RU151056U1

RU151056U1 - POWDER LASER SINTERING DEVICE

Info

Publication number: RU151056U1
Application number: RU2014136874/02U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Григорьев; Сан Милан Рамон Торресильяс; Антонио Диас Родригес Луис; Пинарготе Нестор Вашингтон Солис; Марина Александровна Волосова; Анна Андреевна Окунькова; Михаил Павлович Козочкин; Павел Юрьевич Перетягин
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-03-20

Abstract

1. Устройство для лазерного спекания порошка, содержащее последовательно соосно установленные лазер и средство фокусирования лазерного луча и средство относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, отличающееся тем, что оно снабжено оптической системой колебаний лазерного луча, которая размещена между средством фокусирования лазерного луча и средством относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, которая выполнена с возможностью обеспечения колебания сфокусированного лазерного луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям, нормальным к оси средства фокусирования лазерного луча.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическая система колебаний лазерного луча содержит оптический элемент в виде плоского зеркала.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическая система колебаний лазерного луча содержит оптический элемент в виде призмы.1. A device for laser sintering of powder, containing in series coaxially mounted laser and means for focusing the laser beam and means for relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, characterized in that it is equipped with an optical system for oscillating the laser beam, which is located between the means for focusing the laser beam and the means relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, which is configured to provide oscillation of the focused laser beam in two mutually perpendicular directions normal to the axis of the laser beam focusing means. 2. The device under item 1, characterized in that the optical system of oscillations of the laser beam contains an optical element in the form of a flat mirror. The device according to claim. 1, characterized in that the optical system of oscillations of the laser beam contains an optical element in the form of a prism.

Description

Полезная модель относится к области получения различных порошковых материалов и композиций и их формообразования путем лазерного спекания.The utility model relates to the field of production of various powder materials and compositions and their shaping by laser sintering.

Известен способ стереолитографии, предназначенный для быстрого изготовления опытных образцов пресс-форм или самих изделий. Как известно, в способе стереолитографии используют ультрафиолетовый лазер для сканирования и избирательной полимеризации мономера (то есть для отверждения жидкой пластмассы) с целью получения детали послойным наращиванием (или последовательным нанесением линий) по заданной модели. В частности, лазер фокусируют на часть ванны с жидкой смолой, которую заставляют полимеризоваться (или отверждаться) в том месте, где фокальная точка лазера контактирует с жидкостью (то есть лазерный луч падает на поверхность жидкости). Такая технология обеспечивает возможность быстрого получения детали, для изготовления которой иным способом, например, литьем, потребовалось бы много времени.A known method of stereolithography, designed for the rapid manufacture of prototypes of molds or the products themselves. As is known, the stereolithography method uses an ultraviolet laser to scan and selectively polymerize the monomer (i.e., to cure liquid plastic) in order to obtain the part by layer-by-layer extension (or sequential drawing of lines) according to a given model. In particular, the laser is focused on the part of the bath with the liquid resin, which is forced to polymerize (or cure) at the point where the focal point of the laser is in contact with the liquid (i.e., the laser beam hits the surface of the liquid). This technology provides the ability to quickly obtain parts, for the manufacture of which in another way, for example, by casting, it would take a lot of time.

Известен также способ быстрого изготовления опытных образцов при использовании инфракрасного лазера для избирательного спекания порошка. Как известно, спекание является процессом, в котором температуру порошкообразного материала повышают до температуры его размягчения нагревом с помощью лазера, заставляя частицы порошка спекаться в этой нагреваемой области. Температура, необходимая для спекания, зависит от спекаемого материала, но, чем выше температура, тем быстрее материал спекается. Например, железный порошок плавится при температуре 1500°C, но спечется при температуре 1000°C, если порошок выдержать при этой температуре в течение достаточно длительного времени.There is also known a method for the rapid manufacture of prototypes using an infrared laser for selective sintering of powder. As is known, sintering is a process in which the temperature of a powder material is raised to its softening temperature by heating with a laser, causing the powder particles to sinter in this heated region. The temperature required for sintering depends on the material being sintered, but the higher the temperature, the faster the material is sintered. For example, iron powder melts at a temperature of 1500 ° C, but sintered at a temperature of 1000 ° C, if the powder is kept at this temperature for a sufficiently long time.

В процессе спекания лазерный луч, при практически постоянном уровне мощности, направляют на слой порошка и многократным сканированием лазерного луча вдоль порошка, в результате чего получают крайний слой детали. Лазер включают только в тех точках, где порошок должен быть спечен. Когда завершают формирование одного слоя, поверхность спеченного слоя смещают и на нее наносят другой слой порошка поверх спеченного слоя, и сканируют лазерным лучом вновь нанесенный слой. Процесс повторяют, меняя конфигурацию последовательно наносимых слоев до тех пор, пока не получат готовую деталь требуемой формы.In the sintering process, the laser beam, at an almost constant power level, is directed to the powder layer and by repeatedly scanning the laser beam along the powder, as a result of which an extreme layer of the part is obtained. The laser is turned on only at those points where the powder should be sintered. When the formation of one layer is completed, the surface of the sintered layer is displaced and another layer of powder is applied on it over the sintered layer, and the newly deposited layer is scanned with a laser beam. The process is repeated, changing the configuration of successively applied layers until a finished part of the desired shape is obtained.

В заявке EP №0283003 описано устройство для спекания металлического порошка, имеющее детектор отражательной способности для оценки хода процесса спекания по коэффициенту отражения поверхности спекаемого порошка.EP application No. 0283003 describes a device for sintering a metal powder having a reflectivity detector for evaluating the progress of the sintering process by reflectance of the surface of the sintered powder.

В международной заявке WO №92/08566 описано устройство лазерного спекания, содержащее кольцеобразный излучатель-нагреватель для нагрева изделия, получаемого спеканием. Это позволяет избежать нежелательного охлаждения, которое может привести к короблению и скручиванию. Температура излучателя-нагревателя регулируется стационарно установленным температурным датчиком.International application WO No. 92/08566 describes a laser sintering apparatus comprising an annular radiator-heater for heating an article obtained by sintering. This avoids unwanted cooling, which can lead to warping and twisting. The temperature of the emitter-heater is regulated by a stationary temperature sensor.

Наиболее близким к заявленной модели устройством, выбранным в качестве прототипа, является устройство для лазерного спекания порошка, содержащее последовательно установленные соосные лазер и средство фокусирования лазерного луча, и средство относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка (патент РФ №2141887).Closest to the claimed model, the device selected as a prototype is a device for laser sintering of powder, containing sequentially mounted coaxial laser and means for focusing the laser beam, and means for the relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder (RF patent No. 2181887).

К недостаткам прототипа и известных из уровня техники аналогов, следует отнести относительно низкую скорость изготовления изделий, вызванную длительным временем формирования каждого нового спекаемого слоя, что обусловлено большой длиной траектории движения луча, необходимой для проработки всей площади спекаемого слоя при использовании лазерного луча с размером сечения, меньшим ширины спекаемого слоя, так как в таком случае необходимо нескольких проходов луча для спекания слоя по всей ширине.The disadvantages of the prototype and analogues known from the prior art include the relatively low speed of manufacturing products caused by the long formation time of each new sintered layer, due to the long path of the beam necessary to study the entire area of the sintered layer when using a laser beam with a section size smaller than the width of the sintered layer, since in this case several passes of the beam are necessary for sintering the layer over the entire width.

Полезная модель направлена на решение задачи обеспечения более быстрого спекания широких слоев порошковых материалов и прочих композиций.The utility model is aimed at solving the problem of providing faster sintering of wide layers of powder materials and other compositions.

Технический результат - повышение эффективности путем сокращения времени обработки спекаемого слоя порошковых материалов и композиций, а также повышение качества спекаемых изделий.The technical result is an increase in efficiency by reducing the processing time of the sintered layer of powder materials and compositions, as well as improving the quality of the sintered products.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для лазерного спекания порошка, содержащее последовательно установленные соосные лазер и средство фокусирования лазерного луча, и средство относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, снабжено оптической системой колебаний лазерного луча, которая размещена между средством фокусирования лазерного луча и средством относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, и при этом выполнена с возможностью обеспечения колебания сфокусированного лазерного луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям, нормальным к оси средства фокусирования лазерного луча, возможно исполнение оптической системы колебаний лазерного луча, содержащей оптический элемент в виде плоского зеркала или призмы.The claimed technical result is achieved due to the fact that the device for laser sintering of the powder, containing sequentially mounted coaxial laser and means for focusing the laser beam, and means for the relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, is equipped with an optical oscillation system of the laser beam, which is located between the laser focusing means beam and means of relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, and while made with the possibility of both sintering oscillations of a focused laser beam in two mutually perpendicular directions normal to the axis of the laser beam focusing means, it is possible to execute an optical system for oscillating a laser beam containing an optical element in the form of a flat mirror or prism.

Полезная модель поясняется следующими изображениями:The utility model is illustrated by the following images:

Фиг. 1 - схема устройства для лазерного спекания порошка;FIG. 1 is a diagram of a device for laser sintering of powder;

Фиг. 2 - схема формирования следа лазерного луча на поверхности спекаемого слоя при использовании колебательных движений лазерного луча;FIG. 2 is a diagram of the formation of a trace of a laser beam on the surface of a sintered layer using vibrational movements of the laser beam;

Фиг. 3 - схема формирования следа лазерного луча на поверхности спекаемого слоя при использовании колебательных движений лазерного луча и уменьшении скорости сканирования;FIG. 3 is a diagram of the formation of a trace of a laser beam on the surface of a sintered layer using vibrational motions of the laser beam and reducing the scanning speed;

Устройство для лазерного спекания порошка в соответствии со схемой на Фиг. 1 включает (но не ограничивается указанными) следующие функционально связанные элементы:A device for laser sintering of powder in accordance with the circuit of FIG. 1 includes, but is not limited to, the following functionally related elements:

1 - лазер;1 - laser;

2 - ось лазерного луча;2 - axis of the laser beam;

3 - затвор лазера;3 - laser shutter;

4 - фокусирующая линза;4 - focusing lens;

5 - оптическая система колебаний лазерного луча;5 - optical system for oscillation of the laser beam;

6 - сканирующее зеркало по оси х;6 - scanning mirror along the x axis;

7 - сканирующее зеркало по оси у;7 - scanning mirror along the y axis;

8 - привод управления сканирующего зеркала по оси х;8 - control drive of the scanning mirror along the x axis;

9 - привод управления сканирующего зеркала по оси у;9 - control drive of the scanning mirror along the y axis;

10 - камера спекания10 - sintering chamber

11 - порошок;11 - powder;

12 - контейнер;12 - container;

13 - поршень;13 - a piston;

14 - электродвигатель управления движением поршня;14 - electric motor controlling the movement of the piston;

15 - система управления процессом спекания.15 - sintering process control system.

Принципиально представленное устройство для лазерного спекания порошка не отличается от прототипа, однако введение в него оптической системы колебаний лазерного луча 5 заставляет луч колебаться по двум взаимно перпендикулярным направлениям, нормальным к оси лазерного луча 2, что позволяет за меньшее время формировать широкий след, обрабатывая им спекаемые площади с меньшим количеством проходов, что ускоряет процесс спекания при использовании лазерного луча с диаметром следа, меньшим по сравнению с шириной спекаемого слоя (фиг. 2).The fundamentally presented device for laser sintering of powder does not differ from the prototype, however, the introduction of an optical oscillation system of the laser beam 5 into it causes the beam to oscillate in two mutually perpendicular directions normal to the axis of the laser beam 2, which allows for forming a wide trace in less time, processing them sintered areas with fewer passes, which accelerates the sintering process when using a laser beam with a trace diameter smaller compared to the width of the sintered layer (Fig. 2).

На фигурах 3 и 4 проводится сравнение зон спекания без колебания луча 20, и с колебанием лазерного луча 21. Видно, что при колебании лазерного луча в направлении нормали к траектории сканирования 29, можно обеспечить спекание на ширине 26, которая больше чем ширина следа 27 в случае спекания без колебании. Ширина трека 26 зависит от задаваемой амплитуды колебания 25 луча 19 в направлении нормали к траектории сканирования 29 луча 19, а период колебания 24 фокусированного луча 19 при сканировании зависит от скорости сканирования луча 19 по поверхности порошка 11 и частоты колебания луча после выхода из оптической системы 5. В результате совместных согласованных движений, луч будет перемешаться по колебательной траектории 23. Возможно формирование зон 28, где не проходил след луча лазера 19, где могут оставаться участки не спеченного порошка. Эти участки 28 можно уменьшить или устранить совсем при снижении скорости сканирования луча по поверхности порошка так, чтобы след луча перекрывал зоны 28, или путем увеличения частоты колебаний луча (сокращения периода колебаний 24). Сочетание скорости сканирования и частоты колебания луча по нормали к траектории перемещения луча зависит от допустимого размера не спеченной зоны 28. Это обеспечивает выполнение требований к качеству спекания слоев материала.In figures 3 and 4, a comparison is made of the sintering zones without oscillation of the beam 20, and with the oscillation of the laser beam 21. It can be seen that when the laser beam oscillates in the direction normal to the scanning path 29, it is possible to provide sintering at a width of 26, which is greater than the width of the track 27 in case of sintering without hesitation. The width of track 26 depends on the specified amplitude of the oscillation 25 of the beam 19 in the direction normal to the scanning path 29 of the beam 19, and the oscillation period 24 of the focused beam 19 during scanning depends on the scanning speed of the beam 19 over the surface of the powder 11 and the frequency of the oscillation of the beam after exiting the optical system 5 As a result of joint coordinated movements, the beam will be mixed along the oscillatory trajectory 23. It is possible to form zones 28 where the trace of the laser beam 19 has not passed, where areas of unsintered powder may remain. These sections 28 can be reduced or eliminated altogether with a decrease in the speed of scanning the beam over the surface of the powder so that the trace of the beam overlaps zones 28, or by increasing the frequency of the beam (reducing the period of oscillation 24). The combination of the scanning speed and the oscillation frequency of the beam normal to the path of the beam depends on the allowable size of the non-sintered zone 28. This ensures that the quality requirements for sintering of the material layers are met.

Полезная модель может быть использована для спекания материалов любого типа, например, пластмасс, воска, металлов, керамики и других материалов. Можно спекать также два или более порошковых материала, например, металл - бронза. Кроме того, для спекания используется сфокусированный пучок лазера, который обеспечивает высокую эффективность и качество спекания порошка при условии, что уровень мощности достаточно высок для спекания исходного материала.The utility model can be used for sintering materials of any type, for example, plastics, waxes, metals, ceramics and other materials. You can also sinter two or more powder materials, for example, metal - bronze. In addition, a focused laser beam is used for sintering, which provides high efficiency and quality of sintering of the powder, provided that the power level is high enough for sintering of the starting material.

Устройство для лазерного спекания порошка работает следующим образом.A device for laser sintering of powder works as follows.

Лазер 1 генерирует луч 16, а система 15 управления процессом спекания открывает затвор 3 лазера 1, задает амплитуды колебаний оптической системы 5 по взаимно перпендикулярным направлениям в нормальной плоскости к оси лазерного луча 2, согласует взаимные колебательные движения с траекторией сканирования 29 луча, контролирует частоту и амплитуды колебания системы 5, управляет движением сканирующих зеркал 6 и 7, а также электродвигателя 14 для управления поршнем 13, обеспечивая тем самым требуемые условия спекания порошка 11. При этом луч 16, проходя через затвор 3 выходит из него как луч 17 и попадает на фокусирующую линзу 4. Проходя через средство 4, луч выходит с него как луч 18 и попадает в оптическую систему колебаний лазерного луча 5, в котором накладываются колебательные движения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивая колебательное движение следа луча по спекаемому слою по нормали к траектории 29 луча. Из оптической системы 5 выходит колеблющий лазерный луч 19, и подается на систему сканирующих зеркал 6 и 7. Зеркала 6 и 7 (в качестве альтернативы можно использовать призмы) отражают сфокусированный луч 19, сканируя его по линиям на поверхности порошка 11 для избирательного спекания требуемых областей.The laser 1 generates a beam 16, and the sintering process control system 15 opens the shutter 3 of the laser 1, sets the oscillation amplitudes of the optical system 5 in mutually perpendicular directions in the normal plane to the axis of the laser beam 2, coordinates mutual vibrational motions with the scanning path 29 of the beam, controls the frequency and the oscillation amplitude of the system 5, controls the movement of the scanning mirrors 6 and 7, as well as the electric motor 14 for controlling the piston 13, thereby providing the required conditions for sintering the powder 11. In this case, the beam 16 passing Through the shutter 3 leaves it like a beam 17 and enters the focusing lens 4. Passing through the means 4, the beam leaves it like a beam 18 and enters the optical oscillation system of the laser beam 5, in which oscillatory motions are superimposed in two mutually perpendicular directions, providing oscillatory motion of the beam trace along the sinter layer along the normal to the path of the beam 29. An oscillating laser beam 19 emerges from the optical system 5 and is fed to a system of scanning mirrors 6 and 7. Mirrors 6 and 7 (prisms can be used as an alternative) reflect the focused beam 19, scanning it along the lines on the surface of the powder 11 for selective sintering of the required regions .

В зависимости от применяемых параметров, описанных выше, достигается соответствующий результат.Depending on the applied parameters described above, an appropriate result is achieved.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - обеспечение более равномерного распределения интенсивности нагрева лазерным лучом зоны спекания порошковых материалов и композиций - решена, и заявленный технический результат - повышение качества спекания порошковых материалов и композиций - достигнут.The foregoing allows us to conclude that the task of the utility model — providing a more uniform distribution of the intensity of the laser beam heating the sintering zone of powder materials and compositions — is solved, and the claimed technical result — improving the quality of sintering of powder materials and compositions — is achieved.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения различных порошковых материалов и композиций и их формообразования путем лазерного спекания;- the object embodying the claimed technical solution, in its implementation is intended to produce various powder materials and compositions and their formation by laser sintering;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form described in the formula, the possibility of its implementation using the methods and methods described above or known from the prior art on the priority date is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed object meets the criteria of patentability "novelty" and "industrial applicability" under applicable law.

Claims

1. A device for laser sintering of a powder, comprising sequentially coaxially mounted laser and means for focusing the laser beam and means for relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, characterized in that it is equipped with an optical oscillation system of the laser beam, which is located between the means of focusing the laser beam and means the relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, which is configured to provide oscillation of the focused la ernogo beam in two mutually perpendicular directions normal to the axis of the means of focusing the laser beam.

2. The device according to p. 1, characterized in that the optical system of oscillation of the laser beam contains an optical element in the form of a flat mirror.

3. The device according to p. 1, characterized in that the optical system of oscillation of the laser beam contains an optical element in the form of a prism.