RU2725465C2 - 3d printer - Google Patents

3d printer Download PDF

Info

Publication number
RU2725465C2
RU2725465C2 RU2018104013A RU2018104013A RU2725465C2 RU 2725465 C2 RU2725465 C2 RU 2725465C2 RU 2018104013 A RU2018104013 A RU 2018104013A RU 2018104013 A RU2018104013 A RU 2018104013A RU 2725465 C2 RU2725465 C2 RU 2725465C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wire
printing
section
bulges
cross
Prior art date
Application number
RU2018104013A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2018104013A (en
RU2018104013A3 (en
Inventor
Александр Сергеевич Кривенко
Алексей Викторович Копейкин
Original Assignee
Александр Сергеевич Кривенко
Алексей Викторович Копейкин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Сергеевич Кривенко, Алексей Викторович Копейкин filed Critical Александр Сергеевич Кривенко
Priority to RU2018104013A priority Critical patent/RU2725465C2/en
Publication of RU2018104013A publication Critical patent/RU2018104013A/en
Publication of RU2018104013A3 publication Critical patent/RU2018104013A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2725465C2 publication Critical patent/RU2725465C2/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/04Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE 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
    • B33Y30/00Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to three-dimensional printing of composite volumetric parts from metal by layer-by-layer synthesis and can be used in various fields of machine building. Device is characterized by that feed mechanism of initial material, made in form of wire with sectioned profile of repeating sections, including bulges and thin connecting sections, wherein cross-section area of connecting sections is less than cross-section area of bulges of not less than 10 times, and their length is not more than longitudinal size of bulges, is made with possibility of step-by-step supply of initial material and accurate positioning in given point of space of next section of wire, and the energy beam focus is oriented to the next section of the wire positioned in a given point of space.EFFECT: technical result is possibility of obtaining objects of any shape with preservation of high speed of printing and high surface cleanliness without additional machining.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам изготовления объемных трудоемких деталей и конструкций из металла послойным синтезом и может быть применено в различных отраслях машиностроения.The invention relates to means for manufacturing volumetric labor-intensive parts and structures made of metal by layer-by-layer synthesis and can be applied in various branches of mechanical engineering.

Трехмерная (3D) печать (послойный синтез) - это процесс изготовления трехмерного твердого объекта из цифровой модели. 3D печать, как правило, достигается с использованием процесса добавления, в котором последовательные слои материала укладываются в разные формы.Three-dimensional (3D) printing (layer-by-layer synthesis) is the process of manufacturing a three-dimensional solid object from a digital model. 3D printing is typically achieved using an addition process in which successive layers of material are stacked in different shapes.

Трехмерная (3D) печать или аддитивное производство определяется как «способ соединения материалов, при котором происходит послойное создание объекта по заданной цифровой трехмерной модели».Three-dimensional (3D) printing or additive manufacturing is defined as “a method of joining materials in which there is a layer-by-layer creation of an object 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 regarding the use of metallic materials for printing. Direct feed technologies 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 гр/мин, проволока - 330 гр/мин по нержавеющей стали).Despite the high accuracy and low surface roughness of the parts obtained for the production of large products, powder feeding technologies are not applicable due to the low construction 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 до 50%.The price of the powder is significantly higher than the price of the wire (titanium powder -200 USD / kg, titanium wire -60 USD / kg), and powder loss during printing can be up to 50%.

Изделия, напечатанные с подачей порошка, как правило, отличаются более высокой пористостью (0,1-2% в зависимости от материала).Products printed with a powder supply, as a rule, have a higher porosity (0.1-2% depending on the material).

Также существенным недостатком данного способа подачи являются высокие требования к охране труда при работе с мелкодисперсными порошками и экологический аспект.Also, a significant drawback of this feeding method is the high requirements for labor protection when working with fine powders and the environmental aspect.

Устройства 3D печати (3D принтеры), использующие в качестве расходуемого материала проволоку, в зависимости от источника концентрированной энергии могут подразделяться на лазерные, электронно-лучевые и электродуговые.3D printing devices (3D printers) that use wire as a consumable material, depending on the source of concentrated energy, can be divided into laser, electron beam and electric arc.

3D принтеры, использующие в качестве источника энергии лазерные лучи отличаются повышенной точностью, по сравнению с другими способами, использующими проволоку, но имеют низкую энергетическую эффективность около 2…5%.3D printers using laser beams as an energy source are characterized by increased accuracy compared to other methods using wire, but have a low energy efficiency of about 2 ... 5%.

3D принтеры, использующие электронно-лучевую аддитивную наплавку обладают более значительной энергетической эффективностью - 15…20%, однако изначально такие принтеры работают в вакуумной среде. Соответственно размер деталей, произведенных электроннолучевой наплавкой проволокой ограничен размером вакуумной камеры (с учетом размещаемого в ней оборудования). Кроме того, необходимость работы с вакуумным оборудованием накладывает определенные сложности.3D printers using electron-beam additive surfacing have more significant energy efficiency - 15 ... 20%, but initially such printers operate in a vacuum environment. Accordingly, the size of the parts produced by electron beam welding with 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.

По сравнению с лазерной и электронно-лучевой наплавкой, электродуговая наплавка произвольных форм, с привлечением электродуговой сварки плавящимся или не плавящимся электродом в защитном газе обладает значительной энергоэффективностью. Однако высокая энергоэффективность дуги не делает устройства с электродуговой наплавкой 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 to laser and electron-beam surfacing, arc welding of arbitrary shapes, involving an electric arc welding with a consumable or non-consumable electrode in a protective gas, has significant energy efficiency. However, the high energy efficiency of the arc does not make electric arc welding devices popular, because the arc has high instability, the mode of operation of which depends on many parameters, including the properties of the material. Working with an arc requires a protective atmosphere of inert gas.

Технологии с использованием электронных пучков по энергоэффективности и точности построения находятся между лазерными и дуговыми, и являются оптимальными для построения крупногабаритных изделий с достаточно высокой точностью.Technologies using electron beams in terms of energy efficiency and accuracy of construction are between laser and arc, and are optimal for the construction of large-sized products with sufficiently high accuracy.

Все устройства аддитивной наплавки металлической проволокой обладают общими недостатками:All metal wire additive surfacing devices have common disadvantages:

- остаточные напряжения и деформации изготовленных объектов, вызванные интенсивным нагревом,- residual stresses and deformations of manufactured 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 a low surface finish and, as a consequence, a relatively low manufacturing accuracy,

- для всех устройств аддитивной печати с подачей проволоки характерна упрощенная геометрия изделий, которая обуславливается тем фактом, что невозможно резко прервать подачу расплавленного металла, расплавленная капля будет тянуться за головкой, создавая лишние соединения, не предусмотренные программой, т.е. печать проволокой используют при изготовлении деталей с замкнутой траекторией. Объекты сложной формы проволокой обычно не печатают.- all devices of additive printing with wire feed are characterized by a simplified geometry of products, which is caused by the fact that it is impossible to abruptly interrupt the flow of molten metal, the molten drop will stretch behind the head, creating unnecessary connections not provided by the program, i.e. printing with wire is used in the manufacture of parts with a closed path. Complex objects usually do not print with wire.

Из уровня техники известны технические решения, направленные на уменьшение указанных выше недостатков 3D принтеров, использующих для печати проволоку.The prior art technical solutions aimed at reducing the above disadvantages of 3D printers using wire for printing.

Так в устройстве 3D печати по патенту US 20170144242 требуемая точность изготавливаемого объекта обеспечивается доработкой изготовляемых объектов в процессе печати объекта. Для этого устройство 3D печати содержит непосредственно 3D принтер, включающий в себя источник энергии, подвижную платформу на поверхности которой изготавливается трехмерный объект; систему подачи исходного материала, приводное устройство для перемещения платформы и/или системы подачи исходного материала в соответствии с 3D моделью объекта, компьютерную систему, являющаяся частью устройства, в которой хранятся 3D модели объектов (база данных) и инструмент, который выполнен с возможностью удаления металла, осажденного с помощью источника энергии во время изготовления металлических деталей, без удаления детали с платформы.So in the 3D printing device according to patent US 20170144242, the required accuracy of the manufactured object is ensured by the refinement of the manufactured objects in the process of printing the object. For this, the 3D printing device directly contains a 3D printer, which includes an energy source, a movable platform on the surface of which a three-dimensional object is manufactured; a source material supply system, a drive device for moving the platform and / or a source material supply system in accordance with a 3D model of an object, a computer system that is part of a device that stores 3D models of objects (database) and a tool that is capable of removing metal deposited with an energy source during the manufacture of metal parts without removing the part from the platform.

Таким образом, высокую чистоту поверхности и точность изготовленного объекта в описанном устройстве получают за счет введения в устройство дополнительного инструмента (например головок механической обработки поверхности), который управляются компьютером, что приводит к значительному усложнению и удорожанию устройства и увеличению времени изготовления.Thus, high surface cleanliness and accuracy of the manufactured object in the described device is obtained by introducing into the device an additional tool (for example, surface machining heads), which are controlled by a computer, which leads to a significant complication and cost of the device and an increase in manufacturing time.

Известно устройство 3D печати по патенту GB 2539485, в котором для повышения качества изготовления объектов используют предварительно сформированный, для нанесения на объект, исходный материал в виде проволоки или шариков. Описанное в патенте устройство содержит платформу сборки и модуль печати включающий в себя ультразвуковую головку, предназначенную для наплавки исходного материала на изготавливаемый объект, устройство подачи исходного материала, представляющего собой предварительно сформированные шарики или проволоку, контроллер для обработки файла 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.A 3D printing device according to GB 2539485 is known, in which, to improve the quality of manufacturing of objects, a pre-formed, for applying to the object, source material in the form of wire or balls is used. The device described in the patent contains an assembly platform and a print module including an ultrasonic head for surfacing the source material on the fabricated object, a source material supply device, which is preformed balls or wire, and a controller for processing the print file. Surfacing is carried out by an ultrasonic head in direct contact with the source material, which is supplied by the device directly to the assembly platform, which allows you to hold the balls of the source material at predetermined points.

Устройству 3D печати по патенту GB 2539485 присущи следующие недостатки:The 3D printing device of GB 2539485 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. Поэтому с помощью такого устройства можно наплавлять только небольшие детали.- surfacing is carried out by ultrasonic method. In this case, friction and a slight plastic deformation of the metal layer in the weld zone occur. The melting of the entire volume of the wire or ball portion does not occur and it is difficult to obtain high uniformity in the volume of the final product. Therefore, using such a device, only small parts can be surfaced.

Несмотря на то, что в предполагаемом изобретении заявляется форма исходного материала, по количеству общих признаков наиболее близким к заявляемому устройству является техническое решение, описанное в патенте US 7168935, которое выбрано в качестве прототипа.Despite the fact that the alleged invention claims the form of the starting material, by the number of common features closest to the claimed device is the technical solution described in patent US 7168935, which is selected as a prototype.

Известно устройство по патенту US 7168935, использующее для печати проволоку, а в качестве источника энергии электронный луч и содержащее:A device is known according to patent US 7168935, using a wire for printing, and as an energy source an electron beam and containing:

вакуумную камеру в которой расположены платформа сборки, модуль печати с механизмом подачи исходного материала (проволоки), устройство формирования электронного луча, приводное устройство для перемещения модуля печати и/или платформы сборки в соответствии с 3D моделью, компьютерную систему, в которой хранятся 3D модели изготавливаемого объекта, управляющую перемещением модуля печати и/или платформы сборки.a vacuum chamber in which the assembly platform, a print module with a feed mechanism for the source material (wire), an electron beam forming device, a drive device for moving the print module and / or assembly platform in accordance with the 3D model, a computer system in which 3D models of the manufactured an object that controls the movement of the print module and / or assembly platform.

Описанное выше устройство реализует способ послойного создания (выращивания) металлического объекта на основе использования пучка электронов, который фокусируется на источнике металла (проволоке), непрерывно подаваемого к лучу (пучку электронов) в условиях вакуума. Электронный пучок плавит металл на вращающейся поверхности платформы, укладывая его слоями в соответствии с 3D моделью объекта, хранящейся в памяти компьютера. Процесс продолжается до полного формирования объекта. Процесс 3D печати в устройстве по патенту US 7168935 осуществляется в вакуумной камере.The device described above implements a method for layer-by-layer creation (growing) of a metal object based on the use of an electron beam that focuses on a metal source (wire) continuously supplied to the beam (electron beam) in a vacuum. The electron beam melts the metal on the rotating surface of the platform, laying it in layers in accordance with the 3D model of the object stored in the computer's memory. The process continues until the complete formation of the object. The 3D printing process in the device according to patent US 7168935 is carried out in a vacuum chamber.

Описанное устройство малоэффективно при изготовлении объектов сложной формы т.к. невозможно резко прервать подачу расплавленного металла, расплавленная капля будет тянуться за модулем печати, создавая не предусмотренные лишние соединения между элементами объекта. На описанном принтере возможно получение объектов с упрощенной геометрий. Кроме того, с помощью описанного выше устройства невозможно реализовать высокую чистоту поверхности изготавливаемого объекта из-за нестабильных размеров капель расплавляемого исходного материала.The described device is ineffective in the manufacture of objects of complex shape since it is impossible to abruptly interrupt the flow of molten metal, the molten drop will stretch behind the print module, creating unintended extra connections between the elements of the object. Using the described printer, it is possible to obtain objects with simplified geometries. In addition, using the device described above, it is impossible to realize a high surface purity of the fabricated object due to the unstable droplet sizes of the molten source material.

Таким образом, с помощью описанного выше устройстве невозможно изготовить объекты сложной формы с хорошей чистотой поверхности. После изготовления объекты требуют механической обработки.Thus, using the device described above, it is impossible to produce objects of complex shape with good surface cleanliness. After manufacturing, objects require machining.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства 3D печати металлом, позволяющее получать объекты любой формы, с сохранением высокой скорости печати и более высокой чистотой поверхности без дополнительной механической обработки.The aim of the invention is the creation of a 3D printing device with metal, which allows to obtain objects of any shape, while maintaining high printing speed and higher surface finish without additional machining.

Для этого в устройстве 3D печати, включающем в себя камеру в которой размещены платформа на поверхности которой изготавливается трехмерный объект, модуль печати с механизмом подачи исходного материала, устройство формирования энергетического луча, приводное устройство для перемещения платформы или модуля печати в соответствии с 3D моделью объекта, компьютерную систему, в которой хранятся 3D модели объектов (база данных), используемый исходный материал представляет собой проволоку с секционированным профилем, выполненным в виде повторяющихся секций, включающих в себя утолщения и тонкие соединительные участки, площадь поперечного сечения соединительных участков меньше площади поперечного сечения утолщений не менее, чем в 10 раз, его длина не более продольного размера утолщений, причем механизм подачи исходного материала выполнен с возможностью пошаговой подачи исходного материала и точного позиционирования в заданной точке пространства очередной секции проволоки, а фокус энергетического луча сориентирован на упомянутую выше, позиционированную в нужной точке пространства, очередную секцию проволоки.To do this, in a 3D printing device, including a camera in which a platform is placed on the surface of which a three-dimensional object is made, a print module with a source material supply mechanism, an energy beam forming device, a drive device for moving the platform or print module in accordance with the 3D model of the object, a computer system in which 3D models of objects are stored (database), the source material used is a wire with a sectioned profile made in the form of repeating sections, including thickenings and thin connecting sections, the cross-sectional area of the connecting sections is less than the cross-sectional area of the thickenings less than 10 times, its length is not more than the longitudinal size of the thickenings, and the feed mechanism of the source material is made with the possibility of step-by-step supply of the source material and precise positioning at a given point in the space of the next section of the wire, and the focus of the energy beam oriented to the above, positioned at the right point in space, the next section of wire.

Объекты любой формы с помощью заявляемого устройства возможно изготавливать за счет того, что исходный материал подается нормированными дозами в виде расплавленной капли металла, прервать печать можно в любой точке, также как и начать печать можно в любой точке объекта. Причем указанное соотношение между площадью поперечного сечения утолщения и площадью поперечного сечения тонкой части обеспечивает с одной стороны достаточную гибкость и прочность секционной проволоки, с другой стороны теплопроводность тонкой части должна быть недостаточной для расплава утолщения следующей секции.It is possible to produce objects of any shape using the inventive device due to the fact that the starting material is supplied in normalized doses in the form of a molten metal drop, printing can be interrupted at any point, just as printing can be started at any point on the object. Moreover, the specified ratio between the cross-sectional area of the thickening and the cross-sectional area of the thin part provides on the one hand sufficient flexibility and strength of the sectional wire, on the other hand, the thermal conductivity of the thin part should be insufficient for melt thickening of the next section.

Длина тонкой части секции выбирается из следующих условий:The length of the thin section is selected from the following conditions:

- с одной стороны расстояние между утолщениями секций должно быть достаточным, для того, чтобы в фокусе луча находилось только одно утолщение (одна секция проволоки),- on the one hand, the distance between the thickenings of the sections should be sufficient so that only one bulge is in the focus of the beam (one section of wire),

- но увеличение расстояния между утолщениями приводит к уменьшению скорости подачи исходного материала, что уменьшает скорость печати.- but increasing the distance between the bulges leads to a decrease in the feed rate of the source material, which reduces the printing speed.

Количество расплавленного исходного материала определяется размером утолщения секции проволоки и не зависит от времени действия луча, (т.к. исходный материал подается пошагово). При воздействии луча на исходный материал расплавляется только та секции, на утолщении которой сфокусирован луч, поэтому 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 и уменьшается шероховатость его поверхности (повышается чистота поверхности).The amount of molten starting material is determined by the size of the thickening of the wire section and does not depend on the time of the beam (since the starting material is supplied step by step). When the beam acts on the source material, only that section melts on the thickening of which the beam is focused, so from drop to drop the amount of molten material remains constant. The thin connecting part of the section practically does not change the mass of the drop. The melt zone of the source material on the platform is smaller compared to the prototype, the size of this zone being controlled and repeated from drop to drop, which significantly reduces the likelihood of molten material going beyond the size of the object, thereby increasing the accuracy of the fabricated object and reducing its surface roughness (increasing the purity surface).

Высокая скорость печати, (не меньше, чем в прототипе) обуславливается тем, что расплав утолщения происходит быстрее чем расплав обычной проволоки (при одинаковой мощности энергетического луча). Это объясняется тем, что мощность, передаваемая вдоль проволоки за счет теплопроводности, определяется по формуле:High printing speed, (not less than in the prototype) is due to the fact that the thickening melt occurs faster than the usual wire melt (at the same power of the energy beam). This is because the power transmitted along the wire due to thermal conductivity is determined by the formula:

Figure 00000001
где
Figure 00000001
Where

- λ - теплопроводность материала;- λ is the thermal conductivity of the material;

- Swire - площадь сечения проволоки;- S wire - wire cross-sectional area;

-

Figure 00000002
- длина проволоки;-
Figure 00000002
- wire length;

- (Т2-T1) - разность температур на концах.- (T 2 -T 1 ) is the temperature difference at the ends.

Таким образом с уменьшением площади сечения и увеличением длины проволоки мощность, передаваемая вдоль проволоки уменьшается. Так для медной проволоки диаметром 2 мм мощность, теряемая за счет 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.Thus, with a decrease in the cross-sectional area and an increase in the length of the wire, the power transmitted along the wire decreases. So for a copper wire with a diameter of 2 mm, the power lost due to is about 900 watts. In the assessment, it was assumed that the wire is substantially cooled at a distance of 1 mm from the melt zone. Thus, the thin connecting part has 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, but the whole is used to melt the thickening section. Therefore, the melt is faster.

Кроме того, благодаря тому, что в любой момент времени нагревается только одно утолщение одной секции снижает интенсивность предварительного нагрева исходного материала, тем самым, уменьшаются остаточные напряжения и деформация изготовленных объектов.In addition, due to the fact that at any time only one thickening of one section is heated, the intensity of the preliminary heating of the starting material is reduced, thereby reducing residual stresses and deformation of the manufactured objects.

В заявляемом устройстве в качестве энергетического луча может быть использован электронный луч или лазерный луч.In the inventive device, an electron beam or a laser beam can be used as an energy beam.

При использовании в качестве энергетического луча электронного луча изготовление объекта выполняется в вакуумной среде, а при использовании лазерного луча, как правило, - в среде инертного газа, но может и в вакууме, и даже атмосферу для некоторых металлов.When using an electron beam as an energy beam, the object is manufactured in a vacuum medium, and when using a laser beam, as a rule, in an inert gas medium, but can also be in a vacuum, or even the atmosphere for some metals.

На представленных чертежах показано заявляемое техническое решение:The drawings show the claimed technical solution:

фиг. 1 3D принтерFIG. 1 3D printer

фиг. 2 Механизм подачи исходного материала.FIG. 2 Source material feed mechanism.

3D принтер содержит камеру 1, в которой размещены платформа 2, на поверхности которой изготавливается трехмерный объект 3, модуль печати, включающая в себя устройство формирования энергетического луча 4 и механизм подачи исходного материала 5 с секционированной проволокой 6, передвигаемой помощью шестерного 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.The 3D printer contains a camera 1, in which a platform 2 is placed, on the surface of which a three-dimensional object 3 is made, a printing module, which includes an energy beam forming device 4 and a source material supply mechanism 5 with a sectioned wire 6, moved by means of a gear wheel 7, mechanically connected with a stepper motor 8, and a pressure roller 9, spring-loaded with a spring 10, a drive device for moving the print module 11 in accordance with the 3D model of the object, a computer system 12 that controls the printing process.

При использовании в качестве энергетического луча электронного луча устройство 4 формирует электронный луч, и сможет быть выполнено как описано в патенте CN 105655215 А.When used as an energy beam of an electron beam, the device 4 forms an electron beam, and can be performed as described in patent CN 105655215 A.

При использовании в 3D принтере в качестве энергетического луча лазерного луча камера заполняется обычно инертным газом (но могут иметь и вакуум, и даже атмосферу для некоторых металлов), а устройство формирования энергетического луча может быть выполнено как описано в US 6143378 А.When using a laser beam in a 3D printer as an energy beam, the chamber is usually filled with inert gas (but may have a vacuum, and even an atmosphere for some metals), and the energy beam forming device can be performed as described in US 6143378 A.

Устройство работает следующим образомThe device operates as follows

Работа устройства начинается с создания с 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.The operation of the device begins with the creation of a digital model of the manufactured object by loading into the computer system 12. A platform 2 is installed in the vacuum chamber 1. The sectioned wire 6 is inserted into the feed material 5 and the initial positioning of the section thickening relative to the focus of the electron beam is performed.

Механизм подачи исходного материала осуществляет пошаговую подачу исходного материала с точным позиционированием в заданной точке пространства очередной секции проволоки. Подача проволоки осуществляется следующим образом:The feed material feed mechanism provides step-by-step feed of the source material with precise positioning at a given point in the space of the next wire section. The wire feed is as follows:

- первоначальное позиционирование осуществляется программно. Первоначальное позиционирование проволоки предполагает установку утолщения секции в фокусе луча.- initial positioning is carried out programmatically. The initial positioning of the wire involves installing a thickening section in the focus of the beam.

- далее по команде с компьютерной системы 12, подается команда на на привод механизма подачи исходного материала 8 (в описываемом устройстве это шаговый двигатель), привод поворачивает шестерное колесо 7 на заданный угол, зубья колеса захватывают очередную секцию проволоки и продвигают ее. Прижимной ролик 8 исключает возможность отклонения проволоки, тем самым обеспечивается точное позиционирование секции проволоки в пространстве. А это, в свою очередь, гарантирует, что утолщение секции всегда попадет в фокус луча, причем в момент расплава в фокусе будет находится только одно утолщение (одна секция)- further on command from the computer system 12, a command is issued to drive the feed mechanism of the source material 8 (in the described device it is a stepper motor), the drive rotates the gear wheel 7 by a predetermined angle, the teeth of the wheel capture the next section of wire and advance it. The pressure roller 8 eliminates the possibility of deflection of the wire, thereby ensuring accurate positioning of the wire section in space. And this, in turn, ensures that the thickening of the section always falls into the focus of the beam, and at the time of the melt only one thickening will be in focus (one section)

Далее, в зависимости от размера секций проволоки и материала проволоки программно задается размер фокусного пятна электронного луча, его энергия и ток. В камере создается необходимый вакуум, порядка 10-2 Па. Приводное устройство перемещения модуля печати 7 устанавливает модуль печати в начальное положение (точку начала печати) в соответствии с цифровой моделью объекта. Устройство формирования луча 4 формирует луч, происходит расплав секции и расплавленная капля металла падает на платформу 2, где происходит формирование объекта. После расплавления устройство формирования луча 4 по сигналу с компьютерной системы 12 отключает луч, приводное устройство модуля печати 11 передвигает его в соответствии с 3D моделью, а механизм подачи исходного материала 5, управляемый компьютерной системой 12, подает в фокус луча следующую секцию проволоки.Further, depending on the size of the wire sections and the material of the wire, the size of the focal spot of the electron beam, its energy and current are programmatically set. The necessary vacuum is created in the chamber, on the order of 10 -2 Pa. The drive unit for moving the print module 7 sets the print module to its initial position (print start point) in accordance with the digital model of the object. The beam forming device 4 forms a beam, the section is molten, and a molten drop of metal falls on the platform 2, where the object is formed. After melting, the beam-forming device 4, upon a signal from the computer system 12, turns off the beam, the drive unit of the print module 11 moves it in accordance with the 3D model, and the feed mechanism 5, controlled by the computer system 12, feeds the next section of wire into the beam focus.

Электронный луч попадет в центр утолщения секции и разогревает ее. Секция расплавляется отрывается от проволоки и падает на платформу. Тепло от расплавленного секции проволоки передается соседней секции через тонкий участок проволоки (пока он не разрывается), его недостаточно для плавления следующей секции проволоки. Таким образом, печать объекта осуществляется отдельными дозированными каплями, которые не тянутся за модулем печати.The electron beam enters the center of the thickening section and heats it. The section melts away from the wire and falls onto the platform. Heat from the molten section of the wire is transferred to the neighboring section through a thin section of the wire (until it breaks), it is not enough to melt the next section of the wire. Thus, the printing of the object is carried out in separate metered drops that do not stretch behind the print module.

Испытания опытного образца показали, что при заявляемых размерах секционной проволоки, а именно -площадь сечения соединительных участков меньше площади поперечного сечения утолщений не менее чем в 10 раз, а его длина не более продольного размера утолщений- обеспечиваетTests of the prototype showed that with the claimed dimensions of the sectional wire, namely, the cross-sectional area of the connecting sections is less than 10 times the cross-sectional area of the bulges, and its length is not more than the longitudinal size of the bulges-provides

- в момент расплава расположение в фокусе только одной секции,- at the time of the melt, the location in focus of only one section,

- точное позиционирование в заданной точке пространства относительно создаваемой детали или фокуса луча очередной секции проволоки.- precise positioning at a given point in space relative to the created part or beam focus of the next wire section.

Использование в качестве источника энергии электронного луча позволяет расплавлять металл с высокой производительностью (скоростью) и энергоэффективностью при высокой точности и повторяемости.Using an electron beam as an energy source allows the metal to be melted with high productivity (speed) and energy efficiency with high accuracy and repeatability.

Использование в качестве источника энергии лазерного луча позволяет создавать крупногабаритные металлические объекты в среде защитного газа или на атмосфере при высокой точности и повторяемости.Using a laser beam as an energy source allows you to create large-sized metal objects in a shielding gas or atmosphere with high accuracy and repeatability.

Предложенное в заявке устройство 3D принтера с исходным материалом в виде секционированной проволоки и использованием энергетического луча сохраняет достоинства и нивелирует недостатки, характерные для известных устройств аддитивного изготовления объектов. Устройство позволяет существенно увеличить точность построения объекта и уменьшить шероховатость изготовленного объекта. При этом заявленное устройство с использованием секционированной проволоки позволяет печатать из металлической проволоки изделия сложной формы с тонкими перегородками, каналами, ячеистой структурой и др. Это существенно снизит себестоимость и увеличит спрос на аддитивное изготовление металлических изделий в большинстве металлоемких производств.The 3D printer device proposed in the application with the source material in the form of a partitioned wire and using an energy beam retains the advantages and eliminates the disadvantages characteristic of known devices for the additive manufacturing of objects. The device allows to significantly increase the accuracy of the construction of the object and reduce the roughness of the manufactured object. At the same time, the claimed device using sectioned wire allows printing complex metal products with thin partitions, channels, cellular structure, etc. from metal wire. This will significantly reduce the cost and increase the demand for additive manufacturing of metal products in most metal-intensive industries.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизеSources of information taken into account during the examination

1. Патент № US 20170144242 оп. 25.05.2017 МПК B23K 9/042 «3D принтер и способ металлической печати»1. Patent No. US 20170144242 op. 05/25/2017 IPC B23K 9/042 "3D printer and method of metal printing"

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 V23K 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 объекта3. Patent No. US 7168935 op. 01/30/2007 IPC V23K 15/00 “Device and method for forming a three-dimensional object

4. Патент US 6143378 оп. 07.11.2000 МПК В29С 67/004. Patent US 6143378 op. 11/07/2000 IPC В29С 67/00

Процесс производства энергетическим осаждением с подающей проволокойEnergy deposition process with feed wire

5. Патент CN 105655215 оп. 08.06.2016 МПК H01J 29/485. Patent CN 105655215 op. 06/08/2016 IPC H01J 29/48

Электронная пушка для получения электронного пучка при аддитивном производстве оборудования.An electron gun for producing an electron beam in additive manufacturing equipment.

Claims (1)

3D принтер для печати объекта из металлической секционированной проволоки, включающий в себя камеру, в которой размещены платформа, на поверхности которой изготавливается трехмерный объект, модуль печати с механизмом подачи исходного материала, устройство формирования энергетического луча, приводное устройство для перемещения платформы или модуля печати в соответствии с 3D моделью объекта, компьютерную систему, в которой хранятся 3D модели объектов в виде базы данных, отличающийся тем, что используемый исходный материал представляет собой проволоку с секционированным профилем, выполненным в виде повторяющихся секций, включающих в себя утолщения и тонкие соединительные участки, площадь поперечного сечения соединительных участков меньше площади поперечного сечения утолщений не менее чем в 10 раз, а их длина не более продольного размера утолщений, причем механизм подачи исходного материала выполнен с возможностью пошаговой подачи исходного материала и точного позиционирования в заданной точке пространства очередной секции проволоки, а фокус энергетического луча сориентирован на упомянутую выше позиционированную в нужной точке пространства очередную секцию проволоки.A 3D printer for printing an object from a metal sectioned wire, including a camera in which a platform is placed, on the surface of which a three-dimensional object is made, a print module with a feed mechanism, an energy beam forming device, a drive device for moving the platform or print module in accordance with a 3D model of the object, a computer system in which 3D models of objects are stored in the form of a database, characterized in that the source material used is a wire with a sectioned profile made in the form of repeating sections, including thickenings and thin connecting sections, transverse area the cross-section of the connecting sections is less than 10 times less than the cross-sectional area of the bulges, and their length is not more than the longitudinal size of the bulges, and the feed material supply mechanism is configured to step-by-step feed the raw material and accurately position at a given t point of space of the next section of wire, and the focus of the energy beam is oriented to the next section of wire, positioned at the right point in space, mentioned above.
RU2018104013A 2018-02-01 2018-02-01 3d printer RU2725465C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018104013A RU2725465C2 (en) 2018-02-01 2018-02-01 3d printer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018104013A RU2725465C2 (en) 2018-02-01 2018-02-01 3d printer

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2018104013A RU2018104013A (en) 2019-08-01
RU2018104013A3 RU2018104013A3 (en) 2019-08-01
RU2725465C2 true RU2725465C2 (en) 2020-07-02

Family

ID=67586364

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018104013A RU2725465C2 (en) 2018-02-01 2018-02-01 3d printer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2725465C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU210798U1 (en) * 2021-10-26 2022-05-05 Петр Петрович Усов Device for layer-by-layer printing of volumetric products from metal wires

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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 (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU210798U1 (en) * 2021-10-26 2022-05-05 Петр Петрович Усов Device for layer-by-layer printing of volumetric products from metal wires

Also Published As

Publication number Publication date
RU2018104013A (en) 2019-08-01
RU2018104013A3 (en) 2019-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11691198B2 (en) Wire manufactured by additive manufacturing methods
KR101614860B1 (en) Printing method of 3d directed energy deposition by using arc and alloy metal powder cored wire and its apparatus
Ding et al. Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests
US9278483B2 (en) Additive layer fabrication method
EP3513896A1 (en) Methods and systems for additive tool manufacturing
EP2424706B1 (en) Additive layer fabrication method
US11772194B2 (en) Method for designing laminate molded article, production method, production device, and program
Wang et al. Wire based plasma arc and laser hybrid additive manufacture of Ti-6Al-4V
JP2021088179A (en) Method of three-dimensional printing and conductive liquid three-dimensional printing system
Akbari et al. Process development for a robotized laser wire additive manufacturing
CN104289797A (en) Rapid MIG forming system
EP3676035A1 (en) Metal 3d printing with local pre-heating
Barroi et al. A novel approach for high deposition rate cladding with minimal dilution with an arc–laser process combination
EP2246143A1 (en) Additive layer fabrication method
KR102312257B1 (en) Contact tip assembly for welding MIM metal
RU2725465C2 (en) 3d printer
CN109967741B (en) 3D printing process optimization method based on reinforcement learning
RU2691017C1 (en) 3d method of printing sectioned wire
EP2246145A1 (en) Additive layer fabrication method
EP3481578B1 (en) Fluid-cooled contact tip assembly for metal welding
JP2022525559A (en) Clad material with clad layers of different thickness
JP2021536364A (en) Addition manufacturing
US20230294191A1 (en) Molded object manufacturing method and molded object
Gokhale et al. Directed Energy Deposition for Metals
Jain Effects of Cooling Techniques in WAAM

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200202