RU2468920C2 - Способ послойного изготовления армированных объемных изделий - Google Patents
Способ послойного изготовления армированных объемных изделий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2468920C2 RU2468920C2 RU2010151804/05A RU2010151804A RU2468920C2 RU 2468920 C2 RU2468920 C2 RU 2468920C2 RU 2010151804/05 A RU2010151804/05 A RU 2010151804/05A RU 2010151804 A RU2010151804 A RU 2010151804A RU 2468920 C2 RU2468920 C2 RU 2468920C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- product
- layers
- suspension
- laser
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 8
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 7
- 239000007858 starting material Substances 0.000 claims description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 abstract 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 23
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 1
- 238000002224 dissection Methods 0.000 description 1
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к способу изготовления армированных объемных изделий. Способ включает последовательное послойное размещение исходного материала в емкости, обработку каждого слоя лазерным излучением по заданному контуру и извлечение полученного изделия из емкости с удалением исходного материала, не принявшего участия в формировании изделия. При этом формируемые слои образуют лишь часть объема изделия, а остальную часть объема изделия образует заранее изготовленный объект, размещаемый в емкости перед началом процесса формирования, к которому посредством лазерного воздействия прикрепляют хотя бы часть формируемых слоев. Причем в качестве исходного материала формируемых слоев используют суспензию с дисперсной фазой в виде порошка из термопластичного полимера, суспензия заполняет при размещении пространство между заранее изготовленным объектом и стенками емкости, а слои формируют путем спекания частиц дисперсной фазы суспензии посредством лазерного воздействия. Достигаемый при этом технический результат заключается в сокращении затрат времени при послойном изготовлении полимерных и композиционных ихделий. 1 з.п. ф-лы, 17 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области формообразования изделий и может быть использовано при изготовлении полимерных и композиционных изделий для создания модельной оснастки для процессов литья, изделий машиностроения и приборостроения, физических моделей изделий для научных исследований.
Известны способы послойного формообразования изделий путем последовательного формирования соединенных друг с другом слоев, соответствующих форме поперечных сечений изготавливаемого изделия, позволяющие получать объекты весьма сложной формы [Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - с.25-47].
Известен способ точного изготовления неразъемных трехмерных изделий из последовательности слоев фотоотверждаемой жидкой композиции [пат. США №5002854. Solid imaging method using compositions containing core-shell polymers / R.N.Fan, M.Fryd], заключающийся в последовательном нанесении слоев жидкой фотоотверждаемой композиции и экспозиции участков каждого такого слоя актиничным излучением, под действием которого формируется слой изделия определенной формы, скрепленный с предыдущими слоями, если таковые уже были сформированы. Фотоотверждаемая композиция содержит преломляющие компоненты, включающие этиленовый ненасыщенный мономер, фотоинициатор и преломляющие излучение компоненты, включающие полимеры с ядром, сформированным из мономера.
Недостатками такого способа являются высокая стоимость и токсичность использующихся фотоотверждаемых жидкостей, необходимость в формировании вместе с изделием поддерживающих структур для предотвращения короблений и отслаиваний, высокие затраты времени на изготовление изделий, связанные с необходимостью формирования всего объема изделия.
Известен способ изготовления изделий селективным спеканием [пат. США №4863538 Method and apparatus for producing parts by selective sintering / C.R.Deckard], заключающийся в изготовлении объемных изделий из порошков, включающий последовательное послойное размещение слоев порошка, обработку каждого слоя энергетическим лучом (например, лучом лазера) по заданному контуру, в результате которой за счет спекания частиц порошка формируется слой изделия определенной формы, скрепленный с предыдущими слоями, если таковые уже были сформированы. Полученная таким способом совокупность скрепленных между собой слоев образует искомое изделие.
Недостатком такого способа являются высокие затраты времени на изготовление изделий, связанные с необходимостью формирования всего объема изделия.
Наиболее близким к рассматриваемому способу по технической сущности является способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции [пат. РФ №2145269 Способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции /И.В.Шишковский, Н.Л.Куприянов], заключающийся в изготовлении объемных изделий из порошковой композиции, включающий последовательное послойное размещение порошковой композиции в станке для селективного лазерного спекания, обработку каждого слоя лазерным излучением по заданному контуру и извлечение полученного изделия из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия. В качестве порошковой композиции используют смеси металлических порошков с полимерными порошками поликарбоната или полиамида с характерными размерами частиц металла и полимера от 20 до 160 мкм при соотношении от 4 до 25 вес.ч. металлсодержащего порошка на 1 вес.ч. полимерного порошка.
Недостатком такого способа являются высокие затраты времени на изготовление изделий, связанные с необходимостью формирования всего объема изделия.
Задача изобретения - сокращение затрат времени при послойном изготовлении полимерных и композиционных изделий.
Решение поставленной задачи достигается последовательным послойным размещением исходного материала в емкости с последующей обработкой каждого слоя лазерным излучением по заданному контуру. Полученное изделие извлекают из емкости и удаляют исходный материал, не принявший участия в формировании изделия. Причем формируемые слои образуют лишь часть объема изделия, а остальную часть объема изделия образует заранее изготовленный объект (армирующий элемент), размещаемый в емкости перед началом процесса формирования и к которому посредством лазерного воздействия прикрепляют хотя бы часть формируемых слоев. В качестве исходного материала формируемых слоев используют суспензию с дисперсной фазой в виде порошка из термопластичного полимера. При размещении суспензия заполняет пространство между заранее изготовленным объектом и стенками емкости, а слои изделия формируют путем спекания частиц дисперсной фазы суспензии посредством лазерного воздействия.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показана последовательность осуществления способа.
На фиг.2 показаны спеченные слои на верхней границе изделия.
На фиг.3 представлены этапы формирования изделия с закрытым армирующим элементом.
На фиг.4 представлена модель изготавливаемого изделия.
На фиг.5 показаны слои, полученные после рассечения модели послойно формируемого объема.
На фиг.6 показаны траектории движения пятна лазера для спекания слоев.
На фиг.7 представлена фотография изделия, полученного предложенным способом.
В таблице приведены величины сокращения затрат времени для некоторых форм изделий и армирующих элементов.
Существо способа заключается в выполнении следующей последовательности действий.
Модель получаемого изделия 1 разбивают на модель заранее изготовленного объекта (армирующего элемента) 2 и модель послойно формируемого объема изделия 3 (фиг.1,а).
Получают поперечные сечения 4 модели послойно формируемого объема изделия 3, отстоящие друг от друга на расстоянии h. Далее для каждого такого сечения рассчитывают траекторию 5, заполняющую площадь между границей текущего сечения формируемого изделия 6 и границей армирующего элемента 7 с шагом s между соседними линиями (фиг.1,б).
В емкость 8 устанавливают заранее изготовленный армирующий элемент 9 (фиг.1,в).
Вокруг армирующего элемента 9 в емкость 8 наносят слой суспензии 10 (фиг.1,г), в которой в качестве твердой дисперсной фазы используют порошок из термопластичного полимера. Под действием силы тяжести суспензия растекается между стенками емкости и армирующим элементом по дну емкости слоем с горизонтальной поверхностью.
На поверхность слоя суспензии 10 направляют луч лазера 11, перемещающийся по поверхности слоя суспензии 10 по ранее рассчитанной для нижнего сечения траектории. Под тепловым воздействием лазерного излучения частицы термопластичного полимера спекаются между собой и соединяются с армирующим элементом, образуя слой 12 (фиг.1,д).
Вокруг армирующего элемента 9 в емкость 8 наносят новый слой суспензии высотой h. Под действием силы тяжести суспензия растекается между стенками емкости и армирующим элементом по предыдущему слою суспензии слоем с горизонтальной поверхностью (фиг.1,е).
На поверхность слоя суспензии направляют луч лазера 11, перемещающийся по поверхности слоя суспензии по ранее рассчитанной для следующего сечения траектории. Под тепловым воздействием лазерного излучения частицы термопластичного полимера спекаются между собой и соединяются с предыдущим слоем и армирующим элементом, образуя слой 13 (фиг.1,ж).
Последовательно повторяют нанесение новых слоев суспензии высотой h и их обработку лазерным излучением по ранее рассчитанной для каждого слоя траектории до тех пор, пока не будет сформирован последний слой. После чего готовое изделие 14 (фиг.1,з) извлекают из емкости 8 и удаляют с его поверхности остатки суспензии.
В случае необходимости формирования поверхности или поверхностей, образованных спеченными слоями на верхней границе изделия (фиг.2), первый слой 15, лежащий выше армирующего элемента, выполняется по приведенной выше последовательности, а остальные слои 16 выполняются по приведенной выше последовательности, за исключением того, что под тепловым воздействием лазерного излучения частицы термопластичного полимера спекаются между собой и соединяются с предыдущим слоем, но не соединяются непосредственно с армирующим элементом.
В случае если необходимо, чтобы сформированные слои полностью закрывали армирующий элемент, то:
предварительно изготавливают изделие по приведенной выше последовательности (фиг.3,a);
предварительно изготовленное изделие извлекают из емкости, переворачивают на 180 градусов и вновь устанавливают его в ту же емкость (фиг.3,б);
далее продолжают изготовление изделия по приведенной выше последовательности, причем предварительно изготовленное изделие выступает в качестве заранее изготовленного объекта (фиг.3,в).
Армирующий элемент может быть изготовлен из полимера, металла, сплава или керамики. Прикрепление спеченных слоев к армирующему элементу осуществляется за счет образования механических связей между материалами спеченного слоя и армирующего элемента вследствие нагрева частиц полимера дисперсной фазы суспензии.
Сокращение затрат времени на изготовление изделия данным способом по сравнению с прототипом зависит от конкретных режимов формирования слоев изделия (мощности излучения Р, скорости движения пятна лазера V, шага между линиями траектории s и высоты слоев h).
Также в значительной степени сокращение затрат времени зависит от того, насколько послойно формируемый объем меньше, чем общий объем изделия, и зависит от формы изделия и формы выбранного армирующего элемента. Сокращение затрат времени можно оценить через соотношение объемов изделия и наибольшего вписанного в него тела стандартной формы: цилиндра, конуса, куба, параллелепипеда.
Величины сокращения затрат времени для некоторых форм изделий при условии, что производительность формирования слоев по предложенному способу и способу-прототипу равны, приведены в таблице.
Пример. В системе автоматизированного проектирования создают трехмерную модель вал-шестерни (фиг.4,а), которую разбивают на модель армирующего элемента в виде вала (фиг.4,б) и модель послойно формируемого объема в виде венца шестерни (фиг.4,в). Далее в системе автоматизированного проектирования получают последовательность параллельных сечений послойно формируемого объема, отстоящих друг от друга на расстоянии h=0,4 мм (фиг.5). Крайние сечения 17 и средние сечения 18 имеют различные формы. Рассчитывают траектории для крайних сечений (фиг.6,а) и средних сечений (фиг.6,б), заполняющие площадь между границей текущего сечения формируемого изделия и границей армирующего элемента с шагом s≤2 мм между соседними линиями. На токарном станке изготавливают из алюминиевого сплава АМг6 ГОСТ 4784-97 армирующий элемент диаметром 19,5 мм и длиной 30 мм с шероховатостью цилиндрической поверхности RZ=32 мкм. Армирующий элемент помещают в емкость. Воздействием лазера с длиной волны λ=1075 нм и мощностью Р=43,9 Вт формируют слои из суспензии, жидкой дисперсионной средой которой является глицерин ПК-94 ГОСТ 6824-96 (объемная доля около 65%), а твердой дисперсной фазой - порошок полистирола ПСЭ-1 ГОСТ 20282-86 (объемная доля около 35%). В суспензию добавляют черный краситель (объемная доля менее 1%). Всего формируют 15 слоев. Скорость перемещения луча лазера относительно емкости составляет V=1200 мм/мин, высота слоев составляет h=0,4 мм. Полученное изделие изображено на фиг.7. Общий объем изделия составляет 11 см3, объем спеченных слоев 2,1 см3. Затраты времени на формирование изделия составили 6 мин. Согласно сведениям, приведенным в [Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - с.35], производительность способа-аналога [пат. США №4863538 Method and apparatus for producing parts by selective sintering / C.R.Deckard] составляет около 1,5÷2,5 см по высоте в час, что при высоте изделия 30 мм дает значение затрат времени около 72÷120 мин.
Claims (2)
1. Способ изготовления изделий, включающий последовательное послойное размещение исходного материала в емкости, обработку каждого слоя лазерным излучением по заданному контуру и извлечение полученного изделия из емкости с удалением исходного материала, не принявшего участия в формировании изделия, отличающийся тем, что формируемые слои образуют лишь часть объема изделия, а остальную часть объема изделия образует заранее изготовленный объект, размещаемый в емкости перед началом процесса формирования, к которому посредством лазерного воздействия прикрепляют хотя бы часть формируемых слоев, причем в качестве исходного материала формируемых слоев используют суспензию с дисперсной фазой в виде порошка из термопластичного полимера, суспензия заполняет при размещении пространство между заранее изготовленным объектом и стенками емкости, а слои формируют путем спекания частиц дисперсной фазы суспензии посредством лазерного воздействия.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что далее предварительно изготовленное изделие извлекают из емкости, переворачивают на 180°, вновь помещают в ту же емкость и продолжают изготовление изделия по п.1, причем предварительно изготовленное изделие выступает в качестве заранее изготовленного объекта.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010151804/05A RU2468920C2 (ru) | 2010-12-16 | 2010-12-16 | Способ послойного изготовления армированных объемных изделий |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010151804/05A RU2468920C2 (ru) | 2010-12-16 | 2010-12-16 | Способ послойного изготовления армированных объемных изделий |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010151804A RU2010151804A (ru) | 2012-06-27 |
| RU2468920C2 true RU2468920C2 (ru) | 2012-12-10 |
Family
ID=46681498
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010151804/05A RU2468920C2 (ru) | 2010-12-16 | 2010-12-16 | Способ послойного изготовления армированных объемных изделий |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2468920C2 (ru) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1284868C (en) * | 1986-10-17 | 1991-06-18 | Carl R. Deckard | Method and apparatus for producing parts by selective sintering |
| EP0538244A2 (en) * | 1986-10-17 | 1993-04-21 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Method and apparatus for producing parts by selective sintering |
| US5284695A (en) * | 1989-09-05 | 1994-02-08 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Method of producing high-temperature parts by way of low-temperature sintering |
| RU2145269C1 (ru) * | 1995-06-16 | 2000-02-10 | Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева РАН | Способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции |
| RU2302945C2 (ru) * | 2002-12-20 | 2007-07-20 | Юниверсити Оф Саутерн Калифорния | Способ и устройство для изготовления трехразмерного объекта (варианты) |
| CN101138651A (zh) * | 2007-09-14 | 2008-03-12 | 华中科技大学 | 用高分子微球进行选择性激光烧结的组织支架的制造方法 |
| RU2370367C1 (ru) * | 2006-05-18 | 2009-10-20 | Эос Гмбх Электро Оптикал Системс | Устройство и способ послойного получения трехмерного объекта из порошкообразного материала |
-
2010
- 2010-12-16 RU RU2010151804/05A patent/RU2468920C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1284868C (en) * | 1986-10-17 | 1991-06-18 | Carl R. Deckard | Method and apparatus for producing parts by selective sintering |
| EP0538244A2 (en) * | 1986-10-17 | 1993-04-21 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Method and apparatus for producing parts by selective sintering |
| US5284695A (en) * | 1989-09-05 | 1994-02-08 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Method of producing high-temperature parts by way of low-temperature sintering |
| RU2145269C1 (ru) * | 1995-06-16 | 2000-02-10 | Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева РАН | Способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции |
| RU2302945C2 (ru) * | 2002-12-20 | 2007-07-20 | Юниверсити Оф Саутерн Калифорния | Способ и устройство для изготовления трехразмерного объекта (варианты) |
| RU2370367C1 (ru) * | 2006-05-18 | 2009-10-20 | Эос Гмбх Электро Оптикал Системс | Устройство и способ послойного получения трехмерного объекта из порошкообразного материала |
| CN101138651A (zh) * | 2007-09-14 | 2008-03-12 | 华中科技大学 | 用高分子微球进行选择性激光烧结的组织支架的制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010151804A (ru) | 2012-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Recent progress on additive manufacturing of multi-material structures with laser powder bed fusion | |
| Jandyal et al. | 3D printing–A review of processes, materials and applications in industry 4.0 | |
| JP6722676B2 (ja) | 加法式の製造方法、オブジェクトデータの処理方法、データキャリア、オブジェクトデータプロセッサ、及びこれにより製造された物体 | |
| Yang et al. | Additive manufacturing of metals: the technology, materials, design and production | |
| Ziaee et al. | Binder jetting: A review of process, materials, and methods | |
| Adekanye et al. | Additive manufacturing: the future of manufacturing | |
| US6170560B1 (en) | Truss structure design | |
| Kumar et al. | Basic principles of additive manufacturing: Different additive manufacturing technologies | |
| JP6519100B2 (ja) | 焼結造形方法、液状結合剤、および焼結造形物 | |
| US20140349132A1 (en) | Method for manufacturing a compact component, and component that can be produced by means of the method | |
| JP2019522105A (ja) | 支持構造を有する付加製造 | |
| JP2019502028A (ja) | 金属部品の経済的な製造方法 | |
| US6786711B2 (en) | Method and system for production of fibrous composite prototypes using acoustic manipulation in stereolithography | |
| Salvo et al. | Processing and structures of solids foams | |
| JP2005171299A (ja) | 三次元造形物の製造方法 | |
| JPWO2017077137A5 (ru) | ||
| US11014292B2 (en) | Hybrid methods of additive manufacturing | |
| US10864714B2 (en) | Method and device for additively producing components | |
| Hussein | The development of lightweight cellular structures for metal additive manufacturing | |
| Agu | The effects of 3D printed material properties on shaped charge liner performance | |
| JP2006257463A (ja) | レーザ焼結処理用の粉状材料及びその製造方法、並びに、３次元構造物及びその製造方法 | |
| DE102016208015A1 (de) | 3D-Druckverfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen | |
| Teacher et al. | Additive manufacturing of functionally graded materials: A comprehensive review | |
| RU2468920C2 (ru) | Способ послойного изготовления армированных объемных изделий | |
| Pei et al. | Functionally graded additive manufacturing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121217 |