RU2691017C1 - 3d method of printing sectioned wire - Google Patents
3d method of printing sectioned wire Download PDFInfo
- Publication number
- RU2691017C1 RU2691017C1 RU2018104016A RU2018104016A RU2691017C1 RU 2691017 C1 RU2691017 C1 RU 2691017C1 RU 2018104016 A RU2018104016 A RU 2018104016A RU 2018104016 A RU2018104016 A RU 2018104016A RU 2691017 C1 RU2691017 C1 RU 2691017C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wire
- source material
- printing
- section
- platform
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
Abstract
Description
Изобретение относится к аддитивным технологиям изготовления конструктивных элементов сложной геометрической формы из металла.The invention relates to additive manufacturing techniques for structural elements of complex geometric shapes made of metal.
Трехмерная (3D) печать - это процесс изготовления трехмерного твердого объекта из цифровой модели. 3D печать достигается с использованием процесса добавления, в котором последовательные слои материала укладываются в разные формы.Three-dimensional (3D) printing is the process of making a three-dimensional solid object from a digital model. 3D printing is achieved using the add process, in which successive layers of material fit into different shapes.
Трехмерная печать, или аддитивное производство (или послойный синтез) определяется как «способ соединения материалов, при котором происходит послойное создание объекта по заданной цифровой трехмерной модели».Three-dimensional printing, or additive production (or layer-by-layer synthesis) is defined as "a method of combining materials, in which layer-by-layer creation of an object takes place according to a given digital three-dimensional model."
Однако есть проблемы с 3D-печатью, в частности, в отношении использования металлических материалов для печати. Технологии с прямой подачей материала разделяются на две группы: с подачей порошка и подачей проволоки.However, there are problems with 3D printing, in particular with regard to the use of metallic materials for printing. Technologies with direct material feed are divided into two groups: powder feed and wire feed.
Несмотря на высокую точность и низкую шероховатость поверхности получаемых деталей для производства больших изделий технологии с подачей порошка неприменимы ввиду низких скоростей построения (порошок -10 г/мин, проволока - 330 г/мин по нерж. стали).Despite the high accuracy and low surface roughness of the parts produced for the production of large products, the technology with powder feed is not applicable due to low building speeds (powder 10 g / min, wire 330 g / min for stainless steel).
Цена порошка существенно выше цены проволоки (порошок титана-200 USD/кг, проволока титана - 60 USD/кг), а потери порошка при печати могут составлять 50%.The price of powder is significantly higher than the price of wire (titanium powder is 200 USD / kg, titanium wire is 60 USD / kg), and the loss of powder during printing can be 50%.
Также существенным недостатком данного способа подачи являются высокие требования к охране труда при работе с мелкодисперсными порошками и экологический аспект.Also, a significant disadvantage of this method of filing is the high requirements for labor protection when working with fine powders and the environmental aspect.
Способы аддитивного производства, использующие в качестве расходуемого материала проволоку, в зависимости от источника концентрированной энергии могут подразделяться на лазерные, электронно-лучевые и электродуговые.Methods of additive production, using wire as a consumable material, depending on the source of concentrated energy can be divided into laser, electron-beam and electric arc.
Лазерные способы отличаются повышенной точностью, по сравнению с другими способами, использующими проволоку, но установки, реализующие лазерные способы объемной наплавки имеют низкую энергетическую эффективность, порядка 2…5%.Laser methods are more accurate than other methods using wire, but installations that implement laser methods for bulk surfacing have low energy efficiency, about 2 ... 5%.
Установки, реализующие способы электронно-лучевой аддитивной наплавки обладают более значительнойInstallations that implement the methods of electron-beam additive surfacing have more significant
энергетической эффективностью - 15…20%. При этом отдельно эффективность преобразования электроэнергии в энергию, выделяющуюся в расплавляемом таким способом материале, может превышать 90%. Однако изначально способ электроннолучевого наплавления требует применения оборудования для создания вакуумной среды. Соответственно размер деталей, произведенных электронно-лучевой наплавкой проволоки ограничен размером вакуумной камеры (с учетом размещаемого в ней оборудования). Кроме того, необходимость работы с вакуумным оборудованием накладывает определенные сложности на применение способа.energy efficiency - 15 ... 20%. At the same time, the efficiency of conversion of electricity into energy released in the material melted in this way may exceed 90%. However, initially the method of electron beam welding requires the use of equipment to create a vacuum environment. Accordingly, the size of the parts produced by electron-beam surfacing of the wire is limited by the size of the vacuum chamber (taking into account the equipment placed in it). In addition, the need to work with vacuum equipment imposes certain difficulties on the application of the method.
По сравнению с лазерной и электронно-лучевой наплавкой, электродуговая наплавка произвольных форм, с привлечением способов электродуговой сварки плавящимся или неплавящимся электродом в защитном газе обладает значительной энергоэффективностью. Однако высокая энергоэффективность дуги не делает данный способ популярным, т.к. дуга обладает высокой нестабильностью, режим работы которой зависит от множества параметров, в том числе и от свойств материала. Работа с дугой требует защитной атмосферы инертного газа.Compared with laser and electron-beam surfacing, electric arc welding of arbitrary shapes, using the methods of electric arc welding with consumable or non-consumable electrode in shielding gas, has considerable energy efficiency. However, the high energy efficiency of the arc does not make this method popular, since The arc has a high instability, the mode of operation of which depends on a variety of parameters, including the properties of the material. Working with an arc requires a protective atmosphere of inert gas.
Все способы аддитивной наплавки металлической проволокой обладают общими недостатками:All methods of additive surfacing with metal wire have common disadvantages:
- остаточные напряжения и деформации изготовленных объектов, вызванные интенсивным нагревом,- residual stresses and deformations of fabricated objects, caused by intense heating,
- характерная «ступенчатая» поверхность, т.е. изготовленные объекты имеют низкую чистоту поверхности и, так следствие, относительно низкую точность изготовления,- characteristic “stepped” surface, i.e. manufactured objects have low surface finish and, as a result, relatively low manufacturing accuracy,
- для всех технологий с подачей проволоки характерна упрощенная геометрия изделий, которая обуславливается тем фактом, что невозможно резко прервать подачу расплавленного металла, расплавленная капля будет тянуться за печатающей головкой или платформой (в зависимости от того, что передвигается), создавая лишние соединения, не предусмотренные программой, т.е. печать проволокой используют при изготовлении деталей с замкнутой траекторией. Объекты сложной формы проволокой обычно не печатают.- for all technologies with wire feed, a simplified product geometry is characteristic, which is due to the fact that it is impossible to abruptly interrupt the flow of molten metal, the melted drop will reach behind the print head or platform (depending on what is moving), creating extra connections that are not provided program, i.e. wire printing is used in the manufacture of parts with a closed path. Objects of complex shape with wire usually do not print.
Из уровня техники известны технические решения, направленные на уменьшение указанных выше недостатков аддитивных технологий, использующих для печати проволоку.The prior art technical solutions aimed at reducing the above disadvantages of additive technologies using wire for printing.
Так в патенте US 20170144242 «3D принтер и способ металлической печати» требуемая точность изготавливаемого объекта обеспечивается доработкой изготовляемых объектов в процессе печати объекта. Для этого способ формирования трехмерных металлических компонентов, включающий нанесение расплавленного металла на носитель в последовательных слоях с образованием трехмерной металлической структуры с использованием машины, которая контролирует осаждение металла в соответствии с заранее определенной программой; удаление, по меньшей мере, части трехмерной металлической структуры с использованием процесса механической обработки, который управляется в соответствии с предопределенной программой, причем процесс обработки выполняется без снятия трехмерной металлической структуры с подложки.So in US patent 20170144242 "3D printer and method of metal printing" the required accuracy of the manufactured object is provided by the refinement of manufactured objects in the process of printing an object. For this, a method of forming three-dimensional metal components, comprising applying molten metal to a carrier in successive layers to form a three-dimensional metal structure using a machine that controls the deposition of the metal in accordance with a predetermined program; removing at least part of the three-dimensional metal structure using a machining process that is controlled in accordance with a predetermined program, and the processing process is performed without removing the three-dimensional metal structure from the substrate.
Высокая чистота поверхности и точность изготовленного объекта в описанном способе получают за счет введения в способ дополнительной операции - механической обработки поверхности изготавливаемого объекта, что приводит к значительному усложнению и удорожанию устройств, реализующих данный способ, и увеличению времени изготовления объектов.High purity of the surface and accuracy of the manufactured object in the described method are obtained by introducing into the method an additional operation - mechanical processing of the surface of the manufactured object, which leads to a considerable complication and cost of devices that implement this method and increase the time of manufacturing objects.
В 3D принтере и соответствующем способе печати по патенту GB 2539485 для повышения качества изготовления объектов используют предварительно сформированный для нанесения на объект исходный материал в виде проволоки или шариков. В описанном способе печати наплавка осуществляется ультразвуковой головкой находящейся в непосредственном контакте с исходным материалом, который подается устройством непосредственно на платформу сборки, что позволяет удерживать шарики исходного материала в заданных точках.In the 3D printer and the corresponding printing method according to patent GB 2,539,485, in order to improve the quality of the fabrication of the objects, the raw material in the form of wire or balls, previously formed, is applied to the object. In the described method of printing, surfacing is performed by the ultrasonic head being in direct contact with the source material, which is fed by the device directly to the assembly platform, which allows the balls of the source material to be kept at specified points.
Способу печати по патенту GB 2539485 присущи следующие недостатки:The method of printing patent GB 2,539,485 has the following disadvantages:
-наплавка осуществляется ультразвуковым методом. При этом происходит трение и небольшая пластическая деформация слоя металла в зоне сварки. Расплавление всего объема участка проволоки или шарика не происходит и трудно получить высокую однородность в объеме конечного изделия.-fusion is carried out by the ultrasonic method. When this occurs, friction and slight plastic deformation of the metal layer in the weld zone. Melting the entire volume of the wire or ball does not occur and it is difficult to obtain high uniformity in the volume of the final product.
Перед началом выделения энергии в участке проволоки или в шарике требуется точно разместить и прижать печатающую головку. Это занимает время и накладывает ограничения на состояние поверхности, к которой прижимается материал. Передача энергии в материал за счет трения и деформации менее эффективна и производительна, чем за счет электронного пучка. Поэтому таким способом можно наплавлять только небольшие детали.Before starting the release of energy in the area of the wire or in a ball, it is necessary to precisely place and press the print head. It takes time and imposes restrictions on the state of the surface against which the material is pressed. The transfer of energy into the material due to friction and deformation is less efficient and productive than at the expense of the electron beam. Therefore, in this way you can build only small parts.
В способе по патенту US 7168935, используется для печати проволока, а в качестве источника энергии электронный луч и печать осуществляется в вакуумной камере. Описанный в патенте US 7168935 способ 3D печати, включающий в себя создание цифровой 3D модели объекта, формирование электронного луча (пучка электронов), подачу исходного материала в фокусное пятно электронного луча, который находится в прямом контакте с расплавленным пулом (расплавленный бассейн), находящимся на поверхности платформы, на которой изготавливается объект.In the method according to patent US 7168935, the wire is used for printing, and as an energy source, an electron beam and printing is carried out in a vacuum chamber. The 3D printing method described in the patent US 7168935, which includes creating a digital 3D model of an object, forming an electron beam (electron beam), feeding the source material into the focal spot of the electron beam that is in direct contact with the molten pool (molten pool) located on surface of the platform on which the object is made.
Недостатком известного способа является невозможность изготовления объектов сложной формы. Этот способ позволяет изготавливать объекты только с замкнутым контуром, т.к. невозможно резко прервать подачу расплавленного металла, расплавленная капля будет тянуться за печатающей головкой, создавая не предусмотренные лишние соединения между элементами объекта. Чистота поверхности деталей, полученных таким способом низкая, т.к формирующийся расплавленный пул имеет низкую повторяемость от точки к точке, т.е его размер невозможно стабилизировать, поэтому поверхность изготовленной детали имеет наплывы и выемки. Кроме того, использование расплавленного пула приводит к перегреву изготавливаемого объекта, что повышает вероятность деформации изготовленного объекта, особенно при изготовлении объектов, имеющих тонкие элементы.The disadvantage of this method is the impossibility of manufacturing objects of complex shape. This method allows you to make objects only with a closed contour, because It is impossible to abruptly interrupt the flow of molten metal, the melted drop will reach behind the print head, creating unwanted unnecessary connections between the elements of the object. The surface cleanliness of parts obtained in this way is low, since the molten pool that is being formed has a low repeatability from point to point, that is, its size cannot be stabilized, therefore the surface of the manufactured part has sagging and notches. In addition, the use of a molten pool leads to overheating of the manufactured object, which increases the likelihood of deformation of the manufactured object, especially in the manufacture of objects with thin elements.
Целью заявляемого способа 3D печати секционированной проволокой является повышение чистоты поверхности изготавливаемых металлических объектов любой конфигурации, снижение вероятности деформации изготовленного объекта и повышение энергетической эффективности способа.The purpose of the proposed 3D printing method with partitioned wire is to increase the surface purity of manufactured metal objects of any configuration, reducing the likelihood of deformation of the manufactured object and increasing the energy efficiency of the method.
Поставленная цель достигается благодаря комбинации определенных режимов работы устройства и использованию исходного материала специального (секционированного) профиля.This goal is achieved through a combination of certain modes of operation of the device and the use of the original material of a special (partitioned) profile.
Секционированная проволока (или проволока с секционированным профилем), выполнена в виде повторяющихся секций, включающих в себя утолщения и тонкие соединительные участки.The sectioned wire (or a wire with a sectioned profile) is made in the form of repeating sections, including thickenings and thin connecting areas.
Для достижения поставленной цели способ 3D печати секционированной проволокой включает:To achieve this goal, a 3D partitioned wire printing method includes:
- создание 3D модели изготавливаемого объекта,- creation of a 3D model of the manufactured object,
- использование исходного материала в виде металлической проволоки, представляющей собой повторяющиеся секции, включающие в себя утолщения и тонкие соединительные участки,- the use of the source material in the form of metal wire, which is a repeating section, including thickenings and thin connecting areas,
- пошаговую подачу исходного материала в заданное местоположение на платформе,- step-by-step supply of the source material to the specified location on the platform,
- формирование энергетического луча,- formation of the energy beam,
- воздействие энергетическим лучом на исходный материал для его расплава,- the impact of the energy beam on the source material for its melt,
-осаждение расплавленного исходного материала слоями на платформе в соответствии с 3D моделью объекта,-deposition of the molten source material in layers on the platform in accordance with the 3D model of the object,
- синхронизацию энергетического луча, воздействующего на исходный материал, с подачей исходного материала,- synchronization of the energy beam acting on the source material, with the supply of the source material,
-мощность энергетического луча в процессе изготовления изменяется таким образом, что луч имеет максимальную мощность, в тот момент времени, когда в фокусе луча находится утолщение секции и минимальную (не более 30%), когда в фокусе луча отсутствует исходный материал.-the power of the energy beam in the manufacturing process changes in such a way that the beam has the maximum power, at that moment of time when the section’s thickening is at the focus of the beam and the minimum (no more than 30%) when the source material is not present at the focus of the beam.
воздействие энергетическим лучом на исходный материал для его расплава может выполняться в два этапа:the impact of the energy beam on the source material for its melt can be performed in two stages:
- первый этап - фокус энергетического луча устанавливают на утолщение секции, расположенной в заданном местоположении и нагревают его до момента отрыва секции от проволоки и осаждения ее в нужное место объекта на платформе,- the first stage - the focus of the energy beam is placed on the thickening of the section located at the specified location and is heated until the section is separated from the wire and deposited in the right place of the object on the platform,
- второй этап - фокус луча перемещают на предыдущую осажденную на изготавливаемый объект секцию и выполняют прогрев ("разглаживание") расплавленного участка объекта по месту на платформе, а исходный материал перемещают на следующее местоположение соответствии с 3D моделью объекта. Далее фокус луча перемещают на очередную не расплавленную секцию проволоки, нагревает до момента отрыва от проволоки, процесс повторяется, причем в переходные моменты времени (перемещение луча от проволоки на осажденный участок и обратно) мощность луча уменьшают до минимальной.- the second stage - the focus of the beam is moved to the previous section besieged on the object being manufactured and the warming up ("smoothing") of the molten part of the object is performed at the place on the platform, and the source material is moved to the next location according to the 3D object model. Further, the beam focus is moved to the next not melted wire section, it heats up to the moment of separation from the wire, the process repeats, and at transitional times (moving the beam from the wire to the deposited area and back) the beam power is reduced to the minimum.
Описанный в заявке расплав исходного материала (проволоки) в два раздельных этапа возможно реализовать при использовании исходного материала в виде проволоки с секционированным профилем.The melt of the source material (wire) described in the application in two separate stages can be realized with the use of the source material in the form of a wire with a sectioned profile.
Расплав исходного материала в два этапа: непосредственно расплав и осаждение секции проволоки и через некоторый промежуток времени (время, необходимое для разогрева и осаждения очередной секции проволоки) «разглаживание» осажденной капли исходного материала позволяет уменьшить размер и количество «вмятин» на поверхности изготавливаемого объекта. Таким образом уменьшается шероховатость поверхности изготавливаемого объекта (повышается чистота поверхности).The melt of the source material in two stages: directly melt and the deposition of the wire section and after a certain period of time (the time required for heating and deposition of the next wire section) “smoothing” the deposited drop of the source material allows reducing the size and number of “dents” on the surface of the object being made. In this way, the surface roughness of the manufactured object is reduced (the surface cleanliness increases).
Кроме того, уменьшение шероховатости поверхности обусловлено следующим. Количество расплавленного исходного материала определяется размером утолщения секции проволоки и не зависит от времени действия луча, (т.к. исходный материал подается пошагово, то расплавляется только та секция, на утолщении которой сфокусирован луч), и от капли к капле количество расплавленного материала остается постоянным. Тонкая соединительная часть секции практически не вносит изменения в массу капли. Зона расплава исходного материала на платформе меньше по сравнению с прототипом, причем размер этой зоны контролируемый и повторяется от капли к капле, что значительно уменьшает вероятность выхода расплавленного материала за пределы размера объекта, тем самым повышается точность изготовленного объекта.In addition, the decrease in surface roughness due to the following. The amount of molten starting material is determined by the size of the wire section thickening and does not depend on the beam action time (since the source material is fed step by step, only that section is melted, on the thickening of which the beam is focused), and the amount of molten material drops from drop to drop . The thin connecting part of the section makes almost no changes to the drop mass. The melt zone of the source material on the platform is smaller compared to the prototype, and the size of this zone is controlled and repeated from drop to drop, which significantly reduces the likelihood of molten material out of the size of the object, thereby increasing the accuracy of the manufactured object.
Печать объектов любой конфигурации предложенным способом возможна благодаря тому, что секционированный исходный материал подается в заданное местоположение пошагово, и после расплава утолщенной части секции мощность луча уменьшается, т.е. практически печать прерывается. Продолжить печать можно в любой точке платформы, за модулем печати не тянется расплавленная нить металла. Период подачи секций проволоки и луча регулируется в зависимости от геометрии изготавливаемого объекта.Printing objects of any configuration by the proposed method is possible due to the fact that the partitioned source material is fed to the specified location step by step, and after the melt of the thickened part of the section, the beam power decreases, i.e. practically the seal is interrupted. You can continue printing at any point of the platform, the molten metal thread does not reach behind the printing module. The feeding period of the wire and beam sections is regulated depending on the geometry of the object being manufactured.
Возможность выполнения печати без формирования на платформе расплавленного бассейна позволяет изготавливать данным способом тонкие (толщиной до 1,5 диаметра утолщения секции проволоки) объекты.The ability to perform printing without forming a molten pool on the platform allows the production of thin (up to 1.5 times thicker wire section thicknesses) using this method.
Хотя, при необходимости, заявляемый способ позволяет выполнять печать с формированием расплавленного пула.Although, if necessary, the inventive method allows printing with the formation of a molten pool.
Снижение вероятности деформации изготовленного объекта вызванной перегревом исходного материала в процессе печати обусловлено тем, что после расплава секции проволоки выделяемая лучом энергия регулируется временем воздействия, на платформе расплавленного пула нет, а повторно луч только подогревает («разглаживает») осажденную каплю (уже немного остывшую), тем самым исключая перегрев объекта. Перегрев исходного материала также исключается благодаря тому, что время повторного воздействия лучом на расплавленную каплю регулируется, не допуская перегрева металла.Reducing the likelihood of deformation of the manufactured object caused by overheating of the source material during the printing process is due to the fact that after the wire section melts, the energy released by the beam is regulated by the exposure time, there is no melted pool on the platform, and the beam only warms up (“smoothes”) the deposited drop (already slightly cooled) , thereby eliminating overheating of the object. Overheating of the source material is also eliminated due to the fact that the re-exposure time of the beam to the melted drop is regulated, preventing overheating of the metal.
Кроме этого, снизить внутренние напряжения и вероятность деформации объекта в заявляемом способе помогает возможность печатать массивные участки объекта, нанося материал по заданному матричному рисунку. При этом материал наносится в виде точек, отрезков или небольших областей поочередно в различных местах массивного участка объекта так, чтобы между последовательно нанесенными точками, отрезками или областями оставались незаполненные участки. В дальнейшем незаполненные участки заполняются. Это позволяет распределить нагрев более равномерно по массивному участку.In addition, to reduce internal stresses and the probability of deformation of the object in the inventive method helps to print massive areas of the object, causing the material on a given matrix pattern. At the same time, the material is applied in the form of points, segments or small areas, alternately in different places of the massive part of the object, so that between consecutively applied points, segments or areas remain unfilled areas. In the future, the blank areas are filled. This allows you to distribute the heat more evenly over the massive section.
Печать заявляемым способом позволяет сохранить высокую скорость печати (как при непрерывной печати проволокой), несмотря на пошаговую подачу исходного материала, так как диаметр проволоки в утолщении секции, по сравнению с прототипом, может быть увеличен, но гибкость исходного материала при этом сохраняется или становится выше (за счет тонких соединительных участков). Диаметр утолщения секции может превышать 4 мм, тогда как сплошная проволока более 3 мм мало гибкая и для печати не применяется. Высокая скорость печати, не меньше, чем в прототипе обуславливается тем, что расплав утолщения происходит быстрее чем расплав обычной проволоки (при одинаковой мощности электронного луча). Это объясняется тем, что мощность, передаваемая вдоль проволоки за счет теплопроводности, определяется по формуле:Printing by the inventive method allows you to maintain high print speeds (as with continuous wire printing), despite the step-by-step feeding of the source material, since the wire diameter in the section thickening can be increased compared to the prototype, but the flexibility of the source material is maintained or becomes higher. (due to thin connecting sections). The diameter of the section thickening may exceed 4 mm, while solid wire of more than 3 mm is not very flexible and does not apply to printing. High printing speed, no less than in the prototype, is due to the fact that the thickening melt occurs faster than the melt of a conventional wire (with the same power of the electron beam). This is because the power transmitted along the wire due to thermal conductivity, is determined by the formula:
λ - теплопроводность материала,λ - thermal conductivity of the material,
Swire - площадь сечения проволоки,S wire - the cross-sectional area of the wire,
Iwire - длина проволоки,I wire - wire length,
(T2 - T1) - разность температур на концах,(T 2 - T 1 ) is the temperature difference at the ends,
т.е. с уменьшением площади сечения и увеличением длины проволоки мощность, передаваемая вдоль проволоки уменьшается. Так для медной проволоки диаметром 2 мм мощность, теряемая за счет теплопроводности, составляет порядка 900 Вт.При оценке принято, что проволока существенно охлаждается на расстоянии 1 мм от зоны расплава. Таким образом, тонкая соединительная часть обладает малой теплопроводностью и мощность луча не передается на следующую секцию, т.е. не рассеивается по длине проволоки, как в прототипе, а вся используется для расплава утолщения секции. Поэтому расплав происходит быстрее.those. as the cross-sectional area decreases and the length of the wire increases, the power transmitted along the wire decreases. So for copper wire with a diameter of 2 mm, the power lost due to thermal conductivity is about 900 W. In the evaluation, it is assumed that the wire is substantially cooled at a distance of 1 mm from the melt zone. Thus, the thin connecting part has a low thermal conductivity and the beam power is not transmitted to the next section, i.e. not scattered along the length of the wire, as in the prototype, and the whole is used to melt the thickening section. Therefore, the melt is faster.
Если средняя мощность луча такая же как в прототипе, то увеличивается импульсная мощность во время нагрева и расплавления секции, т.к. мощность луча изменяется от минимальной (возможно нулевой в моменты перефокусировки луча) до максимальной, которая определяется свойствами исходного материала и требуемой скоростью расплава утолщения секции, т.е. расплав секции происходит быстрее. Если средняя мощность и средняя скорость подачи материала сохранится -имеем сохранение производительности при улучшенном качестве печати и возможности печати объектов сложных форм. Но возможно также увеличение производительности, т.к. за счет секционирования возможно использование проволоки с диаметром утолщения, превышающим 5 мм., а электронный пучок имеет высокий КПД. т.е расплав утолщения выполняется быстро.If the average power of the beam is the same as in the prototype, then the pulse power increases during the heating and melting of the section, since the power of the beam varies from the minimum (possibly zero at the moments of refocusing of the beam) to the maximum, which is determined by the properties of the source material and the required rate of melt section thickening, i.e. melt section is faster. If the average power and the average feed rate of the material remain, we have the preservation of performance with improved print quality and the ability to print objects of complex shapes. But it is also possible to increase productivity, because due to the sectioning, it is possible to use a wire with a diameter of thickening exceeding 5 mm., and the electron beam has a high efficiency. ie, melt thickening is performed quickly.
Таким образом, энергетическая эффективность способа повышается за счет регулировки мощности луча в процессе изготовления объектов.Thus, the energy efficiency of the method is increased by adjusting the power of the beam in the process of manufacturing objects.
На представленных чертежах показано устройство, реализующее заявляемый способ. В качестве энергетического луча используется электронный луч.On the presented drawings shows a device that implements the inventive method. An electron beam is used as the energy beam.
Фиг. 1 3D принтер.FIG. 1 3D printer.
Фиг. 2 Устройство подачи исходного материала.FIG. 2 Feeder source material.
Фиг. 3 Схема процесса наплавки.FIG. 3 Diagram of the surfacing process.
3D принтер содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены платформа 2, на поверхности которой изготавливается трехмерный объект 3, модуль печати, включающий в себя устройство формирования энергетического (в данном случае электронного) луча 4 и механизм подачи исходного материала 5 с секционированной проволокой 6, передвигаемой помощью зубчатого колеса 7, механически связанного с шаговым двигателем 8, и прижимного ролика 9, подпружиненного пружиной 10, приводное устройство перемещения модуля печати 11 в соответствии с 3D моделью объекта, компьютерную систему 12, управляющую процессом печати. На фиг. 3 изображено положение энергетического луча в процессе наплавки, где 13 предыдущая расплавленная капля исходного материала, 14 очередная секция проволоки (исходного материала).The 3D printer contains a
При использовании в качестве энергетического луча электронного луча устройство 4 формирует электронный луч, и сможет быть выполнено, например, как описано в патенте CN 105655215.When used as an energy beam of an electron beam, the
Устройство работает следующим образом Работа устройства начинается с создания или загрузки в компьютерную систему 12 цифровой модели изготавливаемого объекта. В вакуумную камеру 1 устанавливается платформа 2. В механизм подачи исходного материала 5 заправляется секционированная проволока 6 и выполняется первоначальное позиционирование утолщения секции относительно фокуса электронного луча. Позиционирование утолщения секции относительно фокуса электронного луча обеспечивается, например, использованием в качестве привода механизма подачи исходного материала шагового двигателя, который управляется компьютерной системой. Первоначальное позиционирование проволоки предполагает установку утолщения секции в фокусе луча. Модуль печати имеет возможность перемещаться в трех координатных плоскостях при помощи приводного устройства 11. Далее, в зависимости от размера секций проволоки и материала проволоки, программно задается размер фокусного пятна электронного луча, его энергия и ток (временная диаграмма нагрева секции). Вакуумная камера 1 откачивается. Приводное устройство перемещения модуля печати 11 устанавливает модуль печати в начальное положение (точку начала печати) в соответствии с цифровой моделью объекта. Далее устройство формирования электронного луча 4 формирует электронный луч, происходит нагрев секции и расплавленная капля металла осаждается на платформу 2, где происходит формирование объекта. После расплавления устройство формирования электронного луча 4 по сигналу с компьютерной системы отключает электронный луч(или уменьшает его мощность до минимальной, не больше 30% от максимальной) и приводное устройство модуля печати 11 передвигает его в соответствии с 3D моделью в следующую точку, а механизм подачи исходного материала 5, управляемый компьютерной системой 12, подает исходный материал в следующее точку. Далее фокус луча устанавливается на предыдущую расплавленную каплю 13, прогревает ее, и расплавленная капля прогревается («разглаживается») по месту, исключая возможные вмятины на поверхности объекте. Затем фокус луча возвращается на очередную секцию проволоки 14. В моменты перехода мощность луча уменьшается до минимальной (меньше 30% от максимальной).The device works as follows. The operation of the device begins with the creation or loading into the
Пошаговая подача исходного материала может быть осуществлена с помощью устройства, показанного на фиг. 2.The step-by-step feeding of the starting material can be carried out using the device shown in FIG. 2
Для реализации описанного способа управление электронным лучом выполняется, например, компьютерной системой по заранее определенным временным интервалам, зависящим от свойств исходного материала, диаметра утолщений секционированной проволоки, требуемой скорости печати, формы изготавливаемого объекта.To implement the described method, the control of the electron beam is performed, for example, by a computer system at predetermined time intervals, depending on the properties of the source material, the diameter of the bulges of the sectioned wire, the required printing speed, the shape of the object being manufactured.
Заявляемый способ может быть реализован и в 3D принтере с лазерным лучом. Далее описывается 3D принтер, предназначенный для изготовления крупногабаритных объектов, с характерным размером более 300 мм.The inventive method can be implemented in a 3D printer with a laser beam. The following describes a 3D printer designed for the manufacture of large objects with a characteristic size of more than 300 mm.
Конструкция принтера с лазерным лучом аналогична конструкции принтера с электронным лучом, которая приведена на фиг. 1. Отличие конструкций заключается в следующем:The design of the printer with a laser beam is similar to the design of the printer with an electron beam, which is shown in FIG. 1. The difference in design is as follows:
При использовании в качестве энергетического луча лазера в 3D принтерах для высокопроизводительной печати крупногабаритных изделий обычно использует неподвижный лазер. Перемещение луча для реализации двух этапного расплава исходного материала осуществляют системой зеркал как в Selective Laser Sintering устройствах, а подачу исходного материала в заданное местоположение на платформе - путем перемещения платформы, т.е. перемещается не модуль печати, а платформа имеющая возможность перемещаться в трех координатных плоскостях при помощи приводного устройства, например, 3-х координатного линейного манипулятора.When used as an energy beam laser in 3D printers for high-performance printing of large-sized products usually uses a stationary laser. The movement of the beam for the implementation of the two-stage melt of the source material is carried out by a system of mirrors as in Selective Laser Sintering devices, and the supply of the source material to a given location on the platform by moving the platform, i.e. It is not the print module that moves, but the platform that has the ability to move in three coordinate planes using a drive unit, for example, a 3-axis linear manipulator.
Лазерные принтеры могут иметь в камере инертный газ, вакуум, и даже атмосферу в зависимости от свойств исходного материала. Устройство формирования лазерного луча (лазер) может быть выполнено, например, как описано в US 6143378.Laser printers can have inert gas, vacuum, and even atmosphere in the chamber, depending on the properties of the source material. The device for forming a laser beam (laser) can be performed, for example, as described in US 6,143,378.
Таким образом, согласно фиг. 1 3D принтер с лазерным энергетическим лучом содержит камеру 1, в которой размещены платформа 2, на поверхности которой изготавливается трехмерный объект 3, модуль печати, включающий в себя систему зеркал (на фиг. 1. не показана) и механизм подачи исходного материала 5 с секционированной проволокой 6, передвигаемой с помощью зубчатого колеса 7, механически связанного с шаговым двигателем 8, и прижимного ролика 9, подпружиненного пружиной 10, приводное устройство перемещения платформы в соответствии с 3D моделью объекта (на фиг. 1 не показано), компьютерную систему 12, управляющую процессом печати и лазер, расположенный вне камеры. (на фиг. 1 не показан).Thus, according to FIG. 1 3D laser printer with a laser beam contains a
Работа 3D принтера с лазерным энергетическим лучом аналогична работе 3D принтера, использующего в качестве энергетического луча электронный луч.The operation of a 3D printer with a laser energy beam is similar to the operation of a 3D printer using an electron beam as an energy beam.
Работа устройства начинается с создания или загрузки в компьютерную систему 12 цифровой модели изготавливаемого объекта. В камеру 1 устанавливается платформа 2. В механизм подачи исходного материала 5 заправляется секционированная проволока 6 и выполняется первоначальное позиционирование утолщения секции относительно фокуса лазерного луча.The operation of the device begins with the creation or loading into the
Позиционирование утолщения секции относительно фокуса лазерного луча обеспечивается, например, использованием в качестве привода механизма подачи исходного материала шагового двигателя, который управляется компьютерной системой. Первоначальное позиционирование проволоки предполагает установку утолщения секции в фокусе луча. Платформа 2 имеет возможность перемещаться в трех координатных плоскостях при помощи приводного устройства. Далее, в зависимости от размера секций проволоки и материала проволоки, программно задается размер фокусного пятна лазерного луча, его энергия и ток (временная диаграмма нагрева секции). Камера 1 подготавливается к работе. Приводное устройство перемещения платформы устанавливает платформу 2 в начальное положение (точку начала печати) в соответствии с цифровой моделью объекта. Далее лазер формирует энергетический луч, происходит нагрев секции и расплавленная капля металла осаждается на платформу 2, где происходит формирование объекта. После расплавления платформа, по сигналу с компьютерной системы, передвигается приводным устройством в соответствии с 3D моделью в следующую точку, одновременно с движением платформы фокус луча сфокусированный на расплавленной капле 13, прогревает ее, и («разглаживает») по месту, исключая возможные вмятины на поверхности объекте. Затем фокус луча возвращается на очередную секцию проволоки 14. В моменты перехода мощность луча уменьшается до минимальной (меньше 30% от максимальной).The positioning of the section thickening relative to the focus of the laser beam is provided, for example, by using a stepper motor as the drive for the feed mechanism of the raw material, which is controlled by a computer system. The initial positioning of the wire involves the installation of thickening of the section at the focus of the beam.
Предложенный в заявке способ печати секционированной проволокой сохраняет достоинства и нивелирует недостатки, характерные для указанных традиционных технологий. Он позволит существенно увеличить точность построения детали, повысить энергоэффективность метода и уменьшить шероховатость изготавливаемых объектов. При этом высокопроизводительная технология с подачей секционированной проволоки впервые сможет печатать из металла изделия сложной формы с тонкими перегородками, каналами, ячеистой структурой и др. Заявляемый способ печати позволяет снизить себестоимость и увеличить спрос на аддитивное изготовление металлических изделий в большинстве металлоемких производств.The method of sectional wire printing proposed in the application retains its advantages and eliminates the drawbacks characteristic of these traditional technologies. It will significantly increase the accuracy of construction of parts, improve the energy efficiency of the method and reduce the roughness of manufactured objects. At the same time, high-performance technology with the supply of partitioned wire for the first time will be able to print from metal products of complex shape with thin partitions, channels, cellular structure, etc. The claimed printing method allows reducing costs and increasing the demand for additive manufacturing of metal products in most metal-intensive industries.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.Sources of information taken into account in the examination.
1 Патент №US 20170144242 оп. 25.05.2017 МПК В23К 9/042 «3D принтер и способ металлической печати».1 Patent number US 20170144242 op. 05.25.2017
2 Патент №GB 2539485 оп. 21.12.2016 МПК В23К 20/10, B33Y 30/00 « 3D принтер и соответствующий способ печати».2 Patent No. GB 2539485 op. 12/21/2016 IPC W23K 20/10, B33Y 30/00 “3D printer and corresponding printing method”.
3 Патент №US 7168935 оп. 30.01.2007 МПК В23К 15/00 «Устройство и способ формирования трехмерного объекта».3 Patent number US 7168935 op. 01/30/2007 IPC W23K 15/00 “Device and method of forming a three-dimensional object”.
4. Патент US 6143378 оп. 07.11.2000 МПК В29С 67/00 «Процесс производства энергетическим осаждением с подающей проволокой».4. Patent US 6143378 op. 11/07/2000 IPC В29С 67/00 “Production process by energy deposition with feed wire”.
5. Патент CN 105655215 оп. 08.06.2016 МПК H01J 29/48 «Электронная пушка для получения электронного пучка при аддитивном производстве оборудования».5. Patent CN 105655215 op. 06/08/2016 IPC H01J 29/48 “Electron gun for producing an electron beam with additive equipment production”.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018104016A RU2691017C1 (en) | 2018-02-01 | 2018-02-01 | 3d method of printing sectioned wire |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018104016A RU2691017C1 (en) | 2018-02-01 | 2018-02-01 | 3d method of printing sectioned wire |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2691017C1 true RU2691017C1 (en) | 2019-06-07 |
Family
ID=67037954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018104016A RU2691017C1 (en) | 2018-02-01 | 2018-02-01 | 3d method of printing sectioned wire |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2691017C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022039720A1 (en) * | 2020-08-18 | 2022-02-24 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Non-uniform electric fields to compact metal powder build material |
| RU210798U1 (en) * | 2021-10-26 | 2022-05-05 | Петр Петрович Усов | Device for layer-by-layer printing of volumetric products from metal wires |
| RU2799053C2 (en) * | 2019-07-10 | 2023-07-03 | Виталий ЛИСОЧЕНКО | Device for generating electronic radiation and 3d printing device |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6143378A (en) * | 1998-05-12 | 2000-11-07 | Sandia Corporation | Energetic additive manufacturing process with feed wire |
| US7168935B1 (en) * | 2002-08-02 | 2007-01-30 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Solid freeform fabrication apparatus and methods |
| GB2539485A (en) * | 2015-06-18 | 2016-12-21 | Mcor Tech Ltd | 3D Printing apparatus and a corresponding 3D metal printing method |
| US20170144242A1 (en) * | 2015-11-24 | 2017-05-25 | Western Michigan University Research Foundation | 3d metal printing device and process |
| RU2627527C2 (en) * | 2015-09-25 | 2017-08-08 | Анатолий Евгеньевич Волков | Method and device for additive manufacture of parts by direct material deposition controlled in electromagnetic field |
| RU2642654C1 (en) * | 2015-02-03 | 2018-01-25 | Филипс Лайтинг Холдинг Б.В. | Technological plates, manufactured on the basis of fused deposition modeling, for forming and replicating of objects |
-
2018
- 2018-02-01 RU RU2018104016A patent/RU2691017C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6143378A (en) * | 1998-05-12 | 2000-11-07 | Sandia Corporation | Energetic additive manufacturing process with feed wire |
| US7168935B1 (en) * | 2002-08-02 | 2007-01-30 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Solid freeform fabrication apparatus and methods |
| RU2642654C1 (en) * | 2015-02-03 | 2018-01-25 | Филипс Лайтинг Холдинг Б.В. | Technological plates, manufactured on the basis of fused deposition modeling, for forming and replicating of objects |
| GB2539485A (en) * | 2015-06-18 | 2016-12-21 | Mcor Tech Ltd | 3D Printing apparatus and a corresponding 3D metal printing method |
| RU2627527C2 (en) * | 2015-09-25 | 2017-08-08 | Анатолий Евгеньевич Волков | Method and device for additive manufacture of parts by direct material deposition controlled in electromagnetic field |
| US20170144242A1 (en) * | 2015-11-24 | 2017-05-25 | Western Michigan University Research Foundation | 3d metal printing device and process |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2799053C2 (en) * | 2019-07-10 | 2023-07-03 | Виталий ЛИСОЧЕНКО | Device for generating electronic radiation and 3d printing device |
| WO2022039720A1 (en) * | 2020-08-18 | 2022-02-24 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Non-uniform electric fields to compact metal powder build material |
| RU210798U1 (en) * | 2021-10-26 | 2022-05-05 | Петр Петрович Усов | Device for layer-by-layer printing of volumetric products from metal wires |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106965421B (en) | Three-dimensional printing method | |
| Fang et al. | Study on metal deposit in the fused-coating based additive manufacturing | |
| CN109689267B (en) | Method and apparatus for building metal objects by solid freeform fabrication with two welding torches | |
| US7073561B1 (en) | Solid freeform fabrication system and method | |
| CN107755701B (en) | Forming method and device for resistance electromagnetic induction friction composite heating metal wire | |
| CN106363171A (en) | Selective laser melting forming molten bath real-time monitoring device and monitoring method | |
| EP3676035B1 (en) | Metal 3d printing with local pre-heating | |
| KR20140038958A (en) | Method and arrangement for building metallic objects by solid freedom fabrication | |
| CN105643053A (en) | Consumable electrode gas shielded arc deposition three-dimensional printing method | |
| KR20160102489A (en) | Additive manufacturing apparatus and method for operating the same | |
| WO2014094882A1 (en) | Additive manufacturing method using focused light heating source | |
| EP3717208B1 (en) | Additive manufacturing apparatus and related process | |
| RU2393056C1 (en) | Method of sintering parts from powders | |
| CN206200123U (en) | A kind of selective laser melting shapes molten bath real-time monitoring device | |
| CN210098977U (en) | Composite heat source synchronous rolling additive manufacturing equipment | |
| RU2691017C1 (en) | 3d method of printing sectioned wire | |
| CN104289797A (en) | Rapid MIG forming system | |
| RU2664844C1 (en) | Method of additive manufacture of three-dimensional detail | |
| CN109967741B (en) | 3D printing process optimization method based on reinforcement learning | |
| US20180290194A1 (en) | Additive manufacturing apparatus using a semi-solid extrusion of wire | |
| JP2019529110A (en) | Contact tip assembly for MIG metal welding | |
| CN114378312A (en) | Steel/aluminum structure molten drop deposition composite TIG electric arc additive manufacturing device and method | |
| Panchagnula et al. | Feature based weld-deposition for additive manufacturing of complex shapes | |
| RU2725465C2 (en) | 3d printer | |
| US20180326539A1 (en) | Nozzle with laser scanning head for direct metal deposition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200202 |