RU2710821C1 - Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания - Google Patents
Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания Download PDFInfo
- Publication number
- RU2710821C1 RU2710821C1 RU2018141930A RU2018141930A RU2710821C1 RU 2710821 C1 RU2710821 C1 RU 2710821C1 RU 2018141930 A RU2018141930 A RU 2018141930A RU 2018141930 A RU2018141930 A RU 2018141930A RU 2710821 C1 RU2710821 C1 RU 2710821C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- glass
- hopper
- znse
- laser
- Prior art date
Links
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 174
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 60
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 35
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 26
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 15
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 49
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 56
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 3
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 3
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- 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
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
Abstract
Изобретение относится к получению изделий из порошка высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания. Устройство содержит лазерно-оптический узел, отделенную от него ZnSe-стеклом внутреннюю герметичную камеру с установленными в ней пирометром и системой нагрева нанесенного слоя порошка, ограниченную снизу рабочим столом, оборудованным системой нагрева и соединенным с нижним переходным столом, механизм разравнивания порошка с приводом, обеспечивающий прием порошка из бункеров подачи, формирование слоя порошка на рабочем столе и сброс излишков порошка в бункеры сбора порошка, и контур охлаждения ZnSe-стекла со стороны внутренней герметичной камеры. Устройство снабжено контурами охлаждения азотом привода механизма разравнивания порошка и оптической части пирометра, контуром охлаждения воздухом электрических разъемов, входящих в нижний переходной стол и рабочий стол, и дополнительным контуром охлаждения воздухом ZnSe-стекла со стороны лазерно-оптического узла, каждый из которых выполнен в виде системы соединенных между собой гибких и/или жестких трубок, выполняющих подачу охлаждающей среды от пневмогазовой системы к зонам расположения соответствующих устройств. Обеспечивается возможность варьирования температуры в камере изготовления за счет установки контуров охлаждения. 9 ил.
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии и предназначено для послойного спекания деталей сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка с использованием электрического тока и лазерного излучения по данным трехмерной компьютерной модели.
Известно устройство послойного получения изделий из порошкообразного материала компании Phenix Systems (патент США 7789037. опубл. 07.09.2010 г. ).
Недостатками данного устройства является отсутствие возможности СЛС высокотемпературных полимеров, в том числе и порошков на основе полиэфиэфиркетона, с предварительным подогревом нанесенного слоя порошка до температуры стеклования.
Другим устройством, известным из уровня техники, является установка для изготовления деталей методом послойного синтеза (патент РФ на изобретение №2487779, опубл. 20.07.2013 г. ).
Недостатками вышеописанного устройства также является отсутствие возможности СЛС высокотемпературных полимеров, в том числе и порошков на основе полиэфиэфиркетона, с предварительным подогревом нанесенного слоя порошка до температуры стеклования.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания, содержащее лазерно-оптический узел, отделенную от него ZnSe-стеклом внутреннюю герметичную камеру с установленными в ней пирометром, имеющим, по крайней мере, оптическую часть, и системой нагрева нанесенного слоя порошка, ограниченную снизу рабочим столом с электрическими разъемами, оборудованным системой нагрева, механизм разравнивания порошка с приводом, обеспечивающий прием порошка из бункеров подачи последнего, формирование слоя порошка и сброс излишков порошка в бункеры сбора порошка, и контур охлаждения ZnSe-стекла со стороны внутренней герметичной камеры (https://www.eos.info/systems_solutions/plastic/systems equipment/eosint р 800, найдено в Интернет 16.10.2018).
Недостатком известной установки, в том числе технической проблемой является совместимость с ограниченным количеством порошковых материалов, используемых в качестве сырья для изготовления изделий.
В основу заявленного изобретения был положен технический результат -расширение спектра высокопрочных, теплостойких, биосовместимых и др. полимерных материалов, доступных для изготовления изделий методом селективного лазерного спекания, благодаря возможности варьирования температуры в герметичной камере изготовления в широком диапазоне, за счет наличия в конструкции установки дополнительных контуров охлаждения.
Технический результат достигается тем, что устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективног о лазерного спекания, содержащее лазерно-оптический узел, отделенную от него ZnSe-стеклом внутреннюю герметичную камеру с установленными в ней пирометром, имеющим, по крайней мере, оптическую часть, и системой нагрева нанесенного слоя порошка, ограниченную снизу рабочим столом с электрическими разъемами, оборудованным системой нагрева, механизм разравнивания порошка с приводом, обеспечивающий прием порошка из бункеров подачи последнего, формирование слоя порошка и сброс излишков порошка в бункеры сбора порошка, и контур охлаждения ZnSe-стекла со стороны внутренней герметичной камеры, снабжено контурами охлаждения азотом привода механизма разравнивания порошка и оптической части пирометра, контуром охлаждения воздухом электрических разъемов, входящих в нижний переходной стол и рабочий стол, а также дополнительным контуром охлаждения воздухом ZnSe-стекла со стороны лазерно-оптического узла, выполненными в виде системы соединенных между собой гибких и жестких трубок, выполняющих подачу охлаждающей среды от пневмо-газовой системы к зонам расположения соответствующих устройств.
Изобретение поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 схематично изображен общий вид устройства для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания (наружные панели показаны условно прозрачными).
На фиг. 2 - продольный разрез в аксонометрии устройства для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания.
На фиг. 3 - поперечный разрез в аксонометрии устройства для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания.
На фиг. 4 - увеличенная зона А с фиг. 2.
На фиг. 5 - вид Б с фиг. 4 в аксонометрии (показана только система нагрева рабочего стола).
На фиг. 6 - вид В с фиг. 4 в аксонометрии (показана только система нагрева нанесенного слоя порошка устройства).
На фиг. 7 - вид Г с фиг. 4 в аксонометрии (показана только система нагрева сменного бункера изготовления устройства).
На фиг. 8 - ортогональный поперечный разрез устройства для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания.
На фиг. 9 - гидросистема устройства.
В состав устройства входят основные узлы, системы и детали, обозначенные следующими позициями на изображениях:
1 - привод вертикального перемещения нижнего переходного стола;
2 - кронштейн для перемещения нижнего переходного стола;
3 - охлаждаемая штанга для перемещения нижнего переходного стола;
4 - нижний переходной стол;
5 - рабочий стол;
6 - система нагрева рабочего стола;
7 - механизм разравнивания порошка;
8 - двойной нож;
9 - привод механизма разравнивания порошка;
10 - герметичный кожух привода механизма разравнивания порошка;
11 - лазерно-оптический узел;
12 - рама лазерно-оптического узла;
13 - стакан лазерно-оптического узла;
14 - ZnSe-стекло;
15 - плита нанесения слоев порошка;
16 - рама плиты нанесения слоев порошка;
17 - силовая рама установки;
18 - внутренняя герметичная камера;
19 - система нагрева нанесенного слоя порошка;
20 - пирометр;
21 - лампа освещения;
22 - наружная защитная камера;
23 - рама наружной защитной камеры;
24 - сменный бункер изготовления;
25 - система нагрева сменного бункера изготовления;
26 - устройство поджима сменного бункера изготовления;
27 - теплозащитная двойная дверь;
28 - левый бункер подачи порошка;
29 - левое устройство поджима бункера подачи порошка;
30 - правый бункер подачи порошка;
31 - правое устройство поджима бункера подачи порошка;
32 - левый бункер сбора порошка;
33 - левое устройство поджима бункера сбора порошка;
34 - правый бункер сбора порошка;
35 - правое устройство поджима бункера сбора порошка;
36 - пневмо-газовая система;
37 - шкаф с электроавтоматикой;
38 - термопара;
39 - герметичная рамка;
40 - гидросистема;
41 - контур охлаждение воздухом защитного ZnSe-стекла со стороны лазерно-оптического узла;
42 - контур охлаждение азотом защитного ZnSe-стекла со стороны внутренней герметичной камеры;
43 - контур охлаждение азотом привода механизма разравнивания порошка;
44 - контур охлаждение азотом оптической части пирометра;
45 - контур охлаждение воздухом электрических разъемов, входящих в нижний переходной стол и рабочий стол;
46 - контур охлаждение водой плиты нанесения слоев порошка;
47 - контур охлаждение водой фланца стакана лазерно-оптического узла, на котором установлено защитное ZnSe-стекло;
48 - контур охлаждения водой штанги для перемещения нижнего переходного стола;
49 - контур охлаждение водой плиты устройства поджима сменного бункера изготовления;
50 - контур охлаждение водой корпуса пирометра;
51 - плоский керамический нагреватель;
52 - кварцевый галогенный нагреватель;
53 - плоский сложнопрофильный керамический нагреватель.
Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания содержит лазерно-оптический узел 11, отделенную от него ZnSe-стеклом 14 внутреннюю герметичную камеру 18 с установленными в ней пирометром 20, имеющим, по крайней мере, оптическую часть, и системой нагрева нанесенного слоя порошка 19. ограниченную снизу рабочим столом 5 с электрическими разъемами, оборудованным системой нагрева 6, механизм разравнивания порошка 7 с приводом 9, обеспечивающий прием порошка из бункеров подачи последнего 28 и 30, формирование слоя порошка и сброс излишков порошка в бункеры сбора порошка 32 и 34, контур охлаждения ZnSe-стекла со стороны внутренней герметичной камеры 42, контуры охлаждения азотом привода механизма разравнивания порошка 43 и оптической части пирометра 44, контур охлаждения воздухом электрических разъемов, входящих в нижний переходной стол и рабочий стол 45, а также дополнительный контур охлаждения воздухом ZnSe-стекла со стороны лазерно-оптического узла 41, выполненные в виде системы соединенных между собой гибких и жестких трубок, выполняющих подачу охлаждающей среды от пневмо-газовой системы 36 к зонам расположения соответствующих устройств.
Привод вертикального перемещения нижнего переходного стола 1 (фиг. 2, фиг. 3), основанный на шарико-винтовой паре, при помощи кронштейна для перемещения нижнего переходного стола 2 и охлаждаемой штанги для перемещения нижнего переходного стола 3 осуществляет высокоточное вертикальное перемещение нижнего переходного стола 4. Нижний переходной стол 4 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4) имеет возможность автоматического жесткого сцепления и расцепления с рабочим столом 5. Таким образом, рабочий стол 5 имеет возможность высокоточного вертикального перемещения.
В рабочий стол 5 встроена система нагрева рабочего стола 6 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5), состоящая из плоских керамических нагревателей 51 и термопар 38. Система нагрева рабочего стола 6 управляется программно от общей системы управления устройством и может обеспечить нагрев рабочего стола до температуры 450°С, а также поддерживать необходимые стабильные тепловые режимы. Это необходимо для защиты изготавливаемого изделия из полимерного материала от теплового коробления и последующего разрушения при зацеплении двойным ножом 8 (фиг. 4) при нанесении нового слоя порошка. Контроль нагрева осуществляется термопарами 38 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5).
Механизм разравнивания порошка 7 (фиг. 2, фиг. 3) предназначен для нанесения и разравнивания слоев порошка в самом начале работы на рабочий стол 5, а также для нанесения и разравнивания слоев порошка при последующей работе на предыдущие нанесенные слои порошка. Механизм разравнивания порошка 7 совершает горизонтальные перемещения благодаря программно управляемому приводу механизма разравнивания порошка 9, а непосредственно само нанесение и разравнивание слоев порошка осуществляется двойным ножом 8. Привод механизма разравнивания порошка 9 закрывается герметичным кожухом привода механизма разравнивания порошка 10 (фиг. 3), который в совокупности с нижеперечисленными узлами образует замкнутое условно герметичное пространство (далее герметичное) (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4):
- внутренняя герметичная камера 18,
- рама плиты нанесения слоев порошка 16,
- рабочий стол 5,
- сменный бункер изготовления 24,
- стакан лазерно-оптического узла 13,
- ZnSe-стекло 14,
- пирометр 20 (только фиг. 3);
- теплозащитная двойная дверь 27 (только фиг. 3),
- герметичная рамка 39 (только фиг. 3).
- левый бункер подачи порошка 28 (только фиг. 2),
- правый бункер подачи порошка 30 (только фиг. 2),
- левый бункер сбора порошка 32 (только фиг. 2),
- правый бункер сбора порошка 34 (только фиг. 2).
Внутрь этого пространства может подаваться защитный газ (аргон, азот или др. в зависимости от технологии), который защищает спекаемые слои порошка от окисления. Также внутри этого пространства поддерживается необходимый тепловой режим. Термин «условно герметичное» пространство введен потому что на самом деле внутри данного пространства существуют потоки защитного газа, которые с одной стороны поддерживают необходимые тепловые режимы, а с другой стороны защищают необходимые узлы и устройства от перегрева.
Спекание наносимых слоев порошка осуществляется лазерно-оптическим узлом 11 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4) таким образом, что лазерный луч выходит из лазерно-оптического узла 11, проходит внутри стакана лазерно-оптического узла 13, далее проходит сквозь ZnSe-стекло 14 с нанесенным просветляющим покрытием (для длины волны λ=10,6 мкм) и фокусируется в зоне обработки нанесенного слоя порошка. Лазерно-оптический узел 11 крепится на раме лазерно-оптического узла 12, которая в свою очередь связана с силовой рамой установки 17.
На силовой раме установки 17 в основании внутренней герметичной камеры 18 расположена плита нанесения слоев порошка 15. Плита нанесения слоев порошка 15 имеет в центре большой вырез, в который герметично вставляется сменный бункер изготовления 24 (фиг. 2. фиг. 3) и два узких выреза по краям для сброса излишков порошка в левый бункер сбора порошка 32 (фиг. 2) и правый бункер сбора порошка 34. Плита нанесения слоев порошка 15 (фиг. 2, фиг. 3) с нижней стороны имеет возможность водяного охлаждения благодаря контуру охлаждения водой плиты нанесения слоев порошка 46 (фиг. 8).
Силовая рама установки 17 является основным базирующим узлом для всех остальных узлов устройства (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4).
Внутренняя герметичная камера 18 в совокупности с другими узлами образует замкнутое герметичное пространство. Все тепло, вырабатываемое при функционировании устройства, поступает в рабочую зону и воздействует на внутреннюю герметичную камеру 18. Внутренняя герметичная камера 18 изготовлена из тонкого листового железа, которое может легко деформироваться при нагреве или остывании. Внутренняя герметичная камера 18 находится внутри наружной защитной камеры 22 с большим зазором и конструктивно связана с наружной защитной камерой 22 и рамой наружной защитной камеры 23 всего в нескольких небольших точках с целью минимизации передачи тепла. Зазор между внутренне герметичной камерой 18 и наружной защитной камерой 22 заполняется теплоизоляционной ватой. Данные решения позволяют снизить нагрев наружной защитной камеры 22 до температуры окружающей среды и избавить ее от тепловых деформаций, которые могут нанести вред функционированию всех высокоточных узлов и электрических приборов (например, привод вертикального перемещения нижнего переходного стола 1, механизма разравнивания порошка 7, привод механизма разравнивания порошка 9, лазерно-оптический узел 11 и др.).
Система нагрева нанесенного слоя порошка 19 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 6) установлена под верхней частью внутренней герметичной камеры 18. Система нагрева нанесенного слоя порошка 19 основана на кварцевых галогенных нагревателях 51, которые при пиковом нагреве могут достигать температуры 2600°С. Кварцевые галогенные нагреватели 51 расположены по замкнутому контуру. Система нагрева нанесенного слоя порошка 19 при помощи излучения может нагревать нанесенный слой порошка до температуры 450°С.
Пирометр 20 (фиг. 3), установленный на наружной защитной камере 22, через свой герметичный стакан отслеживает температуру нагрева наносимых слоев порошка и через систему управления при необходимости вводит коррекции в систему нагрева нанесенного слоя порошка 19. Корпус пирометра 20 защищен от перегрева штатным водяным охлаждением, а выходная оптика пирометра 20 обдувается защитным газом (азот, аргон или др. в зависимости от технологии) с целью защиты от перегрева (фиг. 4).
Лампа освещения 21 установлена по аналогии с пирометром 20 и имеет аналогичный канал газового охлаждения для защиты от перегрева.
Сменный бункер изготовления 24 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4) в совокупности с другими узлами образует замкнутое герметичное пространство. Сменный бункер изготовления 24 также в совокупности с рабочим столом 5 образует замкнутую область для изготавливаемого послойно изделия вместе с неподверженным лазерному излучению порошком. В боковые стенки сменного бункера изготовления 24 встроена система нагрева сменного бункера изготовления 25 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 7), основанная на плоских сложнопрофильных нагревателях 53 и термопарах 38. Плоский сложнопрофильный нагреватель 53 имеет в центре свободное окно для установки термопар 38.
Система нагрева сменного бункера изготовления 25 управляется программно от общей системы управления устройством и может нагревать стенки сменного бункера изготовления 24 до температуры 450°С, а также поддерживать необходимые стабильные тепловые режимы. После окончания построения изделия и его медленного программного охлаждения сменный бункер изготовления 24 (фиг. 2, фиг. 3) может извлекаться из устройства для удобства извлечения из сменного бункера изготовления 24 детали и очистки сменного бункера изготовления 24 от неспеченного порошка. Контроль температуры осуществляется благодаря термопарам 38 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 7).
При изготовлении изделия внутри сменного бункера изготовления 24 вертикально перемещается рабочий стол 5. Между наружным контуром рабочего стола 5 и внутренними стенками сменного бункера изготовления 24 (фиг. 4) расположены герметичные прокладки.
Перед началом изготовления нового изделия (или нескольких новых изделий, способных разместиться в объеме одного сменного бункера изготовления 24) в устройство устанавливается чистый и пустой сменный бункер изготовления 24 (фиг. 2, фиг. 3) и герметично поджимается снизу к раме плиты нанесения слоев порошка 16 при помощи устройства поджима сменного бункера изготовления 26. Устройства поджима сменного бункера изготовления 26 создает усилие поджима в течение всего времени изготовления изделия и высвобождает сменный бункер изготовления 24 при необходимости его удаления. Сменный бункер изготовления 24 поджимается устройством поджима сменного бункера изготовления 26 к раме плиты нанесения слоев порошка 16 через герметичные прокладки.
Теплозащитная двойная дверь 27 (фиг.3) устанавливается на передней части наружной защитной камеры 22. Теплозащитная двойная дверь 27 предназначена для наблюдения за процессом изготовления изделия и для локального доступа к зоне нанесения слоев порошка при необходимости. Теплозащитная двойная дверь 27 имеет внутренний и наружный контуры с расположенными в центре теплостойкими стеклами. Внутренний контур через теплоизоляционные негерметичные уплотнения поджимается к герметичной рамке 39, которая в свою очередь установлена между передней стенкой наружной защитной камеры 22 и герметичной камерой внутренней 18. Внутренний контур двери теплозащитной двойной 27 воспринимает на себя основную часть тепла, идущего из рабочей зоны. Наружный контур двери теплозащитной двойной 27 через герметичные силиконовые уплотнения прижимается к передней стенке наружной защитной камеры 22 и образует тем самым герметичное соединение. Между стеклами наружного контура и внутреннего контура двери теплозащитной двойной 27 существует значительный зазор, что предотвращает нагрев наружного контура двери теплозащитной двойной 27 до температуры более 60°С.
Левый бункер подачи порошка 28 (фиг. 2, фиг. 4) осуществляет подачу порций порошка между лезвиями двойного ножа 8. в момент, когда механизм разравнивания порошка 7 перемещает двойной нож 8 под левый бункер подачи порошка 28. Левый бункер подачи порошка 28 является герметичным и через герметичные силиконовые уплотнения с помощью левого устройства поджима бункера подачи порошка 29 прижимается к наружной защитной камере 22. Таким образом, образуется герметичный контур, внутри которого подается порциями порошок. Аналогичным образом устроены и взаимодействуют правый бункер подачи порошка 30 и правое устройство поджима бункера подачи порошка 31.
При необходимости левый бункер подачи порошка 28 и правый бункер подачи порошка 30 могут удаляться из устройства для заправки порошком между лезвиями двойного ножа 8.
Левый бункер сбора порошка 32 (фиг. 2) осуществляет сбор излишков порошка при нанесении слоев порошка. Левый бункер сбора порошка 32 является герметичным и через герметичные силиконовые уплотнения с помощью левого устройства поджима бункера сбора порошка 33 прижимается к раме плиты нанесения слоев порошка 16. Таким образом образуется герметичный контур, внутри которого собираются излишки порошка. Аналогичным образом устроены и взаимодействуют правый бункер сбора порошка 34 и правое устройство поджима бункера сбора порошка 35.
При необходимости очистки левый бункер сбора порошка 32 и правый бункер сбора порошка 34 могут удаляться из устройства для очистки.
Пневмо-газовая система 36 (фиг. 2) осуществляет в программном режиме через общую систему управления устройством функционирование всех контуров воздушного и газового охлаждения (фиг. 8), необходимых для защиты высокоточных механических узлов, оптических приборов, электрических разъемов и проводов. В устройстве существуют следующие контура воздушного и газового охлаждения: контур охлаждения воздухом защитного ZnSe-стекла со стороны лазерно-оптического узла 41, контур охлаждения азотом защитного ZnSe-стекла со стороны внутренней герметичной камеры 42, контур охлаждения азотом привода механизма разравнивания порошка 43, контур охлаждения азотом оптической части пирометра 44, контур охлаждения воздухом электрических разъемов, входящих в нижний переходной стол и рабочий стол 45. Помимо перечисленных контуров на все индуктивные датчики положения в устройстве поджима сменного бункера изготовления 26 реализован локальный поток воздуха из трубки (на фигурах не показаны). Пневмо-газовая система 36 (фиг. 2) смонтирована на общей силовой раме установки 17.
Шкаф с электроавтоматикой 37 (фиг. 2) осуществляет в программном режиме через общую систему управления устройством функционирование всех электроприборов в отдельности и всего устройства в целом. Шкаф с электроавтоматикой 37 смонтирован на общей силовой раме установки 17.
Гидросистема 40 (фиг. 9) выполнена в виде отдельного шкафа и осуществляет в программном режиме через общую систему управления устройством функционирование всех контуров водяного охлаждения (фиг. 8). необходимых для защиты высокоточных механических узлов, приборов, электрических разъемов и проводов. В устройстве существуют следующие контура водяного охлаждения: контур охлаждения водой плиты нанесения слоев порошка 46, контур охлаждения водой фланца стакана лазерно-оптического узла, на котором установлен защитное ZnSe-стекло 47, контур охлаждения водой охлаждаемой штанги для перемещения нижнего переходного стола 48, контур охлаждения водой плиты устройства поджима сменного бункера изготовления 49, контур охлаждения водой корпуса пирометра 50, также реализованы штатные контура охлаждения сканатора и лазера, входящие в лазерно-оптический узел 11 (на фигурах не показаны).
Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания работает следующим образом.
В системе автоматического проектирования (САПР) создают трехмерную компьютерную 3D-модель детали и разбивают ее на поперечные сечения, которые служат основой для послойного изготовления детали. Устройство после предварительной подготовки представлено в собранном виде, а именно (фиг. 2, фиг. 3):
- чистый и пустой сменный бункер изготовления 24 при помощи устройства поджима сменного бункера изготовления 26 поджат герметично снизу к раме плиты нанесения слоев порошка 16;
- левый бункер подачи порошка 28 и правый бункер подачи порошка 30 при помощи левого устройства поджима бункера подачи порошка 29 и правого устройства поджима бункера подачи порошка 31 соответственно прижимаются герметично к защитной наружной камере 22;
- левый бункер сбора порошка 32 и правый бункер сбора порошка 34 при помощи левого устройства поджима бункера сбора порошка 33 и правого устройства поджима бункера сбора порошка 35 соответственно прижимаются герметично снизу к раме плиты нанесения слоев порошка 16;
- теплозащитная двойная дверь 27 герметично закрыта.
Запускается основная работа пневмо-газовой системы 36, реализующей все защитные газовые и воздушные охлаждающие контуры: контур охлаждения воздухом защитного ZnSe-стекла со стороны сканатора 41, контур охлаждения азотом защитного ZnSe-стекла со стороны стакана лазерно-оптического узла 42, контур охлаждения азотом привода механизма разравнивания порошка 43, контур охлаждения азотом оптической части пирометра 44, контур охлаждения воздухом электрических разъемов, входящих в нижний переходной стол и рабочий стол 45, на все индуктивные датчики положения в устройстве поджима сменного бункера изготовления 26 реализован локальный поток воздуха из трубки (на фигурах не показаны).
Запускается основная работа гидросистемы 40, реализующая все защитные водяные охлаждающие контура: контур охлаждения водой плиты нанесения слоев порошка 46, контур охлаждения водой фланца стакана лазерно-оптического узла, на котором установлен защитное ZnSe-стекло 47, контур охлаждения водой охлаждаемой штанги для перемещения нижнего переходного стола 48, контур охлаждения водой плиты устройства поджима сменного бункера изготовления 49, контур охлаждения водой корпуса пирометра 50, также штатные контура охлаждения сканатора и лазера, входящие в лазерно-оптический узел 11 (на фигурах не показаны).
Система нагрева рабочего стола 6, встроенная в рабочий стол 5 и система нагрева сменного бункера изготовления 25, встроенная в сменный бункер изготовления 24, разогреваются до рабочих температур до 400°С (в зависимости от типа порошка). Достигается необходимая чистота защитного газа (азот или аргон, или др.). Устройство выдерживается в течение двух часов для равномерного нагрева всех его элементов и выравнивания всех тепловых процессов с целью исключения их термического искажения при работе. Привод вертикального перемещения нижнего переходного стола 1 при помощи кронштейна для перемещения нижнего переходного стола 2 и охлаждаемой штанги для перемещения нижнего переходного стола 3 осуществляет высокоточное вертикальное перемещение нижнего переходного стола 4. Нижний переходной стол 4 жестко сцепленный с рабочим столом 5, опускает рабочий стол 5 на толщину наносимого первого слоя порошка (обычно ~ 100 мкм). Механизм разравнивания порошка 7 благодаря приводу механизма разравнивания порошка 9 перемещает двойной нож 8 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4) в крайнее левое положение под левый бункер подачи порошка 28. Левый бункер подачи порошка 28 дозирует с запасом необходимую порцию порошка между лезвиями двойного ножа 8. Двойной нож 8 перемещается в крайнее правое положение по ходу движения нанося и разравнивая на рабочем столе 5 первый слой порошка, а также сбрасывая излишки порошка в правый бункер сбора порошка 34 (фиг. 2, фиг. 3). При помощи системы нагрева нанесенного слоя порошка 19 проводится подогрев нанесенного первого слоя порошка до необходимой температуры до 400°С (в зависимости от типа порошка). Рабочий стол 5 опускается на толщину второго наносимого слоя порошка (обычно ~ 100 мкм). Механизма разравнивания порошка 7 благодаря приводу механизма разравнивания порошка 9 перемещает двойной нож 8 в крайнее правое положение под правый бункер подачи порошка 30. Правый бункер подачи порошка 30 дозирует с запасом необходимую порцию порошка между лезвиями двойного ножа 8. Двойной нож 8 перемещается в крайнее левое положение и по аналогии наносит второй слой порошка поверх первого слоя на рабочем столе 5, сбрасывая излишки порошка в левый бункер сбора порошка 32. При помощи системы нагрева нанесенного слоя порошка 19 проводится подогрев нанесенного второго слоя порошка до необходимой температуры до 400°С (в зависимости от типа порошка). Данный процесс нанесения предварительных слоев порошка без обработки лазерным излучением повторяется для пятидесяти слоев. Это необходимо для равномерного прогрева устройства с порошком, при этом система нагрева рабочего стола 6 и система нагрева сменного бункера изготовления 25 поддерживают постоянную температуру всего объема порошка до 400°С (в зависимости от типа порошка). Поверх пятидесяти разогретых слоев порошка наносится пятьдесят первый слой порошка. Проводится подогрев пятьдесят первого слоя порошка до температуры стеклования до 400°С (в зависимости от типа порошка) при помощи системы нагрева нанесенного слоя порошка 19. При помощи лазерно-оптического узла 11 проводится спекание лазерным лучом порошка в отдельных зонах нанесенного слоя в зависимости от формы изготавливаемой детали. Далее наносится новый слой порошка и процесс повторяется до полного изготовления детали. После окончания построения всей детали она очень медленно, вместе с объемом неспеченного порошка, в который она погружена (скорость охлаждения порядка 7°С в час), остывает в устройстве при помощи программного управления системой нагрева рабочего стола 6 и системой нагрева сменного бункера изготовления 25. После полного остывания детали вместе с неспеченным порошком сменный бункер изготовления 24 удаляется из устройства и перемещается в станцию очистки, где деталь подвергается освобождению и очистке от неспеченного порошка
При этом всю последовательность технологических процессов осуществляют в автоматическом режиме в технологически регламентированных условиях посредством специальных программно-аппаратных средств благодаря шкафу с электроавтоматикой 37 через общую систему управления устройством.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - создание сложнопрофильных, высокопрочных, теплостойких, биосовместимых и др. изделий из семейства полимерных материалов методом селективного лазерного спекания.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для послойного спекания деталей сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка с использованием электрического тока и лазерного излучения по данным трехмерной компьютерной модели; - 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;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Claims (1)
- Устройство для получения изделий из порошка высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания, содержащее лазерно-оптический узел, отделенную от него ZnSe-стеклом внутреннюю герметичную камеру с установленными в ней пирометром, имеющим по крайней мере оптическую часть, и системой нагрева нанесенного слоя порошка, ограниченную снизу рабочим столом с электрическими разъемами, оборудованным системой нагрева и соединнным с нижним переходным столом, содержащим электрические разъемы, механизм разравнивания порошка с приводом, обеспечивающий прием порошка из бункеров подачи последнего, формирование слоя порошка на рабочем столе и сброс излишков порошка в бункеры сбора порошка, и контур охлаждения ZnSe-стекла со стороны внутренней герметичной камеры, отличающееся тем, что оно снабжено контурами охлаждения азотом привода механизма разравнивания порошка и оптической части пирометра, контуром охлаждения воздухом электрических разъемов, входящих в нижний переходной стол и рабочий стол, и дополнительным контуром охлаждения воздухом ZnSe-стекла со стороны лазерно-оптического узла, каждый из которых выполнен в виде системы соединенных между собой гибких и/или жестких трубок, выполняющих подачу охлаждающей среды от пневмогазовой системы к зонам расположения соответствующих устройств.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018141930A RU2710821C1 (ru) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018141930A RU2710821C1 (ru) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2710821C1 true RU2710821C1 (ru) | 2020-01-14 |
Family
ID=69171264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018141930A RU2710821C1 (ru) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2710821C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210387401A1 (en) * | 2020-06-16 | 2021-12-16 | Orion Additive Manufacturing GmbH | Methods and Systems for Additive Manufacturing |
| RU2773558C1 (ru) * | 2021-08-10 | 2022-06-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Устройство для селективного лазерного спекания изделий из порошковых полимерных материалов |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4938816A (en) * | 1986-10-17 | 1990-07-03 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Selective laser sintering with assisted powder handling |
| EP2709827B1 (en) * | 2011-05-20 | 2017-03-01 | AirbusGroup Limited | Polymer additive layer manufacturing |
| RU184284U1 (ru) * | 2017-12-27 | 2018-10-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Устройство теплоизоляции рабочего стола аддитивной машины |
-
2018
- 2018-11-28 RU RU2018141930A patent/RU2710821C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4938816A (en) * | 1986-10-17 | 1990-07-03 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Selective laser sintering with assisted powder handling |
| EP2709827B1 (en) * | 2011-05-20 | 2017-03-01 | AirbusGroup Limited | Polymer additive layer manufacturing |
| RU184284U1 (ru) * | 2017-12-27 | 2018-10-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Устройство теплоизоляции рабочего стола аддитивной машины |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210387401A1 (en) * | 2020-06-16 | 2021-12-16 | Orion Additive Manufacturing GmbH | Methods and Systems for Additive Manufacturing |
| RU2773558C1 (ru) * | 2021-08-10 | 2022-06-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Устройство для селективного лазерного спекания изделий из порошковых полимерных материалов |
| RU2797802C1 (ru) * | 2022-10-27 | 2023-06-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Устройство для селективного лазерного спекания изделий |
| RU2801703C1 (ru) * | 2022-10-27 | 2023-08-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Устройство для селективного лазерного спекания изделий из мелкодисперсного полимерного порошка |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102615544B1 (ko) | 스펙트럼 변환기를 사용하여 3d 성형품을 제조하는 방법 및 장치 | |
| EP3421158B1 (en) | Three-dimensional electron beam based additive manufacturing device | |
| JP2906188B2 (ja) | ３次元対象物の製造方法および装置 | |
| US9839960B2 (en) | Three dimensional printer | |
| EP3067132A1 (en) | Method and apparatus for producing a three-dimensional work piece with thermal focus shift compensation of the laser | |
| EP3189960A1 (en) | Three-dimensional additive manufacturing device, production method for three-dimensional additive manufacturing device, and production program for three-dimensional additive manufacturing device | |
| JP2017185804A (ja) | 空隙を有する物体を選択的レーザ焼結する装置及び方法 | |
| RU2710821C1 (ru) | Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания | |
| RU2710823C1 (ru) | Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания | |
| KR101858367B1 (ko) | 근적외선 히터를 갖는 금형 예열 장치 | |
| JP2018178179A (ja) | 積層造形装置 | |
| CN109513928A (zh) | 激光熔化成形方法及3d打印装置 | |
| US20180133964A1 (en) | Apparatus for producing a three-dimensional work piece with process temperature control | |
| RU2710822C1 (ru) | Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания | |
| RU2750307C1 (ru) | Устройство и способ изготовления трехмерного изделия | |
| EP3829799A1 (en) | Powder bed fusion apparatus and methods | |
| RU2801703C1 (ru) | Устройство для селективного лазерного спекания изделий из мелкодисперсного полимерного порошка | |
| RU2797802C1 (ru) | Устройство для селективного лазерного спекания изделий | |
| RU208175U1 (ru) | Устройство для получения изделий из полимеров посредством послойного синтеза | |
| RU165868U1 (ru) | Устройство для получения изделий из порошковых материалов | |
| RU2773558C1 (ru) | Устройство для селективного лазерного спекания изделий из порошковых полимерных материалов | |
| CN106424724A (zh) | 选择性激光熔化slm成形定向加热装置 | |
| JP2008056532A (ja) | モールドプレス成形装置、及び成形体の製造方法 | |
| RU2744917C1 (ru) | Устройство для получения изделий из высокотемпературных полимеров методом селективного лазерного спекания | |
| RU154761U1 (ru) | Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов |