnost

Předmět vynálezu zhotovování předmětů z kovových materiálů, je určen k všeobecnému uplatnění v technice všude tam, kde se dosud jinými způsoby zhotovují kovové výrobky. Zejména jde o obor strojního inženýrství, kde může účinně nahradit dosavadní způsoby výroby zvláště jde-li o výrobky složitých tvarů.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (7)

1. Způsob zhotovování kovových výrobků vyznačující se tím, že z taveniny kovu, která se vytváří působením tepelného výkonového zdroje, se tvoří kapky u vrcholu kapalinového kuželu, který se předtím vytvořil místním vystavením taveniny účinkům elektrostatického pole působícím mezi taveninou a nejméně jednou elektrodou a tyto kapky se pak elektrostatickým polem urychlují a účinkem interakc svého náboje a náboje elektrody se vedou na určené místo povrchu zhotovovaného výrobku, který se postupně přemisťuje do takových poloh proti dráhám kapek, že dopadem a zachycením kapky a jejím ztuhnutím se zhotovovaný výrobek zvětší právě ve směru odpovídajícím žádoucímu vzrůstu rozměrů výrobku.

2. Způsob zhotovování kovových výrobků podle bodu 1 vyznačující se tím, že se opakovaně, zejména například periodicky pravidelně, zmenšuje elektrické napětí které se přivádí na elektrodu zatímco tavenina je uzeměna.a tím se přerušuje tvoření kapalinového kuželu.

3. Způsob zhotovování kovových výrobků podle bodu 1 vyznačující se tím,

-8CZ 2017 - 215 A3 že se opakovaně zmenšuje elektrické napětí přiváděné na elektricky vodivou dutinu obsahující taveninu zatímco elektroda je uzeměna.

4. Způsob zhotovování kovových výrobků podle bodu 1 vyznačující se tím, že se opakovaně zmenšuje elektrické napětí přiváděné na kovový drát u jehož konce se vytváří kapalinový kužel roztaveného kovu.

5. Zařízení k provádění způsobu podle bodu 1 s traverzérem pro přemisťování s ním dočasně spojeného zhotovovaného výrobku vyznačující se tím, že tepelný výkonový zdroj (10), jako je například laser nebo indukční ohřívací ústrojí, má proti povrchu zhotovovaného výrobku (110) přístupný povrch taveniny (100), která je napojena na první svorku (141) elektrického obvodu a proti tomuto přístupnému povrchu taveniny (100) je nejméně jedna elektroda, například první elektroda (141) opatřená otvorem a elektricky napojená na druhou svorku (142) elektrického obvodu, a přístupný povrch taveniny (100) je umístěn proti tomuto otvoru v elektrodě.

6. Zařízení k provádění způsobu podle bodu 5 vyznačující se tím, že výkonový zdroj (10) zasahuje svojí aktivní částí do zásobníku (1000) obsahujícím taveninu (100).

7. Zařízení k provádění způsobu podle bodu 5 vyznačující se tím, že výkonový zdroj (10) zasahuje svojí aktivní částí proti konci kovového drátu (130) jenž je v mechanickém kontaktu s mechanismem posuvu (123) a elektrickém kontaktu s první elektrodou (131)