RU152431U1

RU152431U1 - POWDER LASER SINTERING DEVICE

Info

Publication number: RU152431U1
Application number: RU2014136875/02U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Григорьев; Сан Милан Рамон Торресильяс; Антонио Диас Родригес Луис; Пинарготе Нестор Вашингтон Солис; Марина Александровна Волосова; Анна Андреевна Окунькова; Сергей Сергеевич Пожидаев; Юрий Григорьевич Владимиров
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-05-27

Abstract

1. Устройство для лазерного спекания порошка, содержащее лазер, выполненный с возможностью формирования лазерного луча круглого сечения, и средства относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно установленными между лазером и поверхностью спекаемого порошка средством прямого масштабирования в виде плосковогнутой линзы и средством обратного масштабирования в виде двояковыпуклой линзы, и размещенным между ними средством преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения выполнено с возможностью формирования большей стороны прямоугольного сечения лазерного луча в направлении относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения выполнено с возможностью формирования меньшей стороны прямоугольного сечения лазерного луча в направлении относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения выполнено с возможностью формирования лазерного луча квадратного сечения.1. Device for laser sintering of powder, containing a laser configured to form a laser beam of circular cross-section, and means of relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, characterized in that it is equipped with a direct scaling device installed in series between the laser and the surface of the sintered powder in the form planar-concave lens and means of inverse scaling in the form of a biconvex lens, and placed between them means for converting a laser beam of a circular cross-section into a laser beam of a rectangular cross-section. The device according to claim. 1, characterized in that the means for converting a laser beam of circular cross-section into a laser beam of rectangular cross-section is configured to form a larger side of a rectangular cross-section of the laser beam in the direction of relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder. The device according to claim. 1, characterized in that the means for converting a laser beam of circular cross-section into a laser beam of rectangular cross-section is configured to form the smaller side of the rectangular cross-section of the laser beam in the direction of relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder. The device according to claim. 1, characterized in that the means for converting a laser beam of a circular cross-section into a laser beam of a rectangular cross-section is configured to form a laser beam of a square cross-section.

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 последовательных линий по слою порошка до тех пор, пока не будет просканирован весь слой, получают крайний слой детали. Лазер включают в тех точках, где порошок должен быть спечен, а в других - лазер отключают. Когда завершают формирование одного слоя, поверхность спеченного слоя опускают, наносят другой слой порошка поверх предыдущего, уже спеченного слоя, и сканируют следующий слой. Процесс повторяют до тех пор, пока не получат готовую деталь.During sintering, the laser beam, at an almost constant power level, is directed to the powder layer and by repeatedly scanning the laser beam along successive lines along the powder layer until the entire layer is scanned, an extreme layer of the part is obtained. The laser is turned on at those points where the powder should be sintered, and at others the laser is turned off. When the formation of one layer is completed, the surface of the sintered layer is lowered, another layer of powder is applied over the previous, already sintered layer, and the next layer is scanned. The process is repeated until the finished part is received.

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 заявленному - прототипом - является устройство для лазерного спекания порошка, содержащее лазер, предназначенный для формирования лазерного луча круглого сечения, средства управления процессом спекания и направления лазерного луча на поверхность порошка в зоне спекания (патент РФ №2141887).Closest to the claimed prototype is a device for laser sintering of powder containing a laser designed to form a circular laser beam, means for controlling the sintering process and directing the laser beam to the powder surface in the sintering zone (RF patent No. 2181887).

К недостаткам прототипа, как и известных из уровня техники аналогов, следует отнести невысокое качество спекания, обусловленное неравномерной интенсивностью нагрева зоны спекания лазерным лучом круглого сечения, формирующим пик интенсивности нагрева по центру с крутым ее спадом к периферии.The disadvantages of the prototype, as well as analogues known from the prior art, include the low sintering quality due to the uneven intensity of heating of the sintering zone by a laser beam of circular cross section, which forms a peak in the heating intensity in the center with a sharp decline to the periphery.

Полезная модель направлена на решение задачи обеспечения более равномерного распределения интенсивности нагрева лазерным лучом зоны спекания порошковых материалов и композиций.The utility model is aimed at solving the problem of providing a more uniform distribution of the intensity of heating of the sintering zone of powder materials and compositions by a laser beam.

Технический результат - повышение качества спекания порошковых материалов и композиций.The technical result is an increase in the quality of sintering of powder materials and compositions.

Поставленная задача решается и заявленный технический результат достигается тем, что устройство для лазерного спекания порошка, содержащее лазер, выполненный с возможностью формирования лазерного луча круглого сечения, и средства относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, снабжено последовательно установленными между лазером и поверхностью спекаемого порошка средством прямого масштабирования в виде плоско-вогнутой линзы и средством обратного масштабирования в виде двояковыпуклой линзы, и размещенным между ними средством преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения, при этом средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения может быть выполнено с возможностью формирования большей стороны прямоугольного сечения лазерного луча в направлении относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, или средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения может быть выполнено с возможностью формирования меньшей стороны прямоугольного сечения лазерного луча в направлении относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, кроме того средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного сечения может быть выполнено с возможностью формирования лазерного луча квадратного сечения.The problem is solved and the claimed technical result is achieved by the fact that the device for laser sintering of the powder, containing a laser configured to form a laser beam of circular cross section, and means for relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, is equipped with sequentially installed between the laser and the surface of the sintered powder direct scaling in the form of a flat-concave lens and a means of reverse scaling in the form of a biconvex lens, and between them means for converting a circular laser beam into a rectangular laser beam, while the means for converting a circular laser beam into a rectangular laser beam can be configured to form a larger side of the rectangular laser beam in the direction of relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder , or means for converting a circular laser beam into a rectangular laser beam may be possible the possibility of forming the smaller side of the rectangular cross section of the laser beam in the direction of relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, in addition, the means for converting a circular laser beam into a rectangular laser beam can be configured to form a square laser beam.

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 - распределение интенсивности нагрева лазерным лучом круглого сечения зоны спекания порошковых материалов;FIG. 2 - distribution of the intensity of heating by a laser beam of a circular cross-section of the sintering zone of powder materials;

Фиг. 3 - распределение интенсивности нагрева лазерным лучом прямоугольного сечения зоны спекания порошковых материалов.FIG. 3 - distribution of the intensity of heating by a laser beam of a rectangular section of the sintering zone of powder materials.

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 - затвор лазера;2 - laser shutter;

3 - средство прямого масштабирования (увеличение сечения) лазерного луча;3 - means of direct scaling (increase in cross section) of the laser beam;

4 - средство обратного масштабирования (уменьшение сечения) лазерного луча;4 - means for reverse scaling (reduction of the cross section) of the laser beam;

5 - средство преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения;5 - means for converting a laser beam of circular cross section into a laser beam of rectangular / square cross section;

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

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

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

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

10 - камера спекания;10 - sintering chamber;

11 - порошок;11 - powder;

12 - контейнер;12 - container;

13 - поршень;13 - a piston;

14 - электродвигатель управления поршнем;14 - piston control electric motor;

15 - система управления спеканием.15 is a sintering control system.

Принципиально представленное устройство для лазерного спекания порошка не отличается от прототипа, однако введение в него средства 5 преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения преобразует характерное для прототипа распределение интенсивности нагрева с пиком по центру с крутым спадом к периферии (см. Фиг. 2) в равномерное распределение интенсивности нагрева (см. Фиг. 3). Аналогичные решения применения различных средств преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения известны из уровня техники в применении, например, для упрочнения металлов (см. например решение для лазерного упрочнения изделий - патент РФ №2449029 или Engineered диффузоры™ - http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1660).The fundamentally presented device for laser sintering of powder does not differ from the prototype, however, the introduction of means 5 for converting a round laser beam into a rectangular / square laser beam converts the distribution of the heating intensity characteristic of the prototype with a peak in the center with a steep decline to the periphery (see Fig. . 2) in a uniform distribution of the intensity of heating (see Fig. 3). Similar solutions for using various means of converting a circular laser beam into a rectangular / square laser beam are known from the prior art in applications, for example, for hardening metals (see, for example, a solution for laser hardening of products - RF patent No. 2449029 or Engineered diffusers ™ - http: //www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1660).

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 материалов, например, металл-бронза. Кроме того, вместо применения для спекания сходящегося (сфокусированного) пучка для лазерного луча, может быть использован обеспечивающий более высокие эффективность и качество спекания порошка коллимированный луч при условии, что уровень мощности достаточно высок, а диаметр луча достаточно мал (⌀0.05-0.2 мм) для обеспечения спекания. Однако это условие противоречит требованиям, предъявляемым к лазерному лучу известными средствами преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения, которые предназначены для использования с ⌀0.5 мм или более крупных лазерных лучей. Введение в устройство для лазерного спекания порошка средства 3 прямого масштабирования (увеличение сечения) лазерного луча перед средством 5 преобразования лазерного луча круглого сечения в лазерный луч прямоугольного/квадратного сечения, и средства 4 обратного масштабирования (уменьшение сечения) лазерного луча за ним, позволяет устранить вышеописанное противоречие.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, instead of using a converging (focused) beam for sintering for a laser beam for sintering, a collimated beam providing higher efficiency and quality of sintering of the powder can be used, provided that the power level is sufficiently high and the beam diameter is sufficiently small (⌀0.05-0.2 mm) to ensure sintering. However, this condition contradicts the requirements imposed on a laser beam by known means of converting a circular laser beam into a rectangular / square laser beam, which are intended for use with ⌀0.5 mm or larger laser beams. The introduction into the device for laser sintering of powder of means 3 for direct scaling (enlarging the cross-section) of the laser beam in front of the means 5 for converting the round laser beam into a rectangular / square laser beam, and for the reverse scaling (reducing the cross-section) means 4 of the laser beam behind it, eliminates the above contradiction.

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

Лазер 1 генерирует луч 10 круглого сечение ⌀0.2 мм. Система 9 управления процессом спекания открывает затвор 2 лазера 1 и управляет движением сканирующих зеркал 6 и 7, а также электродвигателем 14 для управления поршнем 13, обеспечивая тем самым требуемые условия спекания порошка 11. При этом луч 16, проходя через затвор 2 выходит из него как луч 17 и попадает на средство 3 прямого масштабирования (например, плоско-вогнутую линзу). Проходя через средство 3 луч изменяет свой диаметр, например, с 0,15 мм до 0,8 мм и выходит, как луч 18. Такой диаметр луча позволяет средству 5 (например, Engineered диффузору™) качественно преобразовать проходящий через него лазерный луч 18 круглого сечения в лазерный луч 19 квадратного сечения со стороной квадрата, например, а=0,7 мм (или адекватным соотношением сторон прямоугольника). Далее лазерный луч 19, проходя через средство 4 обратного масштабирования (например, двояковыпуклую линзу), изменяет свой размер а, например, с 0.7 мм до 0.1 мм и подается на систему сканирующих зеркал 6 и 7. Зеркала 6 и 7 отражают сфокусированный луч 20, сканируя его по линиям на поверхности порошка 11 для избирательного спекания требуемых областей.Laser 1 generates a beam 10 of circular cross section ⌀0.2 mm. The sintering process control system 9 opens the shutter 2 of the laser 1 and 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 sintering conditions for the powder 11. In this case, the beam 16 passing through the shutter 2 leaves it as beam 17 and falls on the means 3 of direct scaling (for example, a flat-concave lens). Passing through means 3, the beam changes its diameter, for example, from 0.15 mm to 0.8 mm and exits as beam 18. Such a diameter of the beam allows means 5 (for example, Engineered diffuser ™) to qualitatively transform the round laser beam 18 passing through it section into the laser beam 19 of a square section with a side of a square, for example, a = 0.7 mm (or an adequate aspect ratio of the rectangle). Next, the laser beam 19, passing through the means 4 reverse scaling (for example, a biconvex lens), changes its size a, for example, from 0.7 mm to 0.1 mm and is fed to a system of scanning mirrors 6 and 7. Mirrors 6 and 7 reflect the focused beam 20, scanning it along the lines on the surface of the powder 11 for selective sintering of the desired areas.

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. Device for laser sintering of powder, containing a laser configured to form a laser beam of circular cross section, and means for relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder, characterized in that it is equipped with a direct scaling means between the laser and the surface of the sintered powder in the form of a flat-concave lens and a means of backward scaling in the form of a biconvex lens, and the means for converting the laser beam cross section into a laser beam of rectangular cross section.

2. The device according to p. 1, characterized in that the means for converting a circular laser beam into a rectangular laser beam is configured to form a larger side of the rectangular laser beam in the direction of relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder.

3. The device according to p. 1, characterized in that the means of converting a circular laser beam into a rectangular laser beam is configured to form a smaller side of a rectangular laser beam in the direction of relative movement of the laser beam and the surface of the sintered powder.

4. The device according to p. 1, characterized in that the means of converting a laser beam of circular cross section into a laser beam of rectangular cross section is configured to form a laser beam of square cross section.