PL227484B1 - Sposób wykonania bloku zaworu lotniczego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonania bloku zaworu lotniczego ze zintegrowanymi strukturami wsporczymi, umożliwiającymi drukowanie dużych powierzchni płaskich lub niepodpartych w technologii przyrostowego budowania detali w oparciu o model 3D, zaprojektowany w procesie wspomagania komputerowego CAD, w szczególności z wykorzystaniem techniki SLM (Selective Laser Melting) polegającej na selektywnym przetapianiu sproszkowanego metalu przy użyciu lasera.

Technika przyrostowego budowania detali SLM to proces polegający na selektywnym stapianiu sproszkowanego metalu za pomocą skanowania wiązką lasera w określonych przez program sterujący miejscach. Program jest tworzony w oparciu o model CAD części. Na podstawie modelu zostaje przygotowana struktura warstwowa części z określonymi parametrami obróbki (parametry wiązki lasera, warunki panujące w komorze, sposób dystrybucji proszku, itp.). Przygotowanie warstwowej struktury wykonuje się przy użyciu oprogramowania dedykowanego procesom SLM. Programy te pozwalają przekształcić model 3D w niezbędną dla procesu SLM strukturę warstwową. Moduły oprogramowania pozwalają m.in. określać parametry warstwy, parametry struktur wsporczych, jak również pozwalają dokonać pozycjonowania na płycie elementów do budowy, ilość kopii, itp.

Struktury wsporcze mają za zadanie połączyć pierwsze warstwy budowanej części z płytą startową oraz w trakcie budowy podpierać miejsca z krytycznym ukształtowaniem powierzchni - najczęściej płaskie powierzchnie równoległe do płyty startowej. Dodatkowo powinny zapewnić dobre warunki transportu ciepła z warstwy stapiania do płyty wsporczej, dać stabilne mocowanie części, a także zapewnić prawidłowe spojenie proszku i dobrą chropowatość drukowanej powierzchni. Aktualnie istnieje kilka sposobów podpierania powierzchni krytycznych, np. za pomocą takich struktur wsporczych jak struktury punktowe, liniowe, klinowe, sieciowe, konturowe, blokowe czy najbardziej obec n ie wydajne struktury drzewcowe.

Z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP2910362 znana jest technologia selektywnego budowania detali ze sproszkowanego metalu, który nanoszony jest na płytę startową warstwami i następnie zgrzewany miejscowo laserem. Równolegle wraz z budowaniem właściwego komponentu, budowane są również struktury wsporcze w kształcie drzewa składającego się z korzenia oraz cieńszych gałęzi, które łączą płytę wsporczą z drukowanym komponentem, pełniąc funkcję stabilizującą oraz odprowadzającą ciepło.

W wyniku prac nad blokami zaworów przeznaczonych dla lotnictwa zaistniała potrzeba takiego zamodelowania części, aby ograniczyć powstawanie struktur wsporczych w trakcie procesu przyrostowego budowania detali. Największy problem w procesie drukowania detali bloku zaworu stanowią powierzchnie, które nie mają oparcia na płycie startowej i najczęściej zawieszone są w przestrzeni, a w związku z czym zastosowanie dotychczas znanych struktur podpierających nie jest rozwiązaniem zarówno technologicznie jak i ekonomicznie najlepszym. Podczas drukowaniu tego typu powierzchni najczęściej stosuje się blokowe struktury podpierające, które stanowią obszerną i trudną do usunięcia w trakcie późniejszej obróbki strukturę metalu. Dodatkowo taka blokowa struktura wsporcza pochłonie znaczną ilość proszku, którą jako złom będzie trzeba zutylizować. Ponadto zużycie energii, a także czas wydruku jest znacznie dłuższy w przypadku znanych struktur wsporczych.

W przypadku budowania bloku zaworu lotniczego o kształcie korzystnie spłaszczonej bryły prostopadłościennej, wyposażonej w wzdłużnie usytuowaną centralnie komorę stanowiącą przestrzeń pracy rozdzielacza, który na końcach wyposażony jest w króćce wejściowe wystające poza obrys korpusu, istnieje potrzeba zastosowania struktur wsporczych w celu podparcia powierzchni krytycznych. W efekcie średnica zewnętrzna króćców rozdzielacza musi zostać poddana dodatkowej obróbce a struktury wsporcze muszą zostać usunięte.

Celem wynalazku jest opracowanie lepszego i wydajniejszego sposobu wytwarzania bloku zaworu lotniczego w technologii selektywnego budowania detali, w szczególności w odniesieniu do powierzchni krytycznych. Innym celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania bloku zaworu lotniczego, który pozwoli wyeliminować obróbkę średnicy zewnętrznej króćców wejściowych rozdzielacza.

Sposób wykonania bloku zaworu lotniczego, według wynalazku, polega na zastosowaniu technologii przyrostowego budowania detali z wykorzystaniem modelu CAD, korzystnie za pomocą techniki selektywnego przetapiania sproszkowanego metalu przy użyciu lasera (SLM). Sposób posiada etapy nanoszenia na płytę startową warstw sproszkowanego metalu, budowania detalu warstwa po warstwie poprzez miejscowe stapianie proszku za pomocą lasera oraz etap równoczesnego budowania

PL 227 484 B1 struktur wsporczych podpierających powierzchnie krytyczne. Zgodnie z istotą wynalazku powierzchnie krytyczne wystających poza obrys bloku króćców wejściowych komory stanowiącej przestrzeń pracy zasadniczo wzdłużnie i równolegle do płyty startowej usytuowanego rozdzielacza, podpiera się strukturami wsporczymi stanowiącymi integralną całość korpusu bloku zaworu.

Korzystnie, struktury wsporcze w przekroju poprzecznym mają kształt zasadniczo w postaci trójkąta, którego wierzchołek łączy się z płytą startową, a podstawa oplata cylindryczny króciec, natomiast ściana frontowa jest skośnie lub łukowato uformowana, łącząc powierzchnię zewnętrzną cylindrycznego króćca ze ścianą boczną korpusu na której jest umieszczony ów króciec.

Korzystnie, kąt odchylenia a struktur wsporczych nie przekracza 48° a promień R luku nie przekracza 6 mm.

Korzystnie, blok zaworu ma kształt płaskiej bryły prostopadłościennej o czterech wąskich ścianach bocznych i dwóch szerokich ścianach czołowych, przy czym przeciwległe ściany boczne na których znajdują się króćce są wklęsłe.

Korzystnie, blok zaworu wyposażony jest w wzdłużnie usytuowaną komorę stanowiącą przestrzeń pracy rozdzielacza oraz centralnie umieszczoną poprzeczną komorę stanowiącą przestrzeń pracy mimośrodu sterującego sekcją rozdzielacza.

Korzystnie, na jednej ścianie czołowej usytuowane są cztery otwory przyłączeniowe, natomiast na przeciwnej ścianie czołowej umieszczony jest otwór mimośrodu.

Zastosowanie metody budowy bloku zaworu lotniczego, według wynalazku, poprzez dodanie wspornika powierzchni krytycznych króćców rozdzielacza, eliminuje konieczność usuwania dodatkowych struktur wsporczych i stanowi jednocześnie ich podparcie jako integralna część korpusu bloku. Metoda wytwarzania bloku zaworu zapewnia eliminację obróbki maszynowej powierzchni średnicy zewnętrznej króćców, zmniejszenie ilości złomu pochodzącego ze struktur wsporczych, zmniejszenie zużycia energii na proces wydruku warstw wsporczych, skrócenie czasu wydruku o czas druku elementów wsporczych, zmniejszenie ilości zużytego gazu ochronnego (argon), skrócenie czasu przetwarzania danych w procesie analizy i modelowania, skrócenie czasu obróbki po wydruku o czas potrzebny na usuwanie struktur oraz minimalizację użycia narzędzi do obróbki końcowej.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 - przedstawia bloku zaworu z oznaczeniem powierzchni krytycznych, fig. 2 - blok zaworu w widoku od góry na czołową ścianę, 3 - przedstawia blok zaworu ze zbudowanymi strukturami wsporczymi, fig. 4 - przekrój A-A z fig. 2, fig. 5 - przedstawia blok zaworu w widoku perspektywicznym.

Na fig. 1 przedstawiono schematycznie proces budowy bloku zaworu na płycie startowej 10 w technologii SLM z ukazaniem powierzchni krytycznych, które muszą zostać podparte a następnie usunięte w wyniku obróbki mechanicznej powierzchni zewnętrznej króćców. Kierunek drukowania detalu wskazuje strzałka „B”. Przygotowany model CAD zostaje wczytany przez dedykowane oprogramowanie i podzielony na warstwy o grubości kilkunastu mikronów. Wydruk wykonywany jest w znanej technologii SLM gdzie, na płycie bazowej 10 rozprowadzana jest cienka warstwa proszku, a następnie stapiana za pomocą lasera. Podczas drukowania niemających podparcia powierzchni krytycznych najczęściej stosuje się znane dotychczas w stanie techniki struktury podpierające, które są obszerne i trudne do usunięcia. Dodatkowo ich drukowanie pochłonie znaczną ilość proszku, które jako złom będzie trzeba zutylizować. Blok zaworu, według wynalazku, posiada korpus 1 w kształcie płaskiej bryły prostopadłościennej o czterech wąskich ścianach bocznych i dwóch szerokich ścianach czołowych. Na przeciwległych ścianach bocznych, które są wklęsłe znajdują się cylindryczne króćce wejściowe 2 rozdzielacza 3 wystające poza obrys bloku zaworu. Blok zaworu wyposażony jest w wzdłużnie usytuowaną komorę stanowiącą przestrzeń pracy rozdzielacza 3 oraz centralnie umieszczoną poprzeczną komorę stanowiącą przestrzeń pracy mimośrodu 4 sterującego sekcją rozdzielacza

3. Powstająca struktura bloku zaworu ma tak ukształtowane kanały rozdzielające, że straty przepływu czynnika roboczego są minimalne. Liniowo zmienne położenie rozdzielacza 3 otwiera i zamyka odpowiednie okna przepływowe zaworu 5. Na jednej ścianie czołowej bloku usytuowane są cztery otwory przyłączeniowe 7, natomiast na przeciwnej ścianie czołowej umieszczony jest otwór mimośrodu 4. Sterowanie sekcją rozdzielającą realizowane jest mimośrodowo poprzez mimośród 4 umieszczony w komorze. Ciecz robocza przepływa od i do otworów przyłączeniowych 7. Blok może zostać zamontowany poprzez przyłożenie powierzchni z otworami 7 do elementu współpracującego i dokręcenie poprzez otwory montażowe 9 zlokalizowane w narożach.

PL 227 484 B1

Struktury wsporcze 6 w przekroju poprzecznym mają kształt zasadniczo w postaci trójkąta, którego wierzchołek łączy się z płytą startową 10, a podstawa oplata cylindryczny króciec 2, natomiast ściana frontowa jest skośnie lub łukowato uformowana, łącząc powierzchnię zewnętrzną cylindrycznego króćca 2 ze ścianą boczną korpusu 1 na której jest umieszczony ów króciec 2. Innymi słowy struktury wsporcze 6 stanowią bryłę o podstawie prostokątnej lub w przekroju będącej wycinkiem koła, natomiast przeciwległe ściany boczne, usytuowane wzdłużnie w kierunku pracy rozdzielacza mają kształt zasadniczo trójkątny, przy czym frontowa ściana boczna jest skośna lub wklęsła, a tylna ściana boczna jest wypukła i łączy się z wklęsłą ścianą boczną korpusu bloku 1. Kąt odchylenia α struktur wsporczych nie przekracza 48° a promień R łuku nie przekracza 6 mm.

Claims (6)

1. Sposób wykonania bloku zaworu lotniczego w technologii przyrostowego budowania detali z wykorzystaniem modelu CAD, korzystnie za pomocą techniki selektywnego przetapiania sproszkowanego metalu przy użyciu lasera (SLM), posiadający etapy nanoszenia na płytę startową warstw sproszkowanego metalu, budowania detalu warstwa po warstwie poprzez miejscowe stapianie proszku za pomocą lasera, równoczesne budowanie struktur wsporczych podpierających powierzchnie krytyczne, znamienny tym, że powierzchnie krytyczne (8) wystających poza obrys bloku króćców wejściowych (2) komory stanowiącej przestrzeń pracy zasadniczo wzdłużnie i równolegle do płyty startowej (10) usytuowanego rozdzielacza (3), podpiera się strukturami wsporczymi (6) stanowiącymi integralną całość korpusu (1) bloku zaworu.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że struktury wsporcze (6) w przekroju poprzecznym mają kształt zasadniczo w postaci trójkąta, którego wierzchołek łączy się z płytą startową (10), a podstawa oplata cylindryczny króciec (2), natomiast ściana frontowa jest skośnie lub łukowato uformowana, łącząc powierzchnię zewnętrzną cylindrycznego króćca (2) ze ścianą boczną korpusu (1) na której jest umieszczony ów króciec (2).

3. Sposób, według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że kąt odchylenia (α) struktur wsporczych nie przekracza 48° a promień (R) łuku nie przekracza 6 mm.

4. Sposób, według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że blok zaworu ma kształt płaskiej bryły prostopadłościennej o czterech wąskich ścianach bocznych i dwóch szerokich ścianach czołowych, przy czym przeciwległe ściany boczne na których znajdują się króćce (2) są wklęsłe.

5. Sposób, według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że blok zaworu wyposażony jest w wzdłużnie usytuowaną komorę stanowiącą przestrzeń pracy rozdzielacza (3) oraz centralnie umieszczoną poprzeczną komorę stanowiącą przestrzeń pracy mimośrodu (4) sterującego sekcją rozdzielacza (3).

6. Sposób, według któregokolwiek z poprzednich zastrzeżeń 1-5, znamienny tym, że na jednej ścianie czołowej usytuowane są cztery otwory przyłączeniowe (7), natomiast na przeciwnej ścianie czołowej umieszczony jest otwór mimośrodu (4).