RU2725483C1 - Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока - Google Patents
Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока Download PDFInfo
- Publication number
- RU2725483C1 RU2725483C1 RU2019126967A RU2019126967A RU2725483C1 RU 2725483 C1 RU2725483 C1 RU 2725483C1 RU 2019126967 A RU2019126967 A RU 2019126967A RU 2019126967 A RU2019126967 A RU 2019126967A RU 2725483 C1 RU2725483 C1 RU 2725483C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- layer
- melting
- current
- metal powder
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
-
- 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
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к управлению процессом плавления порошка металла в 3D-принтере. Может использоваться в различных отраслях техники, таких как станкостроение, транспортное машиностроение, приборостроение. Жидкий металл распределяют по заданным областям слоя, согласно запрограммированному рисунку, при этом в местах запланированного плавления порошка металла осуществляют лазерный подогрев в среде, обладающей S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры и состоящей из нерасплавленного порошка металла, погруженного в иммерсионный расплав с меньшей температурой плавления. В упомянутой среде осуществляют шнурование тока для плавления порошка металла в шнурах тока. Изделие получают после остывания до температуры ниже температуры плавления порошка, но выше температуры плавления иммерсионного расплава. Обеспечивается повышение скорости 3D-печати и уменьшение пористости материала изготавливаемых изделий. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области изготовления изделий в 3D принтере и, в частности, к системам обработки порошков и отходов от них и может найти широкое применение в различных отраслях техники, в частности в станкостроении, приборостроении и других.
Известен способ использования печатающей головки струйного типа для доставки связующего материала к слоям порошкового строительного материала. Технология включает нанесение слоя порошкового строительного материала на поверхность, после чего печатающая головка подает жидкий связующий материал в заранее определенные области слоя материала и реагирует с порошком, вызывая затвердевание слоя в области печати (как вариант, активация (расплавление порошка) осуществляется лазерным лучом). Варианты использования этого метода со ссылками на предшествующие запатентованные изобретения представлены, например, в Patent US №7,971,991 В1; опубл. 05.07.2011.
Недостатком данного способа является недостаточная прочность изделий за счет пористости образующегося материала и частого засорения пылью печатающей головки принтера.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ управления процессом кристаллизации жидкого проводящего материала в 3D принтере, заключающийся в том, что печатающая головка имеет резервуар жидкого проводящего материала, окруженный электромагнитной катушкой. Под влиянием электромагнитного импульса на жидкий проводящий материал из резервуара через отверстие выбрасывается капля жидкого проводящего материала. В результате серии импульсов серия капель падает на платформу согласно запрограммированному рисунку, и в процессе кристаллизации происходит формирование изделия. (Patent US №2015/0273577 А1; опубл. 01.10.2015).
Недостаткам всех известных способов, реализующих принцип «капля по требованию», в том числе технической проблемой, является высокая сложность их осуществления и, как следствие, дороговизна. Попытки использовать вместо капель сплошную струю потерпели неудачу в силу неустойчивости (разрушения) струи требуемого сечения.
В основу заявленного изобретения положен технический результат -повышение скорости печати и уменьшение пористости материала изделий.
Технический результат от использования предполагаемого изобретения достигается тем, что как повышение скорости 3D печати, так и уменьшение пористости материала изготавливаемых изделий осуществляется за счет сплошного, а не дробного плавления порошка металла в заданных областях согласно запрограммированному рисунку.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе послойной 3D-печати изделий из металла за счет явления шнурования тока, заключающемся в распределении жидкого металла по заданным областям слоя, согласно запрограммированному рисунку, в местах запланированного плавления порошка металла осуществляют лазерный подогрев в среде, обладающей S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры и состоящей из нерасплавленного порошка металла, погруженного в иммерсионный расплав с меньшей температурой плавления, в которой осуществляют шнурование тока для плавления порошка металла в шнурах тока, а запланированное изделие получают после остывания до температуры, ниже температуры плавления порошка, но выше температуры плавления иммерсионного расплава. После этого неиспользованный порошок с иммерсионным расплавом может быть легко удален.
Изобретение поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 схематически представлен график нелинейной S-образной зависимости проводимости σ от температуры (использовано аналитическое выражение
На фиг. 2 показан процесс шнурования тока (распределение температуры после начала плавления).
На фиг. 3 показан процесс шнурования тока (область существования расплава ближе к окончанию плавления, изображено, как с течением времени сформировался «шнур» расплава основного материала).
Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счет явления шнурования тока заключается в распределении жидкого металла по заданным областям слоя, согласно запрограммированному рисунку, в местах запланированного плавления порошка металла осуществляют лазерный подогрев в среде, обладающей S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры и состоящей из нерасплавленного порошка металла, погруженного в иммерсионный расплав с меньшей температурой плавления, в которой осуществляют шнурование тока для плавления порошка металла в шнурах тока, а запланированное изделие получают после остывания до температуры, ниже температуры плавления порошка, но выше температуры плавления иммерсионного расплава.
Дело в том, что описанная система является средой с резко нелинейной S-образной характеристикой электрической проводимости (или сопротивления) по температуре. Действительно, в случае относительно малой доли расплава легкоплавкого металла (например, 10-30%) сопротивление материала остается довольно близким к сопротивлению порошка, т.е. относительно высоким. При достижении температуры плавления порошка в какой-то области сопротивление этой области резко падает за счет появления расплава основного компонента. Это и дает соответствующую нелинейную характеристику.
Для построения графика использовано аналитическое выражение
Но вещества с нелинейной (.S-образной) зависимостью проводимости от температуры хорошо известны в физике плазмы и в физике полупроводников. В физике плазмы это приводит к появлению такого известного явления, как шнурование тока (V.В. Pathak, Т. Grismayer, A. Stockem, R.A. Fonseca and L.О. Silva "Spatial-temporal evolution of the current filamentation instability", New J. Phys., 17 (2015), 043049, doi:10.1088/1367-2630/17/4/043049).
В самом деле, такая нелинейность приводит к формированию положительной обратной связи между током и температурой. В случае протекания тока в системе, очевидно, выделение тепла пропорциональное квадрату тока. В области, где сопротивление ниже, протекает больший ток, а значит, выделяется большее тепло, что приводит к увеличению температуры, дальнейшему расплавлению в окружающем объеме и т.д. В плазме подобный нелинейный механизм ток - тепло и приводит к образованию «шнуров» тока. Явление шнурования тока также хорошо известно в физике полупроводников (Волков А.Ф., Коган Ш.М, Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, "УФН",1968, т. 96, в. 4, с. 633).
Плотность тока в каждой точке пространства определяется законом Ома в дифференциальной форме:
где j - плотность тока в конкретной точке, σ=1/ρ- удельная проводимость, обратно пропорциональная удельному сопротивлению, Е - напряженность электрического поля, r - радиус-вектор точки в объеме образца. В (1) учтено, что в нашем случае проводимость является функцией температуры Т.
Поле Е определяется обычным уравнением Максвелла
Для вычисления поля удобнее рассчитать электрический потенциал ϕ(r)
так что в итоге получаем обычное уравнение Лапласа
Зная полную плотность тока j в каждой точке пространства (из (1)), нетрудно получить тепловыделение, точнее, функцию тепловых источников, т.е. функцию роста температуры в этой точке как
где ρ - плотность вещества (кг/м3), Cp - удельная теплоемкость (J/kg/K). Если j выражено в А/m2, а σ - в Ohm-1⋅m-1, то Q имеет размерность K/s.
Эта величина должна быть подставлена в уравнение теплопроводности
где χ ~ коэффициент температуропроводности материала, коррелирующий с его электропроводностью σ, - оператор Лапласа для температуры и Q - функция тепловых источников.
Для замыкания этой системы уравнений следует ввести функцию зависимости проводимости от температуры σ(Т). По результатам предварительных экспериментов с порошком олова (~5 мкм, температура плавления 231°С) с добавкой 50% иммерсионного расплава - сплава Розе (температура плавления 104°С) оказалось, что проводимость системы можно хорошо аппроксимировать функцией арктангенса.
В связи с этими предварительными данными искусственно вводим функцию зависимости проводимости от температуры
где Т0 - температура плавления порошка, β - разумно большой безразмерный коэффициент, отвечающий свойствам металла.
Таким образом, замкнутая система уравнений (1)-(6) с учетом искусственно введенной функции зависимости проводимости от температуры (7) позволяет полностью описать поведение системы.
Нетрудно видеть, что эта система уравнений из-за зависимости (7) является существенно нелинейной и не дает возможности даже кусочно-гладкой линеаризации. Как следствие, система уравнений в настоящей работе решалась численными методами без линеаризации.
Для численного расчета использовались следующие величины параметров, характерные для описанной выше системы: порошок олова плюс иммерсионный расплав Розе:
температура плавления смеси (экспериментальные данные) - 120°С/393°K;
электропроводность расплавленной смеси - 2.5 1/(Ohm⋅m);
удельная теплоемкость - 227 J/(kg⋅K);
плотность - 7310 kg/m3;
коэффициент температуропроводности - 3⋅10-5 m2/s.
Процесс моделировался на тонком слое порошка с линейными размерами 80×80 mm, время моделирования составило 25 s.
Решение уравнений проводилось методом конечных элементов в пакете Matlab с заданием сетки разбиения по Делоне с количеством узлов >30000. Малость ошибки вычисления проверялась путем уменьшения шага по времени и увеличения числа узлов. Эти параметры изменяли до тех пор, пока это не переставало влиять на результат.
Еще раз подчеркнем, что предлагаемый метод синтеза путем создания предварительно нагретых областей с помощь лазерного- излучения ограничен тем, что лазерное излучение мало проникает в объем порошка с иммерсионным расплавом. Таким образом, этот метод является принципиально двумерным, т.е. допускает лишь послойную реализацию.
Как указывалось, простейшей возможностью создания области расплава заданной формы является задание начального распределения температуры так, чтобы области, где требуется образовать расплав, уже в первый момент времени имели большую температуру, чем остальные. Это можно назвать «тепловым шаблоном» или «тепловой маской». Тогда именно в этих областях будет скорейший рост температуры и, следовательно, формирование расплава. В данной модели отдельные участки тонкого слоя порошка были «нагреты» лазерным пучком с гауссовым профилем распределения интенсивности излучения до температуры 380°K, в то время как остальной порошок сохранял исходную температуру около 300°K. После «включения» тока, температура начинает расти и в точках наибольшего нагрева формируется расплав.
Итак, предложен принципиально новый метод послойной 3D печати объектов заданной формы из металла, основанный на явлении шнурования тока в среде с нелинейной электропроводностью. Нелинейная зависимость электропроводности от температуры получается в среде, состоящей из порошка выбранного материала и малого количества иммерсионного расплава (т.е. расплава вещества с меньшей температурой плавления). Как показало численное моделирование, в таких средах действительно возможно шнурование тока, приводящее к образованию области расплава в определенных точках.
Задание начального распределения температуры путем нагрева лазерным излучением с пучком гауссова профиля на каждом слое позволяет создавать области расплава заданной формы. В принципе, такой метод обеспечивает значительно более высокую скорость и качество формируемых образцов.
При этом:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к управлению 3D-печатью для металлов и может найти широкое применение в различных отраслях, таких как станкостроение, транспортное машиностроение, приборостроение и других;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Claims (1)
- Способ послойной 3D-печати изделий из металла с использованием процесса шнурования тока, включающий распределение жидкого металла по заданным областям слоя, согласно запрограммированному рисунку, отличающийся тем, что в местах запланированного плавления порошка металла осуществляют лазерный подогрев в среде, обладающей S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры и состоящей из нерасплавленного порошка металла, погруженного в иммерсионный расплав с меньшей температурой плавления, в которой осуществляют шнурование тока для плавления порошка металла в шнурах тока, а запланированное изделие получают после остывания до температуры ниже температуры плавления порошка и выше температуры плавления иммерсионного расплава.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019126967A RU2725483C1 (ru) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019126967A RU2725483C1 (ru) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2725483C1 true RU2725483C1 (ru) | 2020-07-02 |
Family
ID=71510314
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019126967A RU2725483C1 (ru) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2725483C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2778390C1 (ru) * | 2021-09-08 | 2022-08-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Способ объёмной 3D-печати посредством создания расплава в заданной области пространства за счёт явления шнурования тока |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150273577A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | Scott Vader | Conductive Liquid Three Dimensional Printer |
KR101614860B1 (ko) * | 2015-10-26 | 2016-04-25 | 비즈 주식회사 | 아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 ded 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치 |
RU170109U1 (ru) * | 2016-06-01 | 2017-04-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Юнимикс" | Печатающая головка устройства для объемной печати расплавленным металлом |
US20170266728A1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-09-21 | 3DAM Technologies, LLC | Systems and Methods For Depositing Charged Metal Droplets Onto A Workpiece |
RU2670510C2 (ru) * | 2017-01-20 | 2018-10-23 | Игорь Александрович Зябрев | Способ 3d послойной печати металлом |
US10315247B2 (en) * | 2015-09-24 | 2019-06-11 | Markforged, Inc. | Molten metal jetting for additive manufacturing |
-
2019
- 2019-08-27 RU RU2019126967A patent/RU2725483C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150273577A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | Scott Vader | Conductive Liquid Three Dimensional Printer |
US10315247B2 (en) * | 2015-09-24 | 2019-06-11 | Markforged, Inc. | Molten metal jetting for additive manufacturing |
KR101614860B1 (ko) * | 2015-10-26 | 2016-04-25 | 비즈 주식회사 | 아크 및 합금금속분말 코어 와이어를 이용한 ded 아크 3차원 합금금속분말 프린팅 방법 및 그 장치 |
US20170266728A1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-09-21 | 3DAM Technologies, LLC | Systems and Methods For Depositing Charged Metal Droplets Onto A Workpiece |
RU170109U1 (ru) * | 2016-06-01 | 2017-04-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Юнимикс" | Печатающая головка устройства для объемной печати расплавленным металлом |
RU2670510C2 (ru) * | 2017-01-20 | 2018-10-23 | Игорь Александрович Зябрев | Способ 3d послойной печати металлом |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2778390C1 (ru) * | 2021-09-08 | 2022-08-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Способ объёмной 3D-печати посредством создания расплава в заданной области пространства за счёт явления шнурования тока |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20200262141A1 (en) | Method and device for producing 3d moulded parts by means of a layer construction technique | |
US11760016B2 (en) | Build material particle layering | |
WO2017081814A1 (ja) | 3次元積層造形装置、3次元積層造形装置の制御方法および3次元積層造形装置の制御プログラム | |
WO2015162905A1 (en) | Sintering and shaping method, liquid binding agent, and sintered shaped article | |
CN107073824B (zh) | 制作三维对象 | |
RU2725483C1 (ru) | Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счёт явления шнурования тока | |
KR20210075004A (ko) | 가스 팽창 재료 분사 액추에이터 | |
RU170109U1 (ru) | Печатающая головка устройства для объемной печати расплавленным металлом | |
US11338363B2 (en) | Three-dimensional printing | |
Kuscer et al. | Advanced direct forming processes for the future | |
US20200269501A1 (en) | Three-dimensional printing | |
US20210197485A1 (en) | 3d object part section formation | |
US20150314529A1 (en) | Discrete 3d deposition printer | |
RU2778390C1 (ru) | Способ объёмной 3D-печати посредством создания расплава в заданной области пространства за счёт явления шнурования тока | |
US11904537B2 (en) | 3D forming objects using high melting temperature polymers | |
Kim et al. | Fabrication of fine metal patterns using an additive material extrusion process with a molten metal | |
JP6724974B2 (ja) | 焼結造形方法、液状結合剤、および焼結造形物 | |
EP3749502B1 (en) | Fabrication of objects having different degree of solidification areas | |
Sole-Gras et al. | Study of overlapping adjacent jets for effective laser-induced forward transfer printing | |
US20230166453A1 (en) | Controlling a thermal parameter in additive manufacturing | |
US20240253304A1 (en) | Method and device for producing 3d moulded parts by means of a layer construction technique | |
US11745266B2 (en) | Additive manufacturing of metals | |
CN109715319B (zh) | 金属粒子的融合 | |
Garg | Performance Analysis of a Drop-On-Demand Metal 3D Printing Device: A Computational Study |