RU100948U1

RU100948U1 - SELECTIVE LASER Sintering Plant

Info

Publication number: RU100948U1
Application number: RU2010122007/05U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Антонов; Александр Викторович Евсеев; Владимир Карпович Попов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки; Учреждение Российской академии наук Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ РАН)
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-01-10

Abstract

Установка по селективному лазерному спеканию, включающая лазерное устройство с оптической системой, горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода, технологическую платформу, вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода, бункер с системой подачи, систему нанесения и блок управления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит источник оптического излучения и плоскопараллельную пластину. Installation for selective laser sintering, including a laser device with an optical system, the horizontal movement of which in two mutually perpendicular directions is provided by drive elements, a technological platform, the vertical movement of which is provided by a drive element, a hopper with a feed system, a deposition system and a control unit, characterized in that it further comprises an optical radiation source and a plane-parallel plate.

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам, применяемым для изготовления объемных изделий из порошковых материалов, и может быть использовано в технологии создания биосовместимых имплантатов для замены и регенерации костных тканей.The invention relates to medicine, namely to devices used for the manufacture of bulk products from powder materials, and can be used in the technology of creating biocompatible implants for replacing and regenerating bone tissues.

Известно устройство для послойного получения трехмерных объектов, реализующие лазерные методы спекания порошковых материалов, предполагающие использование трехкоординатного сканирования лазерного луча и сложные раздельные системы послойной подачи и механического разравнивания порошка (Кузнецов В. Системы быстрого изготовления прототипов и их расширения. CAD/CAM/CAE Observer. 2003. №4 (13). С.2-7.). Основным недостатком известного устройства является то, что из-за высокой температуры порошковые частицы практически полностью расплавляются, что не позволяет получить изделий с заданной пористостью.A device is known for layer-by-layer production of three-dimensional objects that implement laser sintering methods for powder materials, involving the use of a three-coordinate scanning of a laser beam and complex separate systems for layer-by-layer feeding and mechanical leveling of powder (V. Kuznetsov. Rapid prototyping and expansion systems. CAD / CAM / CAE Observer. 2003. No. 4 (13). C.2-7.). The main disadvantage of the known device is that, due to the high temperature, the powder particles are almost completely melted, which does not allow to obtain products with a given porosity.

Известна установка по селективному лазерному спеканию (E.N.Antonov, V.N.Bagratashvili, S.M.Howdle et al. Fabrication of Polymer Scaffolds for Tissue Engineering Using Surface Selective Laser Sintering // Laser Physics, 2006. V.16. N.5. Р.774-787), состоящая из волоконного лазера, микроскопа с объективом, видеокамеры, инфракрасного регистратора, технологической платформы, способной перемещаться по двум взаимно перпендикулярным направлениям. В известной установке использовался волоконный лазер ЛС-0.97 (ИРЭ Полюс, Россия) с длиной волны 970 нм. К недостатком данной установки следует отнести то, что она не позволяла получать объемные объекты и покрытия в автоматическом режиме.Known installation for selective laser sintering (ENAntonov, VN Bagratashvili, SM Howdle et al. Fabrication of Polymer Scaffolds for Tissue Engineering Using Surface Selective Laser Sintering // Laser Physics, 2006. V.16. N.5. P.774-787 ), consisting of a fiber laser, a microscope with a lens, a video camera, an infrared recorder, a technological platform that can move in two mutually perpendicular directions. In the known setup, an LS-0.97 fiber laser (IRE Polyus, Russia) with a wavelength of 970 nm was used. The disadvantage of this installation should be attributed to the fact that it did not allow to obtain volumetric objects and coatings in automatic mode.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является установка порошковой лазерной стереолитографии (Заявка ФРГ №10053742, МПК7 B22F 3/105, В29С 47/04, В22С 7/00, опубл. 29.05.2002 (прототип), включающая лазерное устройство с оптической системой, горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода, технологическую платформу, вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода, бункер с системой подачи, систему нанесения и блок управления. Известная установка работает следующим образом. Предварительно бункер с системой подачи наполняют порошком. Блок управления дает команду на бункер с системой подачи, откуда в систему нанесения поступает определенное количество порошка. По команде с системы управления система нанесения наносит тонкий слой порошка на технологическую платформу или на закрепленный на ней каркас, и платформа с помощью элемента привода устанавливается по вертикали так, чтобы фокус оптической системы расположился в нанесенном слое. Затем блок управления включает лазер и управляет перемещением оптической системы в горизонтальных направлениях с помощью элементов привода так, что по заданной в блоке управления программе формируется конфигурация первого слоя. Далее процесс повторяется, и формируются второй и последующие слои. В качестве лазерного устройства в известной установке используется непрерывный лазер с излучением в инфракрасном диапазоне длин волн.The closest in technical essence to the claimed invention is the installation of laser powder stereolithography (Application Germany No. 10053742, IPC7 B22F 3/105, B29C 47/04, B22C 7/00, published on 05.29.2002 (prototype), including a laser device with an optical system , the horizontal movement of which in two mutually perpendicular directions is provided by the drive elements, a technological platform, the vertical movement of which is provided by the drive element, a hopper with a feed system, an application system and a control unit. it melts as follows: The hopper with the feed system is pre-filled with powder. The control unit gives a command to the hopper with the feed system, from where a certain amount of powder enters the application system. On command from the control system, the application system puts a thin layer of powder on the technological platform or on the platform fixed to it the frame, and the platform using the drive element is installed vertically so that the focus of the optical system is located in the applied layer. Then, the control unit turns on the laser and controls the movement of the optical system in horizontal directions using the drive elements so that the configuration of the first layer is formed according to the program specified in the control unit. Then the process is repeated, and the second and subsequent layers are formed. As a laser device in the known installation uses a continuous laser with radiation in the infrared wavelength range.

Известная установка, обладая возможностью получения изделий с заданной пористостью, не позволяет получать трехмерные объекты и покрытия с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности, что значительно ограничивает области ее применения. Это связано с тем, что излучение используемого лазерного устройства не визуализируется, поскольку оно находится в инфракрасном диапазоне длин волн. Поэтому каркас со сложной геометрической формой поверхности трудно установить на технологической платформе точно в заданном месте.The known installation, having the ability to obtain products with a given porosity, does not allow to obtain three-dimensional objects and coatings using a prefabricated frame with a complex geometric shape of the surface, which significantly limits the scope of its application. This is due to the fact that the radiation of the used laser device is not visualized, since it is in the infrared wavelength range. Therefore, a frame with a complex geometric shape of the surface is difficult to install on a technological platform exactly in a given place.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании установки по селективному лазерному спеканию, которая позволяет получать трехмерные объекты и покрытия с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности.The problem to which the claimed invention is directed is to create a selective laser sintering apparatus that allows three-dimensional objects and coatings to be produced using a prefabricated framework with a complex geometric surface shape.

Технический результат достигается установкой по селективному лазерному спеканию, включающей лазерное устройство с оптической системой, горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода, технологическую платформу, вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода, бункер с системой подачи, систему нанесения, излучатель видимого диапазона, плоскопараллельную пластину и блок управления.The technical result is achieved by the installation of selective laser sintering, which includes a laser device with an optical system, the horizontal movement of which in two mutually perpendicular directions is provided by drive elements, a technological platform, the vertical movement of which is provided by the drive element, hopper with a feed system, a deposition system, an emitter of the visible range, plane-parallel plate and control unit.

Техническим результатом от применения заявляемого изобретения является возможность получения трехмерных объектов и покрытий с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности.The technical result from the application of the claimed invention is the ability to obtain three-dimensional objects and coatings using a prefabricated frame with a complex geometric shape of the surface.

На фиг.1 схематически изображена предложенная установка по селективному лазерному спеканию. Она состоит из лазерного устройства 1 с оптической системой 2, горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода 3, технологической платформы 4, вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода 5, бункера с системой подачи 6, системы нанесения 7, блока управления 8, излучателя видимого диапазона 9, плоскопараллельной пластины 10.Figure 1 schematically shows the proposed installation for selective laser sintering. It consists of a laser device 1 with an optical system 2, the horizontal movement of which in two mutually perpendicular directions is provided by the elements of the drive 3, the technological platform 4, the vertical movement of which is provided by the drive element 5, the hopper with the feed system 6, the application system 7, the control unit 8, emitter of the visible range 9, plane-parallel plate 10.

Установка по селективному лазерному спеканию работает следующим образом. Предварительно бункер с системой подачи 6 наполняют порошком. При необходимости на технологическую платформу 4, используя световое пятно излучателя видимого диапазона 9, точно в заданном месте устанавливается каркас. Блок управления 8 дает команду на бункер с системой подачи 6, откуда определенное количество порошка поступает в систему нанесения 7. По команде с блока управления 8 система нанесения 7 наносит тонкий слой порошка на поверхность технологической платформы 4 или на закрепленный на ней каркас и технологическая платформа 4 с помощью элемента привода 5 устанавливается так, чтобы фокус оптической системы 2 расположился в нанесенном слое. Затем блок управления 8 включает лазерное устройство 1 и управляет перемещением оптической системы 2 в горизонтальных направлениях с помощью элементов привода 3 и технологической платформы 4 в вертикальном направлении с помощью элементов привода 5 так, что по заданной в блоке управления 8 программе формируется конфигурация первого слоя. Далее процесс повторяется, и при этом формируются второй и последующие слои.Installation for selective laser sintering works as follows. Pre-hopper with a feed system 6 is filled with powder. If necessary, on the technological platform 4, using the light spot of the emitter of the visible range 9, the frame is installed exactly in the given place. The control unit 8 gives a command to the hopper with a supply system 6, from where a certain amount of powder enters the application system 7. On command from the control unit 8, the application system 7 applies a thin layer of powder on the surface of the technological platform 4 or on the frame and technological platform 4 fixed to it using the drive element 5 is set so that the focus of the optical system 2 is located in the applied layer. Then, the control unit 8 turns on the laser device 1 and controls the horizontal movement of the optical system 2 using the elements of the drive 3 and the technological platform 4 in the vertical direction using the elements of the drive 5 so that the configuration of the first layer is formed according to the program specified in the control unit 8. Further, the process is repeated, and thus the second and subsequent layers are formed.

При конструировании установки по селективному лазерному спеканию излучатель видимого диапазона и плоскопараллельную пластину устанавливают так, чтобы совместить пучки излучений излучателя видимого диапазона и лазерного устройства. В результате этого световое пятно излучателя видимого диапазона на поверхности технологической платформы или каркаса точно указывает место фокусировки инфракрасного излучения лазерного устройства.When constructing an installation for selective laser sintering, the visible-range emitter and the plane-parallel plate are set so as to combine the radiation beams of the visible-range emitter and the laser device. As a result of this, the light spot of the visible range emitter on the surface of the technological platform or frame accurately indicates the focus point of the infrared radiation of the laser device.

Достижение заявленного технического результата, а именно, создание установки по селективному лазерному спеканию, обеспечивающей получение трехмерных объектов и покрытий с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности, происходит за счет добавления излучателя видимого диапазона и плоскопараллельной пластины, что позволяет устанавливать каркас на технологической платформе по световому пятну точно в заданном месте.Achievement of the claimed technical result, namely, the creation of a selective laser sintering plant, which provides three-dimensional objects and coatings using a prefabricated frame with a complex geometric surface shape, is achieved by adding a visible range emitter and plane-parallel plate, which allows you to install the frame on a technological platform on a light spot exactly in a given place.

В качестве излучателя видимого диапазона может быть использован гелий-неоновый лазер, излучающий в красном диапазоне длин волн, или стандартные излучатели на лазерных диодах, излучающие в видимом диапазоне длин волн. В качестве плоскопараллельной пластины может быть использована, например, плоскопараллельная пластина из кварцевого стекла. Авторами была изготовлена и испытана установка по селективному лазерному спеканию с применением плоскопараллельной пластины из кварцевого стекла и гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм.As a visible range emitter, a helium-neon laser emitting in the red wavelength range or standard laser diode emitters emitting in the visible wavelength range can be used. As a plane-parallel plate, for example, a plane-parallel silica glass plate can be used. The authors fabricated and tested an installation for selective laser sintering using a plane-parallel plate made of quartz glass and a helium-neon laser with a wavelength of 633 nm.

Таким образом, созданная установка по селективному лазерному спеканию позволила достичь заявленного технического результата, а именно, обеспечить получение трехмерных объектов и покрытий с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности.Thus, the created installation for selective laser sintering made it possible to achieve the claimed technical result, namely, to provide three-dimensional objects and coatings using a prefabricated frame with a complex geometric shape of the surface.

Claims

Installation for selective laser sintering, including a laser device with an optical system, the horizontal movement of which in two mutually perpendicular directions is provided by drive elements, a technological platform, the vertical movement of which is provided by the drive element, a hopper with a feed system, a deposition system and a control unit, characterized in that it further comprises an optical radiation source and a plane-parallel plate.