EA045176B1 - DEVICE AND PRODUCTION METHOD - Google Patents
DEVICE AND PRODUCTION METHOD Download PDFInfo
- Publication number
- EA045176B1 EA045176B1 EA201892335 EA045176B1 EA 045176 B1 EA045176 B1 EA 045176B1 EA 201892335 EA201892335 EA 201892335 EA 045176 B1 EA045176 B1 EA 045176B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- metal product
- metal
- cathode
- product
- starting material
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 99
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 227
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 226
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 116
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 59
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 59
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 50
- 239000007858 starting material Substances 0.000 claims description 50
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 38
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 34
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 30
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 claims description 29
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 24
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 21
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 16
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 13
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 11
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 10
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 10
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 8
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 3
- 239000006148 magnetic separator Substances 0.000 claims description 3
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 3
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 claims description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 100
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 12
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000004484 Briquette Substances 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 238000007885 magnetic separation Methods 0.000 description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 2
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009435 building construction Methods 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004210 cathodic protection Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000012958 reprocessing Methods 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 238000005200 wet scrubbing Methods 0.000 description 1
Description
Область техникиField of technology
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для производства металлического изделия и к металлическому изделию, а конкретно - к устройству, способу и изделию, связанным с аддитивным производством.The present invention relates to a device and method for producing a metal product and to a metal product, and more specifically to a device, method and product related to additive manufacturing.
Предшествующий уровень техникиPrior Art
Титан обычно производится в промышленности с применением процессов Кролля и Хантера. Эти процессы осуществляются в очень крупном масштабе, являются энергоемкими и включают использование загрязняющих веществ, таких как хлор. Продукт обоих процессов представляет собой твердую массу из титановой губки, и для изготовления изделий из титана или титанового сплава из этой губки требуются существенные дополнительные расходы и энергозатраты с применением процессов консолидации, переплавки и механической обработки.Titanium is typically produced industrially using the Kroll and Hunter processes. These processes are carried out on a very large scale, are energy intensive and involve the use of pollutants such as chlorine. The product of both processes is a solid mass of titanium sponge, and manufacturing titanium or titanium alloy products from this sponge requires significant additional costs and energy inputs using consolidation, melting and machining processes.
Полезно рассмотреть отношение массы титановой губки, которая должна быть произведена с применением процесса Кролля или Хантера, к массе титана, которая используется в готовом продукте, изготовленном из этой губки. (Компоненты из титана или титанового сплава часто назначают для использования в самолетах благодаря высокой прочности и низкой плотности титана, поэтому специалисты в данной области иногда называют упомянутое выше отношение, как коэффициент использования материала.) Это отношение обычно составляет от 3:1 до 10:1. Неиспользуемый материал обычно теряется во время механической обработки и имеет нежелательно высокое содержание кислорода, так что он не может быть легко утилизирован. Высокий коэффициент использования материала является важным показателем высокой стоимости традиционных изделий, произведенных из титана, а также нежелательно высокой вложенной энергии в эти изделия.It is useful to consider the ratio of the weight of titanium sponge that must be produced using the Kroll or Hunter process to the weight of titanium that is used in the finished product made from that sponge. (Titanium or titanium alloy components are often specified for aircraft use due to titanium's high strength and low density, so those skilled in the art sometimes refer to the above ratio as the material utilization ratio.) This ratio is typically between 3:1 and 10:1 . Unused material is usually lost during machining and has an undesirably high oxygen content so that it cannot be easily recycled. High material utilization is an important indicator of the high cost of traditional titanium products, as well as the undesirably high energy input of these products.
Хотя эти соображения описаны здесь по отношению к титану и титановым сплавам, аналогичные проблемы возникают при изготовлении изделий из других металлов.Although these considerations are described here in relation to titanium and titanium alloys, similar problems arise when making products from other metals.
Следовательно, существует техническая и коммерческая необходимость в другом подходе к изготовлению металлических изделий, таких как изделия из титана и титановых сплавов.Consequently, there is a technical and commercial need for a different approach to the manufacture of metal products, such as products from titanium and titanium alloys.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Настоящее изобретение предоставляет устройство, способ, продукт, а также способ и систему управления, как определено в независимых пунктах прилагаемой формулы изобретения, на которую теперь следует сделать ссылку. Предпочтительные и преимущественные отличительные признаки изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.The present invention provides an apparatus, a method, a product, and a method and control system, as defined in the independent claims of the appended claims, to which reference is now made. The preferred and advantageous features of the invention are set out in the dependent claims of the invention.
В первом аспекте настоящее изобретение может предоставить производственное устройство для производства металлического изделия, содержащее восстановительное устройство для электрохимического восстановления исходного материала до металлического продукта, обрабатывающий блок для преобразования металлического продукта в металлический порошок и устройство аддитивного производства для изготовления металлического изделия из металлического порошка. Предпочтительно восстановительное устройство, обрабатывающий блок и устройство аддитивного производства располагаются рядом или на одном и том же участке и могут быть расставлены и управляться соответствующим образом запрограммированным контроллером для получения синергетического эффекта. Например, восстановительное устройство может управляться так, чтобы получить требуемый металлический продукт для обработки обрабатывающим блоком с формированием требуемого металлического порошка. Затем порошок подают в устройство аддитивного производства для изготовления требуемого изделия. Таким образом, можно так управлять восстановительным устройством и обрабатывающим блоком, чтобы получить требуемый металлический порошок только тогда, когда или незадолго до того, как этот порошок потребуется для использования в устройстве аддитивного производства, сокращая отходы и уменьшая необходимость хранения или накапливания порошка, который пока не требуется для аддитивного производства.In a first aspect, the present invention can provide a production apparatus for producing a metal product, comprising a reduction device for electrochemically reducing a raw material to a metal product, a processing unit for converting the metal product into a metal powder, and an additive manufacturing device for producing a metal product from the metal powder. Preferably, the recovery device, the processing unit and the additive manufacturing device are located adjacent or in the same area and can be arranged and controlled by a suitably programmed controller to obtain a synergistic effect. For example, the reduction device may be controlled to obtain a desired metal product for processing by the processing unit to form the desired metal powder. The powder is then fed into an additive manufacturing device to produce the desired product. In this way, the recovery device and processing unit can be controlled to produce the desired metal powder only when or shortly before the powder is needed for use in the additive manufacturing device, reducing waste and reducing the need to store or stockpile powder that is not yet available. required for additive manufacturing.
В противоположность этому, традиционные процессы аддитивного производства требуют хранения или транспортировки металлического порошка. Исключение этих требований особенно важно для определенных металлических материалов, таких как титан и титановые сплавы, где необходимо тщательно контролировать условия хранения и транспортировки, чтобы предотвратить деградацию порошка и избежать рисков для безопасности, таких как возможность воспламенения.In contrast, traditional additive manufacturing processes require metal powder to be stored or transported. Eliminating these requirements is especially important for certain metal materials, such as titanium and titanium alloys, where storage and transport conditions must be carefully controlled to prevent powder degradation and avoid safety risks such as ignition potential.
В настоящем документе ссылки на титановые сплавы могут относиться к сплавам на основе титана, содержащим более чем 50 мас.% титана.As used herein, references to titanium alloys may refer to titanium-based alloys containing more than 50 wt.% titanium.
Для удобства монтажа и эксплуатации восстановительное устройство, обрабатывающий блок и устройство аддитивного производства могут быть размещены в контейнере или в передвижном здании. Этот контейнер или здание могут быть передвижными, чтобы обеспечить возможность централизованного производства и сборки производственного устройства, например на заводе, перед транспортировкой этого устройства как единого целого на участок производства металлических изделий. Устройство можно транспортировать любым удобным способом, например любым способом контейнерных перевозок.For ease of installation and operation, the recovery device, processing unit and additive manufacturing device can be placed in a container or in a mobile building. The container or building may be movable to allow the manufacturing device to be centrally manufactured and assembled, for example in a factory, before transporting the device as a unit to a metal products manufacturing site. The device can be transported in any convenient way, for example by any method of container transportation.
Такое устройство можно транспортировать, например, на строительную площадку здания, или на сезонное промышленное предприятие, или в зону бедствия, где может быть желательно производить металлические изделия. Аддитивное производство в таких условиях дает большую свободу изготовления изделий различной формы, а устройство позволяет использовать различное исходные материалы, так чтоSuch a device may be transported, for example, to a building construction site, or to a seasonal industrial facility, or to a disaster area where it may be desirable to produce metal products. Additive manufacturing in such conditions gives greater freedom to manufacture products of various shapes, and the device allows the use of different starting materials, so that
- 1 045176 металлические изделия могут быть при необходимости изготовлены из различных металлов или сплавов.- 1 045176 metal products can, if necessary, be made of various metals or alloys.
Предпочтительно эти смежные устройства могут быть реализованы в недоступных в другом отношении местах, например, на корабле, где может быть желательно производить металлические изделия. Еще одним преимуществом такого расположения является то, что необходимо хранить только неметаллический исходный материал для производственного процесса, а не металлический порошок для аддитивного производства, который может быть горючим или со временем деградировать из-за окисления.Advantageously, these adjacent devices may be implemented in otherwise inaccessible locations, such as on a ship, where it may be desirable to produce metal products. Another advantage of this arrangement is that only the non-metallic feedstock for the manufacturing process needs to be stored, rather than metal powder for additive manufacturing, which may be flammable or degrade over time due to oxidation.
Преимущественно восстановительное устройство содержит электрохимическую ячейку, в которой в процессе эксплуатации анод и катод контактируют с расплавленной солью, а исходный материал контактирует с катодом и расплавленной солью. Источник электропитания прикладывает катодный потенциал к катоду, так что исходный материал восстанавливается до металлического продукта. В связи с этим можно использовать процесс электровосстановления или электроразложения, описанный, например, в заявке WO 99/64638. Исходный материал преимущественно находится в форме порошка и преимущественно восстанавливается в металлический продукт в форме металлических частиц, соответствующих частицам порошка исходного материала. (Металлические частицы в этом продукте могут быть частично спечены в процессе восстановления и преимущественно могут быть отделены с помощью процесса дробления или измельчения.)Advantageously, the reduction device comprises an electrochemical cell in which, during operation, the anode and cathode are in contact with molten salt, and the feed material is in contact with the cathode and molten salt. The power supply applies a cathodic potential to the cathode so that the starting material is reduced to a metallic product. In this regard, it is possible to use an electroreduction or electrodecomposition process as described, for example, in WO 99/64638. The starting material is advantageously in powder form and is advantageously reduced to a metal product in the form of metal particles corresponding to the powder particles of the starting material. (The metal particles in this product may be partially sintered during the reduction process and can advantageously be separated by a crushing or grinding process.)
Кроме того, восстановительное устройство может содержать загрузочный блок для подачи исходного материала на катод и нагреватель для предварительного нагрева исходного материала и катода с целью погружения в расплавленную соль, чтобы избежать теплового удара или нежелательного охлаждения расплавленной соли при погружении катода. Катод может иметь форму лотка, содержащего плоское основание и выступающий периферийный фланец по кромке для удержания слоя исходного материала в виде порошка. После восстановления катод, несущий металлический продукт, предпочтительно извлекается из электрохимической ячейки и может быть перемещен в охлаждающий блок для охлаждения катода и металлического продукта перед обработкой продукта в обрабатывающем блоке.In addition, the reduction device may include a charging unit for supplying the feed material to the cathode and a heater for preheating the feed material and the cathode for immersion in the molten salt to avoid thermal shock or unwanted cooling of the molten salt when the cathode is immersed. The cathode may be in the form of a tray containing a flat base and a projecting peripheral flange along the edge for holding a layer of powdered feed material. After reduction, the cathode carrying the metal product is preferably removed from the electrochemical cell and may be transferred to a cooling unit to cool the cathode and the metal product before processing the product in the processing unit.
В предпочтительном варианте осуществления катод, несущий исходный материал, установлен с возможностью перемещения в горизонтальном направлении внутри или из загрузочного блока до положения под анодом, после чего анод и катод можно опустить вертикально в расплавленную соль. После восстановления исходного материала до металлического продукта анод и катод, несущий металлический продукт, могут быть подняты вертикально из расплавленной соли перед тем, как катод, несущий металлический продукт, перемещается по горизонтали в охлаждающий блок. Горизонтальное движение катода и исходного материала, а также катода и металлического продукта после восстановления выбрано для того, чтобы повысить автоматизацию процесса восстановления и обеспечить удобное расположение загрузочного блока и охлаждающего блока рядом с электрохимической ячейкой с целью уменьшения объема устройства и места, необходимого для его размещения. Таким образом, горизонтальные и вертикальные перемещения катода и вертикальное движение анода могут контролироваться и выполняться автоматизированным оборудованием.In a preferred embodiment, the cathode carrying the feed material is positioned to move horizontally within or out of the charge block to a position below the anode, after which the anode and cathode can be lowered vertically into the molten salt. After the feed material has been reduced to a metal product, the anode and cathode carrying the metal product can be lifted vertically from the molten salt before the cathode carrying the metal product is moved horizontally into the cooling block. The horizontal movement of the cathode and feed material, as well as the cathode and metal product after reduction, is chosen to increase the automation of the reduction process and to conveniently locate the loading block and cooling block near the electrochemical cell to reduce the volume of the device and the space required for its placement. In this way, the horizontal and vertical movements of the cathode and the vertical movement of the anode can be controlled and performed by automated equipment.
После электровосстановления металлический продукт обрабатывается в обрабатывающем блоке, где продукт сначала преимущественно промывают для удаления любой соли, остающейся на продукте после охлаждения. Обрабатывающий блок может дополнительно содержать измельчитель или дробилку, предназначенные для измельчения или дробления металлического продукта с получением металлических частиц из этого продукта. Не все эти частицы могут иметь одинаковую форму или размер, но может оказаться возможным использовать эти металлические частицы в качестве металлического порошка для аддитивного производства после процесса измельчения, без дополнительных стадий обработки, если свойства частиц подходят для применения в процессе аддитивного производства. Например, процесс аддитивного производства, такой как плазменное напыление, может быть относительно терпимым к размеру и форме частиц, и поэтому измельченные частицы могут быть подходящими для этого.After electroreduction, the metal product is processed in a processing unit where the product is first advantageously washed to remove any salt remaining on the product after cooling. The processing unit may further comprise a grinder or crusher for grinding or crushing the metal product to produce metal particles from the product. Not all of these particles may have the same shape or size, but it may be possible to use these metal particles as metal powder for additive manufacturing after the grinding process, without additional processing steps, if the properties of the particles are suitable for use in the additive manufacturing process. For example, an additive manufacturing process such as plasma spraying may be relatively tolerant of particle size and shape, and therefore ground particles may be suitable for this.
Другие процессы аддитивного производства могут потребовать дополнительной обработки частиц, прежде чем их можно будет использовать, и в этом случае обрабатывающий блок может содержать классификатор или сито для отделения металлических частиц заданного диапазона размеров, предназначенных для образования металлического порошка. Обрабатывающий блок может дополнительно содержать сфероидизирующее устройство для сфероидизации классифицированных металлических частиц для получения металлического порошка.Other additive manufacturing processes may require additional processing of the particles before they can be used, in which case the processing unit may contain a classifier or screen to separate metal particles of a given size range to form a metal powder. The processing unit may further comprise a spheroidizing device for spheroidizing the classified metal particles to produce a metal powder.
В зависимости от исходного материала, используемого для электролитического восстановления, эти металлические частицы могут включать частицы примесей, которые должны быть удалены перед процессом аддитивного производства. Если в процессе аддитивного производства используется, например, титановый порошок, то титановый исходный материал может содержать примеси, такие как железо, которое обычно встречается в комбинации с титановыми рудами. В этом случае обрабатывающий блок может содержать устройство для удаления нежелательных частиц, таких как частицы примесей. Этот блок может содержать, например, магнитный сепаратор для отделения ферромагнитных частиц от неферромагнитных частиц в металлических частицах или флотатор для удаления частиц низкой или высокой плотности.Depending on the feed material used for electrolytic reduction, these metal particles may include impurity particles that must be removed before the additive manufacturing process. If the additive manufacturing process uses titanium powder, for example, the titanium starting material may contain impurities such as iron, which is usually found in combination with titanium ores. In this case, the processing unit may include a device for removing unwanted particles, such as impurity particles. This unit may comprise, for example, a magnetic separator for separating ferromagnetic particles from non-ferromagnetic particles in the metal particles or a flotator for removing low or high density particles.
Исходный материал преимущественно находится в форме порошка металлического соединения илиThe starting material is preferably in the form of a metal compound powder or
- 2 045176 смеси металлических соединений, содержащих металлические элементы, необходимые для требуемого металлического порошка. Исходный материал может иметь размер частиц или распределение частиц по размерам, который при восстановлении образует металлический порошок с подходящим размером частиц или подходящим распределением частиц по размерам.- 2 045176 mixtures of metal compounds containing metal elements necessary for the required metal powder. The starting material may have a particle size or particle size distribution that, when reduced, forms a metal powder with a suitable particle size or particle size distribution.
В предпочтительном варианте осуществления устройство аддитивного производства может содержать такое устройство, как 3D-принтер, блок селективной лазерной плавки, блок селективного лазерного спекания, блок селективной электронно-лучевой плавки или другое устройство для производства требуемого металлического изделия из металлического порошка. Другой опцией может быть устройство для напыления покрытия, такое как устройство для плазменного напыления покрытия.In a preferred embodiment, the additive manufacturing device may comprise a device such as a 3D printer, selective laser melting unit, selective laser sintering unit, selective electron beam melting unit, or other device for producing the desired metal product from metal powder. Another option may be a spray coating device, such as a plasma spray coating device.
В устройствах аддитивного производства различных типов значительная доля металлического порошка, подаваемого в это устройство аддитивного производства, не образует часть металлического продукта, а окисляется в процессе аддитивного производства с образованием окисленного металлического порошка. Например, в устройстве для 3D-печати, таком как устройство для селективной лазерной плавки, последовательные слои металлического порошка осаждают на плите устройства и каждый слой сканируют лазером для локального расплавления порошка и формирования требуемого изделия.In various types of additive manufacturing devices, a significant proportion of the metal powder fed into the additive manufacturing device does not form part of the metal product, but is oxidized during the additive manufacturing process to form oxidized metal powder. For example, in a 3D printing device, such as a selective laser melting device, successive layers of metal powder are deposited on a platen of the device and each layer is scanned by a laser to locally melt the powder and form the desired product.
Порошок, который не расплавляют для формирования части изделия, может быть удален из слоя и в некоторых случаях может быть повторно использован для аддитивного производства других изделий, но во многих случаях его нельзя использовать повторно, поскольку этот порошок, расположенный вблизи сканирующего лазерного или электронного луча, нагревается во время аддитивного производства и может деградировать под действием нагрева, даже если процесс селективной плавки проводят в среде инертного газа. Например, если порошок представляет собой порошок титана, нагрев приводит к растворению поверхностного слоя оксида в объеме частиц, которые были нагреты. При охлаждении кислород остается в объеме частицы, а когда частица подвергается воздействию воздуха, образуется новый поверхностный оксидный слой. Таким образом, содержание кислорода в частице возрастает, так что процесс аддитивного производства приводит к образованию окисленных металлических частиц (несмотря на то, что этот процесс проводят в инертной атмосфере).Powder that is not melted to form part of the product can be removed from the layer and in some cases can be reused for additive manufacturing of other products, but in many cases it cannot be reused because the powder, located near the scanning laser or electron beam, heats up during additive manufacturing and can be degraded by heat, even if the selective smelting process is carried out under an inert gas environment. For example, if the powder is titanium powder, heating causes the surface oxide layer to dissolve within the bulk of the particles that have been heated. When cooled, oxygen remains in the bulk of the particle, and when the particle is exposed to air, a new surface oxide layer is formed. Thus, the oxygen content of the particle increases, so that the additive manufacturing process results in the formation of oxidized metal particles (despite the fact that the process is carried out in an inert atmosphere).
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения эту проблему можно решить путем повторной обработки окисленного металлического порошка в электролитической ячейке. Другими словами, окисленный металлический порошок, образовавшийся в процессе аддитивного производства, может быть использован в качестве исходного материала или в качестве компонента исходного материала для восстановительного устройства. Этот окисленный металлический порошок может быть эффективно обработан таким методом с целью снижения содержания кислорода и оптимизации его для последующего использования в устройстве аддитивного производства.In accordance with another aspect of the present invention, this problem can be solved by reprocessing the oxidized metal powder in the electrolytic cell. In other words, the oxidized metal powder generated by the additive manufacturing process can be used as a starting material or as a component of a starting material for a reduction device. This oxidized metal powder can be effectively processed by this method to reduce the oxygen content and optimize it for subsequent use in an additive manufacturing device.
Окисленный металлический порошок может быть загружен в таком виде на катод для электролитического восстановления или может быть смешан со свежим исходным материалом в форме соединения металла или руды для получения требуемого металлического порошка. Решение о том, какой вариант выбрать, зависит от требуемого состава металлического порошка и количеств доступного окисленного металлического порошка и доступного свежего исходного материала. Может быть выгодным смешать часть окисленного металлического порошка с частью свежего исходного материала на катоде, чтобы ускорить электровосстановление этого свежего материала за счет повышения электропроводности массы исходного материала на катоде, благодаря металлической сущности окисленного металлического порошка, смешанного с порошком непроводящего соединения металла.The oxidized metal powder may be loaded as such onto a cathode for electrolytic reduction or may be mixed with fresh starting material in the form of a metal compound or ore to obtain the desired metal powder. The decision of which option to select depends on the required composition of the metal powder and the amounts of available oxidized metal powder and available fresh starting material. It may be advantageous to mix a portion of the oxidized metal powder with a portion of the fresh feed material at the cathode to accelerate the electroreduction of that fresh material by increasing the electrical conductivity of the mass of feed material at the cathode due to the metallic nature of the oxidized metal powder mixed with the non-conductive metal compound powder.
Значительное преимущество предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения заключается в адаптивности устройства для получения металлических изделий из различных металлических композиций в широком диапазоне, включая высокоэффективные металлические композиции для технически передовых применений, например для медицинской аппаратуры или для медицинских имплантатов, или для аэрокосмических применений. Весьма важен контроль качества металлического порошка, используемого для аддитивного производства таких изделий, а также контроль состава используемого сплава. Если необходимо, чтобы устройство аддитивного производства имело возможность изготавливать изделия для различных применений, в устройство аддитивного производства необходимо подавать высококачественные металлические порошки с определенным составом сплава, требуемым для каждого применения. Для обеспечения такой адаптивности и высокого качества оператору устройства аддитивного производства обычно приходится поддерживать запасы всех сплавов, которые могут понадобиться, и хранить эти запасы в соответствующим образом контролируемых условиях, однако за счет размещения на одном участке устройства электролитического восстановления и устройства аддитивного производства оператор может легко произвести на месте требуемый металлический порошок, решая проблему известного уровня техники и предлагая адаптивную и высококачественную производственную систему.A significant advantage of the preferred embodiments of the present invention is the adaptability of the apparatus for producing metal products from a wide range of different metal compositions, including high performance metal compositions for technically advanced applications, such as medical devices or medical implants, or aerospace applications. It is very important to control the quality of the metal powder used for the additive production of such products, as well as control the composition of the alloy used. If you want an additive manufacturing device to be able to produce products for a variety of applications, the additive manufacturing device must be fed high-quality metal powders with the specific alloy composition required for each application. To achieve this adaptability and high quality, the operator of an additive manufacturing facility would typically have to maintain an inventory of all the alloys that might be needed and store those inventories under suitably controlled conditions, but by co-locating the electrolytic reduction unit and the additive manufacturing unit, the operator can easily produce on-site required metal powder, solving the prior art problem and offering an adaptive and high-quality production system.
Для достижения этих целей желательно, чтобы был выбран и предоставлен подходящий исходный материал, содержащий одно или более соединений, включающее элементы, соответствующие элементам, образующим требуемый металлический продукт. Также желательно, чтобы этапы восстановления и обработки выполнялись надлежащим образом для восстановления этого исходного материала до требуемо- 3 045176 го металлического продукта и чтобы управление обрабатывающим блоком соответствовало получению требуемого металлического порошка. Для достижения этой цели в предпочтительном аспекте изобретения этот блок управляется соответствующим образом запрограммированным контроллером, и, при необходимости, этот контроллер находится на связи с удаленным сервером, который может обеспечивать управление со стороны экспертной системы. Например, оператор системы может предоставить или установить устройство, воплощающее изобретение, для восстановления исходного материала и получения металлических изделий посредством аддитивного производства. Когда соответствующий металлический сплав потребуется для изготовления металлического изделия, оператор системы может предоставить или задать подходящий исходный материал для электрохимической ячейки и может предоставить параметры управления, например, от удаленного сервера к локально расположенному контроллеру, чтобы управлять устройством для получения требуемого металлического порошка и даже для изготовления требуемого металлического изделия.To achieve these objects, it is desirable that a suitable starting material containing one or more compounds comprising elements corresponding to the elements forming the desired metal product is selected and provided. It is also desirable that the reduction and processing steps are carried out appropriately to reduce this starting material to the desired metal product and that the control of the processing unit is consistent with obtaining the desired metal powder. To achieve this goal, in a preferred aspect of the invention, this unit is controlled by a suitably programmed controller, and, if necessary, this controller is in communication with a remote server, which can provide control from an expert system. For example, a system operator may provide or install a device embodying the invention to recover raw material and produce metal products through additive manufacturing. When an appropriate metal alloy is required to fabricate a metal product, the system operator can provide or specify a suitable starting material for the electrochemical cell and can provide control parameters, such as from a remote server to a locally located controller, to control the device to produce the required metal powder and even for fabrication the required metal product.
Таким образом, получение металлического изделия может быть максимально автоматизировано за счет применения экспертной системы, управляемой удаленным сервером (или системным контроллером) в сочетании с локальным контроллером данного устройства.Thus, the production of a metal product can be maximally automated through the use of an expert system controlled by a remote server (or system controller) in combination with the local controller of the device.
В предпочтительном варианте осуществления системный оператор может предоставлять исходный материал в предварительно подготовленном количестве для электролитического восстановления. В сочетании с управлением со стороны экспертной системы, обеспечиваемым удаленным сервером, это может преимущественно гарантировать высокую производительность устройства и высококачественный продукт, независимо от требований к различным сплавам для изготовления различных металлических изделий в разное время.In a preferred embodiment, the system operator may provide the starting material in a pre-prepared quantity for electrolytic reduction. Combined with the expert system control provided by the remote server, this can advantageously guarantee the device's high performance and high-quality product, regardless of the requirements of different alloys to produce different metal products at different times.
Экспертная система или удаленный сервер могут также преимущественно получать обратную связь от данного устройства, чтобы обеспечить управление во время работы этого устройства. Обратная связь также может быть использована, если это устройство применяется для восстановления исходного материала, который был подготовлен на месте, такого как материал, содержащий смесь металлического соединения с окисленным металлическим порошком, образовавшимся в процессе аддитивного производства, как описано выше.The expert system or remote server may also advantageously receive feedback from the device to provide control while the device is operating. Feedback can also be used if this device is used to recover a starting material that has been prepared in situ, such as a material containing a mixture of a metal compound with oxidized metal powder formed during an additive manufacturing process as described above.
Параметры исходного материала преимущественно могут быть выбраны для того, чтобы получить не только продукт, имеющий требуемый состав, но также и другие желательные свойства, такие как размер частиц. Так, например, исходный материал может содержать частицы в пределах определенного диапазона размеров, относительно которого известно, что он восстанавливается до металлических частиц, имеющих требуемый, меньший диапазон размеров частиц. Это может минимизировать потери металлического материала в обрабатывающем блоке.The starting material parameters can advantageously be selected to provide not only a product having the desired composition, but also other desired properties such as particle size. Thus, for example, the starting material may contain particles within a certain size range over which it is known to be reduced to metal particles having the desired smaller particle size range. This can minimize the loss of metal material in the processing unit.
Следует отметить, что один удаленный сервер может быть связан с и может управлять несколькими производственными устройствами по настоящему изобретению, которые могут находиться в разных местах.It should be noted that one remote server may be associated with and may control multiple production devices of the present invention, which may be located in different locations.
При необходимости системный оператор может обновлять управление, осуществляемое удаленным сервером так, чтобы постоянно обеспечивать эффективное управление всеми производственными устройствами, к которым он подключен.If necessary, the system operator can update the control provided by the remote server so that all production devices to which it is connected are always effectively managed.
Чтобы поддерживать требуемую адаптивность производства, электрохимическая ячейка и обрабатывающий блок преимущественно настроены так, чтобы иметь возможность получать такое количество металлического порошка, которое соответствует потреблению устройством аддитивного производства, с которым они соединены. Так, например, данное устройство может быть способно получать от 6 до 12 кг металлического порошка в сутки. Следовательно, общий размер устройства может быть значительно меньше, чем у обычных машин для получения металлических изделий. Например, применительно к титану устройство может быть значительно меньше реактора Кролля.To maintain the required production adaptability, the electrochemical cell and processing unit are advantageously configured to be able to produce an amount of metal powder that matches the consumption of the additive manufacturing device to which they are coupled. For example, this device may be capable of producing from 6 to 12 kg of metal powder per day. Therefore, the overall size of the device can be significantly smaller than conventional metal fabrication machines. For example, when applied to titanium, the device can be significantly smaller than the Croll reactor.
Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечить многочисленные преимущества. Например, это может относиться к сравнительно неэффективным способам, с помощью которых в настоящее время получают такие материалы, как порошок титана. Другими соображениями являются последствия для здоровья и безопасности, вызванные хранением большого количества титановых порошков, хорошо известных своей воспламеняемостью; воспламеняемость также зависит от размера порошка: чем мельче порошок, тем он более огнеопасен. Благодаря уменьшению или устранению необходимости хранить или транспортировать металлический порошок настоящее изобретение может решить эти проблемы. Вместо того, чтобы покупать и хранить большие количества дорогостоящих и опасных порошков, настоящее изобретение может преимущественно предоставить комплексную машину, которая может обрабатывать оксидную шихту в металлический порошок, который будет утилизирован во взаимодействием с 3D-принтером. Это устройство также может синергетически обеспечить регенерацию порошков, не соответствующих техническим характеристикам в отношении содержания кислорода из-за термоциклирования в 3D-принтере, как описано выше. Обычно для регенерации окисленного порошка необходимо, чтобы отработанный порошок был возвращен производителю порошка для восстановления за пределами технологической площадки, а затем возвращен владельцу 3D-принтера. Настоящее изобретение может преимущественно предоставить производственный блок, занимающий не- 4 045176 большую площадь, с расположенным рядом модулем последующей обработки, который может очищать, сушить и упаковывать порошок для использования в 3D-принтере, а также перерабатывать порошки, окисленные в 3D-принтере, и все это возможно в одной машине на одном участке.Thus, embodiments of the present invention can provide numerous advantages. For example, this may apply to the relatively inefficient processes by which materials such as titanium powder are currently produced. Other considerations are the health and safety implications caused by storing large quantities of titanium powders, which are well known to be flammable; flammability also depends on the size of the powder: the finer the powder, the more flammable it is. By reducing or eliminating the need to store or transport metal powder, the present invention can solve these problems. Instead of purchasing and storing large quantities of expensive and hazardous powders, the present invention can advantageously provide a complete machine that can process an oxide charge into a metal powder that will be recycled in conjunction with a 3D printer. This device can also synergistically regenerate powders that are out of specification for oxygen content due to thermal cycling in the 3D printer, as described above. Typically, reclaiming oxidized powder requires that the spent powder be returned to the powder manufacturer for off-site recovery and then returned to the 3D printer owner. The present invention can advantageously provide a manufacturing unit with a small footprint, with an adjacent post-processing unit, which can clean, dry and package powder for use in a 3D printer, as well as recycle powders oxidized in a 3D printer, and all this is possible in one machine on one site.
Настоящее изобретение также может предоставить способ производства металлического изделия с помощью устройства, описанного в настоящем документе, и металлическое изделие, произведенное с применением этого способа или этого устройства.The present invention can also provide a method for producing a metal product using the device described herein, and a metal product produced using this method or this device.
Таким образом, в итоге, настоящее изобретение может преимущественно предоставить устройство и способ, как изложено в следующих пронумерованных пунктах, которые представляют преимущественные отличительные признаки этого устройства и этого способа.Thus, in summary, the present invention may advantageously provide an apparatus and a method, as set forth in the following numbered paragraphs, which represent the advantageous features of the apparatus and the method.
1. Устройство для производства металлического изделия, содержащее:1. A device for producing a metal product, containing:
восстановительное устройство для электрохимического восстановления исходного материала до металлического продукта;a reduction device for electrochemically reducing the starting material to a metal product;
обрабатывающий блок для преобразования металлического продукта в металлический порошок и устройство аддитивного производства для изготовления металлического изделия из металлического порошка.a processing unit for converting a metal product into metal powder; and an additive manufacturing device for producing a metal product from the metal powder.
2. Восстанавливающее устройство по п.1, в котором, восстановительное устройство, обрабатывающий блок и устройство аддитивного производства расположены рядом или на одном участке.2. The restoration device according to claim 1, in which the restoration device, the processing unit and the additive manufacturing device are located nearby or in the same area.
3. Устройство аддитивного производства по п.1 или 2, в котором восстановительное устройство, обрабатывающий блок и устройство аддитивного производства расположены в контейнере или в передвижном здании.3. The additive manufacturing device according to claim 1 or 2, wherein the recovery device, the processing unit and the additive manufacturing device are located in a container or a mobile building.
4. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором восстановительное устройство содержит электрохимическую ячейку, в которой в процессе эксплуатации анод и катод находятся в контакте с расплавленной солью, а исходный материал контактирует с катодом и расплавленной солью, и источник электропитания для приложения катодного потенциала к катоду, так что исходный материал восстанавливается до металлического продукта.4. The apparatus as claimed in any of the preceding claims, wherein the reduction apparatus comprises an electrochemical cell in which, during operation, an anode and a cathode are in contact with molten salt and a source material is in contact with the cathode and molten salt, and a power supply for applying a cathode potential to the cathode , so that the original material is reduced to a metal product.
5. Устройство по п.4, в котором восстановительное устройство содержит загрузочный блок для загрузки исходного материала на катод и блок предварительного нагрева для предварительного нагрева исходного материала и катода для погружения в расплавленную соль.5. The apparatus of claim 4, wherein the reduction apparatus comprises a charging unit for loading a source material onto the cathode and a preheating unit for preheating the source material and the cathode for immersion in molten salt.
6. Устройство по п.4 или 5, в котором катод, несущий металлический продукт, является извлекаемым из электрохимической ячейки и в котором восстановительное устройство содержит охлаждающий блок для охлаждения катода и металлического продукта перед обработкой металлического продукта обрабатывающий блоком.6. The apparatus of claim 4 or 5, wherein the cathode carrying the metal product is removable from the electrochemical cell and wherein the reduction device comprises a cooling unit for cooling the cathode and the metal product before processing the metal product by the processing unit.
7. Устройство по п.5 или 6, в котором после загрузки исходного материала на катод в загрузочном блоке катод, несущий исходный материал, перемещен в горизонтальном направлении до положения под анодом, а затем анод и катод опущены в расплавленную соль.7. The device according to claim 5 or 6, wherein after loading the source material onto the cathode in the loading unit, the cathode carrying the source material is moved horizontally to a position under the anode, and then the anode and cathode are lowered into the molten salt.
8. Устройство по пп.5, 6 или 7, в котором после восстановления исходного материала с получением металлического продукта анод и катод, несущий металлический продукт, поднят из расплавленной соли перед тем, как катод, несущий металлический продукт, перемещен по горизонтали в охлаждающий блок.8. The apparatus of claim 5, 6 or 7, wherein after the starting material has been reduced to produce a metal product, the anode and cathode carrying the metal product are lifted from the molten salt before the cathode carrying the metal product is moved horizontally into the cooling block .
9. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором обрабатывающий блок содержит измельчитель для измельчения металлического продукта с образованием металлических частиц из металлического продукта, а также предпочтительно классификатор или сито для отбора металлических частиц заданного диапазона размеров, образующих металлический порошок.9. The apparatus of any of the preceding claims, wherein the processing unit comprises a grinder for grinding the metal product to form metal particles from the metal product, and preferably a classifier or screen for selecting metal particles of a predetermined size range to form a metal powder.
10. Устройство по п.9, в котором обрабатывающий блок содержит сфероидизирующее устройство для сфероидизации металлических частиц с получением металлического порошка.10. The apparatus of claim 9, wherein the processing unit comprises a spheroidizing device for spheroidizing metal particles to produce metal powder.
11. Устройство по п.9 или 10, в котором обрабатывающий блок содержит магнитный сепаратор для отделения ферромагнитных частиц от неферромагнитных частиц в металлических частицах или в металлическом порошке.11. The apparatus of claim 9 or 10, wherein the processing unit comprises a magnetic separator for separating ferromagnetic particles from non-ferromagnetic particles in the metal particles or metal powder.
12. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором устройство аддитивного производства содержит 3D-принтер, такой как машина для селективной лазерной плавки, машина для селективного лазерного спекания или машина для селективной электронно-лучевой плавки.12. The apparatus of any of the preceding claims, wherein the additive manufacturing apparatus comprises a 3D printer, such as a selective laser melting machine, a selective laser sintering machine, or a selective electron beam melting machine.
13. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором устройство аддитивного производства содержит устройство для напыления покрытия, такое как устройство для плазменного напыления покрытия.13. The apparatus of any of the preceding claims, wherein the additive manufacturing apparatus comprises a coating spray apparatus, such as a plasma coating apparatus.
14. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором металлический порошок содержит титан или сплав на основе титана.14. The device according to any of the preceding paragraphs, wherein the metal powder contains titanium or a titanium-based alloy.
15. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором часть металлического порошка, подаваемого в устройство аддитивного производства, не образует часть металлического продукта, но окисляется в процессе аддитивного производства, образуя окисленный металлический порошок, и в котором этот окисленный металлический порошок подают в качестве исходного материала или в качестве компонента исходного материала в восстановительное устройство.15. An apparatus according to any of the preceding claims, wherein a portion of the metal powder supplied to the additive manufacturing apparatus does not form part of a metal product, but is oxidized during the additive manufacturing process to form an oxidized metal powder, and wherein the oxidized metal powder is supplied as a starting material or as a component of the starting material in a recovery device.
16. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором исходный материал содержит соединение, включающее элементы, соответствующие элементам, образующим металлический продукт.16. The device according to any of the preceding paragraphs, wherein the starting material contains a compound including elements corresponding to the elements forming the metal product.
- 5 045176- 5 045176
17. Устройство по любому предыдущему пункту, в котором исходный материал содержит природную руду из элементов, образующих металлический продукт, такую как рутил.17. The apparatus of any of the preceding claims, wherein the starting material comprises a natural ore of elements forming a metal product, such as rutile.
18. Устройство по любому предыдущему пункту, которое способно производить от 6 до 12 кг металлического порошка в сутки.18. A device according to any of the previous paragraphs, which is capable of producing from 6 to 12 kg of metal powder per day.
19. Способ производства металлического изделия из порошкового сырья, включающий управление электрохимическим восстановлением заданного сырья с получением металлического продукта, преобразованием металлического продукта в металлический порошок и изготовлением металлического изделия из металлического порошка посредством аддитивного производства.19. A method for producing a metal product from a powder raw material, including controlling the electrochemical reduction of a given raw material to produce a metal product, converting the metal product into a metal powder, and producing a metal product from the metal powder by additive manufacturing.
20. Способ по п.19, включающий этапы загрузки исходного материала на катод, предварительного нагрева исходного материала и катода и последующего погружения их в расплавленную соль для электровосстановления исходного материала.20. The method of claim 19, including the steps of loading the source material onto the cathode, preheating the source material and the cathode, and then immersing them in molten salt to electroreduce the source material.
21. Способ по п.20, включающий этапы удаления катода, несущего металлический продукт, из электрохимической ячейки и охлаждения катода и металлического продукта перед обработкой металлического продукта обрабатывающий блоком.21. The method of claim 20, comprising the steps of removing a cathode carrying a metal product from the electrochemical cell and cooling the cathode and the metal product before treating the metal product with a processing unit.
22. Способ по п.20 или 21, включающий этапы, на которых после загрузки исходного материала на катод, перемещают катод, несущий исходный материал, по горизонтали до положения под анодом, и опускают анод и катод в расплавленную соль.22. The method of claim 20 or 21, comprising the steps of, after loading the starting material onto the cathode, moving the cathode carrying the starting material horizontally to a position below the anode, and lowering the anode and cathode into the molten salt.
23. Способ по пп.20, 21 или 22, включающий этапы, на которых после восстановления исходного материала до металлического продукта, поднимают анод и катод, несущий металлический продукт, из расплавленной соли, перед перемещением катода, несущего металлический продукт, по горизонтали в охлаждающий блок.23. The method according to claims 20, 21 or 22, comprising the steps of: after reducing the starting material to a metal product, raising the anode and the cathode carrying the metal product from the molten salt before moving the cathode carrying the metal product horizontally into the cooling block.
24. Способ по любому из пп.19-23, в котором преобразование металлического продукта включает измельчение металлического продукта с получением металлических частиц из металлического продукта и классификацию или просеивание металлических частиц для отбора металлических частиц заданного диапазона размеров, образующих металлический порошок.24. The method according to any one of claims 19 to 23, wherein converting the metal product includes grinding the metal product to obtain metal particles from the metal product and classifying or screening the metal particles to select metal particles of a given size range to form a metal powder.
25. Способ по любому из пп.19-24, в котором преобразование металлического продукта включает сфероидизацию металлических частиц с образованием металлического порошка.25. The method according to any one of claims 19 to 24, wherein converting the metal product includes spheroidizing the metal particles to form a metal powder.
26. Способ по любому из пп.19-25, в котором преобразование металлического продукта включает магнитное отделение ферромагнитных частиц от неферромагнитных частиц в металлических частицах или металлическом порошке.26. The method according to any one of claims 19 to 25, wherein converting the metal product includes magnetically separating ferromagnetic particles from non-ferromagnetic particles in the metal particles or metal powder.
27. Способ по любому из пп.19-26, в котором металлический порошок содержит титан или сплав на основе титана.27. The method according to any one of claims 19 to 26, wherein the metal powder contains titanium or a titanium-based alloy.
28. Способ по любому из пп.19-27, в котором часть металлического порошка, подаваемого в устройство аддитивного производства, не образует часть металлического продукта, но окисляется в процессе аддитивного производства с образованием окисленного металлического порошка, причем способ включает этап подачи окисленного металлического порошка в качестве исходного материала или в качестве компонента исходного материала в восстановительное устройство.28. The method according to any one of claims 19 to 27, wherein a portion of the metal powder supplied to the additive manufacturing device does not form part of the metal product, but is oxidized during the additive manufacturing process to form an oxidized metal powder, the method comprising the step of feeding the oxidized metal powder as a starting material or as a component of a starting material in a recovery device.
29. Способ по любому из пп.19-28, включающий управление устройством для получения от 6 до 12 кг металлического порошка в сутки.29. The method according to any one of claims 19-28, including controlling the device to produce from 6 to 12 kg of metal powder per day.
Перечень фигур чертежейList of drawing figures
Далее описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:Specific embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:
Фиг . 1 - блок-схема первого варианта осуществления настоящего изобретения;Fig. 1 is a block diagram of a first embodiment of the present invention;
Фиг . 2 - блок-схема восстановительного устройства по первому варианту осуществления настоящего изобретения;Fig. 2 is a block diagram of a recovery device according to the first embodiment of the present invention;
Фиг. 3 - блок-схема обрабатывающего блока по первому варианту осуществления настоящего изобретения.Fig. 3 is a block diagram of a processing unit according to the first embodiment of the present invention.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of implementing the invention
Первый вариант осуществления изобретения представляет собой высокоавтоматизированную систему, которая получает от 6 до 12 кг порошка титана и/или титанового сплава за 24-часовой цикл с уменьшенной занимаемой площадью по сравнению с обычным устройством. Система или блок включают восстановительное устройство 2, обрабатывающий блок 4 и блок 6 селективной лазерной плавки.The first embodiment of the invention is a highly automated system that produces 6 to 12 kg of titanium and/or titanium alloy powder in a 24 hour cycle with a reduced footprint compared to a conventional device. The system or unit includes a reduction device 2, a processing unit 4 and a selective laser melting unit 6.
Восстановительное устройство содержит электрохимическую ячейку для восстановления исходного материала, который находится либо в форме порошка соединения металла, либо порошка окисленного металла (полученного в качестве побочного продукта процесса аддитивного производства) или смеси из этих порошков. Обрабатывающий блок содержит блоки обработки металлического продукта, полученного на этапе восстановления, а также очистки, классификации и упаковки продукта в мешки в инертной атмосфере.The recovery device contains an electrochemical cell for the recovery of the starting material, which is either in the form of a metal compound powder, an oxidized metal powder (obtained as a by-product of the additive manufacturing process), or a mixture of these powders. The processing unit contains units for processing the metal product obtained from the recovery step, as well as cleaning, classifying and bagging the product in an inert atmosphere.
Размер и конструкция устройства в этом варианте осуществления основаны на потребности в подаче материала машины 6 селективной лазерной плавки (SLM). Такие машины имеют среднюю массу плиты 50-70 кг и скорость осаждения между 40 и 160 г/ч при общей потребности около 2,4 кг/сут. Машины для электронно-лучевой плавки (ЕВМ) обычно имеют несколько меньшую массу плиты от 20 до 50 кг,The size and design of the device in this embodiment is based on the material supply requirement of the selective laser melting (SLM) machine 6. Such machines have an average slab weight of 50-70 kg and a deposition rate of between 40 and 160 g/h, with a total requirement of about 2.4 kg/day. Electron beam melting (EBM) machines usually have a slightly smaller plate weight of 20 to 50 kg,
- 6 045176 но более высокую скорость осаждения - около 500 г/ч, что соответствует потребности в подаче металлического порошка около 12 кг/сут. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть разработаны так, чтобы охватить любой из этих сценариев.- 6 045176 but a higher deposition rate - about 500 g/h, which corresponds to a metal powder supply requirement of about 12 kg/day. Embodiments of the present invention can be designed to cover any of these scenarios.
В процессе эксплуатации исходный материал загружают в катодный лоток, который затем вводят в устройство 8 для предварительного нагрева. Машина 10 для транспортировки лотка перемещает лоток из этого нагревателя в камеру 12 электрохимического восстановления и, когда цикл электровосстановления завершается, перемещает лоток с восстановленным металлическим продуктом в охлаждающий блок 14. После этого восстановительное устройство готово к принятию следующего лотка для продолжения этого цикла. После охлаждения до комнатной температуры лоток извлекают и подают в обрабатывающий блок 4, где его замачивают в ванне (не показана) для удаления нежелательной соли из металлического продукта. Затем полученный продукт в форме слегка спеченного брикета подвергают последующей обработке путем дробления или измельчения 16, дополнительной промывки и измельчения 18, магнитной сепарации 20 для удаления ферромагнитных примесей, сушки 22 в аргоне, просеивания или классификации 24 и упаковки 26 для подачи в машину SLM. Преимущественно этот продукт дополнительно подвергают плазменной сфероидизации (не показана) перед его упаковкой для подачи в виде сферического металлического порошка в машину SLM.During operation, the starting material is loaded into the cathode tray, which is then introduced into the device 8 for preheating. The tray transport machine 10 moves the tray from this heater to the electrochemical reduction chamber 12 and, when the electroreduction cycle is completed, moves the tray containing the reduced metal product to the cooling unit 14. The reduction device is then ready to receive the next tray to continue the cycle. After cooling to room temperature, the tray is removed and fed into processing unit 4 where it is soaked in a bath (not shown) to remove unwanted salt from the metal product. The resulting product, in the form of a lightly sintered briquette, is then further processed by crushing or grinding 16, further washing and grinding 18, magnetic separation 20 to remove ferromagnetic impurities, drying 22 in argon, screening or classification 24 and packaging 26 for feeding into the SLM machine. Advantageously, this product is further subjected to plasma spheroidization (not shown) before it is packaged for feeding into the SLM machine as a spherical metal powder.
Задачей предпочтительного варианта осуществления изобретения является создание компактного и высокоавтоматизированного инструмента для выполнения следующих этапов: загрузка оксидного порошка на катодный лоток; введение оксидного порошка на лотке в данное устройство; проведение электролиза и извлечение лотка; подача восстановленного металлического продукта в обрабатывающий блок, который выполняет дробление слабо спеченного брикета или бруска продукта, промывку и сушку полученных металлических частиц, магнитную сепарацию металлических примесей и упаковку порошка под аргоном для хранения или сфероидизации; и подача для процесса аддитивного производства.The objective of a preferred embodiment of the invention is to provide a compact and highly automated tool for performing the following steps: loading the oxide powder onto the cathode tray; introducing oxide powder on a tray into this device; carrying out electrolysis and removing the tray; supplying the recovered metal product to a processing unit, which performs crushing of a lightly sintered briquette or bar of product, washing and drying of the resulting metal particles, magnetic separation of metal impurities and packaging of the powder under argon for storage or spheroidization; and feed for the additive manufacturing process.
Такое устройство может обрабатывать любой титановый сплав в диапазоне легирующих элементов, а также регенерировать порошок, ранее обработанный в машине SLM, но не являющийся частью металлического изделия, полученного в процессе SLM.Such a device can process any titanium alloy within a range of alloying elements, and can also regenerate powder previously processed in the SLM machine, but not part of the metal product produced by the SLM process.
Предполагается, что расплавленная соль, преимущественно смесь хлорида кальция и оксида кальция, в электрохимической ячейке будет находиться в металлическом тигле, оборудованном катодной защитой, чтобы избежать коррозии, при этом анод будет иметь возможность двигаться вверх и вниз, пока лоток будет перемещаться в поперечном направлении от нагревателя, под анодом, затем вертикально с анодом в ванну и (после восстановления) вверх и в сторону в охлаждающий блок, как показано на фиг. 2.It is assumed that the molten salt, predominantly a mixture of calcium chloride and calcium oxide, in an electrochemical cell will be contained in a metal crucible equipped with cathodic protection to avoid corrosion, with the anode being able to move up and down while the tray is moved laterally from heater, under the anode, then vertically with the anode into the bath and (after recovery) up and to the side into the cooling block, as shown in Fig. 2.
Электрохимическая ячейка рассчитана на следующие технические характеристики.The electrochemical cell is designed for the following technical characteristics.
Плотность тока: 5000-7500 А/м2.Current density: 5000-7500 A/ m2 .
Загрузка лотка (оксид): 6-12 кг.Tray loading (oxide): 6-12 kg.
Время цикла: 12-24 ч.Cycle time: 12-24 hours.
Выход металла: 5-8 кг/сут.Metal output: 5-8 kg/day.
Диаметр анода и катода: 40-60 см.Anode and cathode diameter: 40-60 cm.
Материал анода: углерод.Anode material: carbon.
Складской запас соли: 200-400 л.Warehouse stock of salt: 200-400 l.
Соль: смесь CaCl2 и CaO.Salt: a mixture of CaCl 2 and CaO.
Рабочая температура соли: 950°С.Working salt temperature: 950°C.
Нагрев: внешний, с внутренним нагревом в процессе эксплуатации ячейки.Heating: external, with internal heating during cell operation.
Атмосфера: аргон в охлаждающем блоке, смесь CO/CO2 в электрохимической ячейке и обычный воздух в нагревателе.Atmosphere: argon in the cooling block, CO/CO2 mixture in the electrochemical cell and normal air in the heater.
Авторы изобретения приложили значительные усилия для оптимизации обработки после восстановления, и в предпочтительном варианте обрабатывающий блок выполняет следующие стадии:The inventors have made significant efforts to optimize post-recovery processing, and in a preferred embodiment, the processing unit performs the following steps:
1) выдержка;1) exposure;
2) дробление брикета;2) briquette crushing;
3) измельчение в частицы;3) grinding into particles;
4) мокрая оттирка;4) wet scrubbing;
5) мокрая магнитная сепарация;5) wet magnetic separation;
6) сушка в псевдоожиженном слое;6) drying in a fluidized bed;
7) сортировка продукта по крупности;7) sorting the product by size;
8) упаковка продукта.8) product packaging.
Упрощенная блок-схема составных частей обрабатывающего блока показана на фиг. 3.A simplified block diagram of the components of the processing unit is shown in FIG. 3.
Этот блок также преимущественно выполняет сфероидизацию, преимущественно на основе технологии индукционной плазмы для получения частиц порошка круглой формы. Частицы подают в камеру, где генерируется плазма, падают в камере и расплавляются и снова затвердевают в сферической форме.This unit also predominantly performs spheroidization, mainly based on induction plasma technology to produce round shaped powder particles. The particles are fed into a chamber where plasma is generated, fall into the chamber and are melted and solidified again into a spherical shape.
Использование сфероидизирующего устройства позволяет улучшить следующие характеристики полученного порошка:The use of a spheroidizing device makes it possible to improve the following characteristics of the resulting powder:
повысить текучесть порошка,increase the fluidity of the powder,
--
Claims (40)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB1609141.5 | 2016-05-24 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA045176B1 true EA045176B1 (en) | 2023-10-31 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3464656B1 (en) | Manufacturing apparatus and method | |
| EP2832528B1 (en) | Method and apparatus for the recovery and regeneration of metal powder in ebm applications | |
| AU2017279628B2 (en) | A system and method for extraction and refining of titanium | |
| Hu et al. | Development of the Fray-Farthing-Chen Cambridge process: towards the sustainable production of titanium and its alloys | |
| EP3512970B1 (en) | A method for producing titanium-aluminum-vanadium alloy | |
| US9364897B2 (en) | Method and apparatus for reconditioning oxidized powder | |
| WO2004113593A1 (en) | Electrochemical reduction of metal oxides | |
| ZA200603786B (en) | Electrochemical reduction of metal oxides | |
| US11027492B2 (en) | Control system and method for additive manufacturing | |
| US20070193877A1 (en) | Electrochemical reduction of metal oxides | |
| EA045176B1 (en) | DEVICE AND PRODUCTION METHOD | |
| BR112018073859B1 (en) | DEVICE FOR MANUFACTURING A METALLIC ARTICLE, METHOD FOR MANUFACTURING A METALLIC ARTICLE FROM A POWDER FEED CONTROL SYSTEM, AND CONTROL METHOD FOR CONTROLING A MATERIALS TREATMENT OR MANUFACTURING DEVICE | |
| EP3482931B1 (en) | Method for operating at least one apparatus for additively manufacturing of three-dimensional objects | |
| JP2008189972A (en) | Method for operating moving type hearth furnace | |
| KR20160002089A (en) | Method of manufacturing iron powder | |
| CN111615438A (en) | Projection material and shot peening method | |
| AU2004281296B2 (en) | Electrochemical reduction of metal oxides | |
| ITUA20164528A1 (en) | Plant and method for recovering spent refractory material | |
| WO2024112562A1 (en) | Systems and methods for partial sintering of powder to create larger powder particles for additive manufacturing processes |