RU2765285C1 - Method for three-dimensional printing of products of electrically conductive raw materials - Google Patents

Method for three-dimensional printing of products of electrically conductive raw materials Download PDF

Info

Publication number
RU2765285C1
RU2765285C1 RU2020140563A RU2020140563A RU2765285C1 RU 2765285 C1 RU2765285 C1 RU 2765285C1 RU 2020140563 A RU2020140563 A RU 2020140563A RU 2020140563 A RU2020140563 A RU 2020140563A RU 2765285 C1 RU2765285 C1 RU 2765285C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
product formation
formation area
electrically conductive
anode
conductive raw
Prior art date
Application number
RU2020140563A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Васильевич Колычев
Антон Викторович Побелянский
Алексей Николаевич Яковенко
Павел Александрович Архипов
Максим Евгеньевич Ренев
Виталий Андреевич Савелов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ")
Алексей Васильевич Колычев
Антон Викторович Побелянский
Алексей Николаевич Яковенко
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ"), Алексей Васильевич Колычев, Антон Викторович Побелянский, Алексей Николаевич Яковенко filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ")
Priority to RU2020140563A priority Critical patent/RU2765285C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2765285C1 publication Critical patent/RU2765285C1/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • 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
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

FIELD: additive production.
SUBSTANCE: invention relates to the field of additive production; it can be applied in the process of manufacturing physical spatial products, where a thermal binding reaction is used as a coupling mechanism, and electrically conductive raw material is used as material. A method for three-dimensional printing of products of electrically conductive raw materials includes operations of supplying electrically conductive raw materials to a product formation area and exposing it to energy from an external energy source, while reducing a value of electron output work of the product formation area by delivering substance with a low ionization potential to the product formation area in a concentration that provides a given proportion of covering the surface of the product formation area with substance, corresponding to the set value of the electron output work of the surface of the product formation area, and supplying to the product formation area an element – an anode, connected through a current source to the product formation area by a conductor, and from the anode, they are redirected through a voltage source to the product formation area, the specific density of a heat flux supplied from the external energy source and supply of electrically conductive raw materials to the product formation area are regulated based on voltage and current readings between the anode and the cathode, while the specific thermal emission cooling is regulated by changing the voltage at the anode, analyzing current characteristics of a circuit between the anode and the product formation area, the anode is equipped with a heat removal system.
EFFECT: ensuring the reduction in temperature stresses and deformation during the product formation of electrically conductive raw materials in the process of its 3D printing; at the same time, the speed of product formation is increased due to the absence of the need to print special channels of printed products, as well as the control of the specified technological modes during printing.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области аддитивного производства, и может быть применено в процессе изготовления физических пространственных изделий, где в качестве механизма связи используется термическая реакция связывания, а в качестве материала используется электропроводящее сырье.The invention relates to the field of additive manufacturing, and can be applied in the process of manufacturing physical spatial products, where the thermal reaction of binding is used as the bonding mechanism, and electrically conductive raw materials are used as the material.

Известным способом 3D-печати является синтез на подложке, в котором энергия от внешнего источника (ЭВИ) используется для избирательного спекания/сплавления предварительно нанесенного слоя порошкового материала. В результате порошок спекается/сплавляется в слой. Далее слой при охлаждении затвердевает, платформа передвигается в вертикальном направлении на величину шага 3D-печати и цикл создания металлического изделия повторяется до получения заданной формы изделия [ГОСТР 57558-2017/ ISO/ASTM 52900:2015 / Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы - часть 1 Термины и определения; ГОСТ Р 57589-2017 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы - часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования].A well-known 3D printing method is synthesis on a substrate, in which energy from an external source (ESI) is used to selectively sinter/fuse a pre-deposited layer of powder material. As a result, the powder is sintered/fused into a layer. Further, the layer solidifies upon cooling, the platform moves in the vertical direction by the 3D printing step, and the cycle of creating a metal product is repeated until a given product shape is obtained [GOSTR 57558-2017/ ISO/ASTM 52900:2015 / Additive manufacturing processes. Basic principles - part 1 Terms and definitions; GOST R 57589-2017 Additive manufacturing processes. Basic principles - part 2. Materials for additive manufacturing processes. General requirements].

Основным ограничением при изготовлении деталей данными методами является необходимость установки поддерживающих структур под нависающие поверхности (элементы), что преимущественно обусловлено необходимостью отвода тепла в остывающем слое материала после прожига. Для ряда материалов на основе железа и никеля (316L, Inconel 718) оптимальным является угол наклона поверхности к горизонтали 45° см. [Сотов А.В. Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД методом селективного лазерного сплавления двигателя: диссертация кандидата технических наук: 05.07.05 / Сотов Антон Владимирович / Самарский Университет - 2017, стр 143-144] и [Сухов Д.И. Влияние параметров селективного лазерного сплавления на образование пористости в синтезированном материале коррозионностойкой стали / Неруш С.В., Беляков С.В., Мазалов П.Б. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2017. №9 (690). С. 73-84], поверхности, наклоненные на меньший угол нуждаются в установке поддерживающих структур.The main limitation in the manufacture of parts by these methods is the need to install supporting structures under overhanging surfaces (elements), which is mainly due to the need to remove heat in the cooling layer of the material after burning. For a number of materials based on iron and nickel (316L, Inconel 718), the optimal angle of inclination of the surface to the horizontal is 45°, see [Sotov A.V. Development of a methodology for designing technological processes for the manufacture of flame tubes of gas turbine engines by the method of selective laser fusion of an engine: dissertation of a candidate of technical sciences: 05.07.05 / Sotov Anton Vladimirovich / Samara University - 2017, pp. 143-144] and [Sukhov D.I. Influence of parameters of selective laser melting on the formation of porosity in the synthesized material of corrosion-resistant steel / Nerush S.V., Belyakov S.V., Mazalov P.B. // News of higher educational institutions. Engineering. 2017. No. 9 (690). S. 73-84], surfaces inclined at a smaller angle require the installation of supporting structures.

В случае изготовления таких поверхностей без поддерживающих структур их качество будет снижаться - от повышенной шероховатости [Безъязычный В.Ф., Федосеев Д.В. Анализ параметров шероховатости поверхностей заготовок, полученных методом аддитивных технологий Наукоемкие технологии в машиностроении. 2019. №12 (102). С. 3-11.] до полного разрушения поверхности. Для материалов, имеющих меньший удельный вес (титан, алюминий) допустимые углы наклона будут лежать в более широком диапазоне - в ряде случаев допускается нависание горизонтальных участков материала длиной в несколько мм.In the case of the manufacture of such surfaces without supporting structures, their quality will decrease due to increased roughness [Bezyazychny V.F., Fedoseev D.V. Analysis of the surface roughness parameters of workpieces obtained by the method of additive technologies Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2019. No. 12 (102). S. 3-11.] until the complete destruction of the surface. For materials with a lower specific gravity (titanium, aluminum), the allowable angles of inclination will lie in a wider range - in some cases, overhanging of horizontal sections of the material several mm long is allowed.

Так же известным способом 3D-печати является способ экструзии материала, в котором материал выборочно подается через сопло или жиклер [ГОСТР 57558-2017, ГОСТ Р 57589-2017].Another well-known method of 3D printing is the material extrusion method, in which the material is selectively fed through a nozzle or jet [GOSTR 57558-2017, GOST R 57589-2017].

Ближайшим аналогом заявляемого способа 3D-печати является способ прямого подвода энергии и материала, в котором энергия от внешнего источника (ЭВИ) используется для соединения материалов путем их спекания/сплавления в процессе нанесения. При этом появляется возможность подачи двух порошков одновременно, что позволяет создавать 3D-изделия из металла из различных материалов [ГОСТР 57558-2017, ГОСТ Р 57589-2017].The closest analogue of the proposed 3D printing method is the method of direct energy and material supply, in which energy from an external source (EVI) is used to connect materials by sintering/fusing them during application. In this case, it becomes possible to supply two powders at the same time, which allows you to create 3D metal products from various materials [GOSTR 57558-2017, GOST R 57589-2017].

Основным недостатком данных методов является возникновение температурных напряжений в изделии из электропроводящего сырья (например, металла), что может привести к деформации, изменению формы изделия по сравнению с заданной, вызывать образование трещин, межслойное расслоение, а также отрыв изделия от платформы построения. Последовательность сплавления сырья на участках выбирается согласно стратеги сканирования островкового типа, где весь слой сегментирован на области с короткими длинами отдельных лазерных проходов, чтобы сплавляемые участки были максимально удалены друг от друга для уменьшения вредного теплового воздействия, что снижает скорость формирования изделия. На процесс изготовления влияет множество факторов, к управляющим факторам относят технологические режимы, например мощность лазерного излучения, скорость сканирования, скорость подачи сырья, шаг сканирования, тип штриховки лазерным лучом, которые подбираются для различных порошковых композиций. Во время печати не осуществляется контроль и регулирование удельной плотности теплового потока подводимого от внешнего источника энергии, которая учитывает связь погонной энергии и геометрических параметров подаваемого сырья. Во время печати регулирование затрудненно или не осуществляется вовсе, а задается методом подбора сочетания различных скоростей сканирования, мощности, шага сканирования и т.п. см: [стр. 22-35, Сотов А.В. Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД методом селективного лазерного сплавления двигателя: диссертация кандидата технических наук: 05.07.05 / Сотов Антон Владимирович / Самарский Университет - 2017]The main disadvantage of these methods is the occurrence of thermal stresses in a product made of electrically conductive raw materials (for example, metal), which can lead to deformation, a change in the shape of the product compared to the specified one, cause cracks, interlayer delamination, and detachment of the product from the construction platform. The sequence of fusion of raw materials in the areas is selected according to the island-type scanning strategy, where the entire layer is segmented into areas with short lengths of individual laser passes, so that the fusion areas are as far apart as possible to reduce harmful thermal effects, which reduces the rate of product formation. The manufacturing process is influenced by many factors, the controlling factors include technological modes, such as laser power, scanning speed, raw material feed rate, scanning step, type of laser beam shading, which are selected for various powder compositions. During printing, there is no control and regulation of the specific density of the heat flux supplied from an external energy source, which takes into account the relationship between the heat input and the geometric parameters of the supplied raw material. During printing, regulation is difficult or not carried out at all, but is set by selecting a combination of different scanning speeds, power, scanning step, etc. see: [p. 22-35, Sotov A.V. Development of a methodology for designing technological processes for the manufacture of gas turbine flame tubes by the method of selective laser fusion of an engine: thesis of a candidate of technical sciences: 05.07.05 / Sotov Anton Vladimirovich / Samara University - 2017]

Механизм возникновения температурных напряжений заключается в накоплении высокого уровня остаточных внутренних напряжений, обусловленного неравномерным остыванием слоя материала (электропроводящего сырья) после подвода тепловой энергии. Особенно данное явление проявляется при построении плоских горизонтальных участков. В отличие от тонких вертикальных стенок, суммарный теплоподвод к которым ниже, плоские горизонтальные участки подвергаются более интенсивному теплоподводу ввиду относительно большой площади прожига. Остывание материала на периферии происходит быстрее, чем в центре, что приводит к неравномерному тепловому расширению и накоплению внутренних напряжений, которые отрывают деталь от поддерживающих структур, также могут вызывать образование трещин и т.п.The mechanism of occurrence of thermal stresses is the accumulation of a high level of residual internal stresses due to uneven cooling of the layer of material (electrically conductive raw materials) after the supply of thermal energy. This phenomenon is especially manifested when constructing flat horizontal sections. Unlike thin vertical walls, to which the total heat supply is lower, flat horizontal sections are subjected to more intense heat supply due to the relatively large burn area. The cooling of the material at the periphery is faster than at the center, which leads to uneven thermal expansion and accumulation of internal stresses, which tear the part away from the supporting structures, can also cause cracks, etc.

Технической задачей, вытекающей из критики аналогов, является обеспечение увеличения и регулирования теплового потока отводимого от области формирования изделия, при обеспечении контроля и регулирования удельной плотности теплового потока, подводимого от внешнего источника энергии, что снижает уровень остаточных температурных напряжений в процессе печати.The technical task arising from the criticism of analogues is to ensure the increase and regulation of the heat flux removed from the area of product formation, while ensuring the control and regulation of the specific density of the heat flux supplied from an external energy source, which reduces the level of residual thermal stresses in the printing process.

Указанная техническая задача решается тем, что в область формирования изделия подают электропроводящее сырье и воздействуют на него энергией от внешнего источника энергии, при этом снижают величину работы выхода электронов области формирования изделия путем доставки к области формирования изделия вещества с низким потенциалом ионизации в концентрации, обеспечивающей такую долю покрытия веществом поверхности области формирования изделия, соответствующей диапазону значений работы выхода электроновповерхности области формирования изделия от минимальной до трех минимальных, и подводят к области формирования изделия элемент - анод, соединенный через источник тока с областью формирования изделия проводником.This technical problem is solved by supplying an electrically conductive raw material to the product formation area and exposing it to energy from an external energy source, while reducing the electron work function of the product formation area by delivering a substance with a low ionization potential to the product formation area in a concentration that provides such the proportion of substance coverage of the surface of the product formation area corresponding to the range of values of the work function of the electron surface of the product formation area from the minimum to three minimum, and an anode element connected through a current source to the product formation area by a conductor is brought to the product formation area.

Удельную плотность теплового потока, подводимого от внешнего источника энергии, и подачу электропроводящего сырья в область формирования изделия могут регулировать на основе показаний напряжения и силы тока между анодом и областью формирования изделия.The specific heat flux density supplied from an external energy source and the supply of electrically conductive raw material to the product formation area can be controlled based on voltage and current readings between the anode and the product formation area.

Удельное термоэмиссионное охлаждение могут регулировать путем изменения напряжения на аноде, анализируя токовые характеристики цепи между анодом и областью формирования изделия.Specific thermionic cooling can be controlled by changing the voltage at the anode, analyzing the current characteristics of the circuit between the anode and the area of product formation.

При этом анод могут активно охлаждать.In this case, the anode can be actively cooled.

Поскольку работа выхода вещества определена с достаточной точностью, показания напряжения и силы тока позволят определить температуру и предотвратить чрезмерный или же недостаточный нагрев области формирования изделия. Тем самым осуществляется обратная связь между мощностью источника энергии и температурой изделия в охлаждаемой области. При изменении области роста цикл охлаждения и снижения температурных напряжений повторяется заново.Since the work function of a substance is determined with sufficient accuracy, voltage and current readings will determine the temperature and prevent excessive or insufficient heating of the product formation area. Thus, a feedback between the power of the energy source and the temperature of the product in the cooled area is carried out. When the growth area changes, the cycle of cooling and reduction of thermal stresses is repeated anew.

Техническим результатом, получаемым в результате применения изобретения, является снижение температурных напряжений и деформаций в процессе печати 3D-изделия из электропроводящего сырья, в том числе за счет применения электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии. Одновременно, за счет отсутствия необходимости создания специальных поддержек (как в синтезе на подложке) и за счет отсутствия необходимости в создании в процессе печати специальных каналов охлаждения (как для прямого подвода энергии и материала) появляется возможность существенно сократить время печати изделия, а также осуществлять контроль заданных технологических режимов во время печати.The technical result obtained as a result of the application of the invention is the reduction of thermal stresses and deformations in the process of printing a 3D product from electrically conductive raw materials, including through the use of electron cooling during thermionic emission. At the same time, due to the absence of the need to create special supports (as in synthesis on a substrate) and due to the absence of the need to create special cooling channels during the printing process (as for the direct supply of energy and material), it becomes possible to significantly reduce the printing time of the product, as well as to control set technological modes during printing.

Пример установки для реализации заявляемого способа для прямого подвода энергии и материала представлен на фиг. 1.An example of an installation for implementing the proposed method for the direct supply of energy and material is shown in Fig. one.

Пример реализации заявляемого способа для синтеза на подложке представлен на фиг. 2.An example of the implementation of the proposed method for synthesis on a substrate is shown in Fig. 2.

Пример реализации заявляемого способа для экструзии материала представлен на фиг. 3.An example of the implementation of the proposed method for material extrusion is shown in Fig. 3.

На чертеже обозначены: 1 - внешний источник энергии (ВИЭ), 2 - устройства подачи порошка, 3 - устройства подачи паров цезия, 4 - анод, 5 - печатающееся изделие из электропроводящего сырья, 6 - источник напряжения, 7 - слой электроизоляции, 8 - обратная связь.The drawing indicates: 1 - external energy source (RES), 2 - powder feeders, 3 - cesium vapor feeders, 4 - anode, 5 - printed product from electrically conductive raw materials, 6 - voltage source, 7 - electrical insulation layer, 8 - Feedback.

ВИЭ 1 предназначен для спекания/сплавления электропроводящего сырья (например, металлов) за счет использования термической реакции связывания, устройства подачи электропроводящего сырья 2 предназначены для подачи электропроводящего сырья в область формирования изделия, 3 - устройства подачи вещества с низким потенциалом ионизации (например, паров щелочных и щелочноземельных металлов) предназначены для подачи их в область формирования изделия, анод 4 с темпетаратуропроводностью, достаточной для отвода тепловых потоков термоэлектронной эмиссией 4 предназначен для восприятия электронов эмиссии, вышедших с области формирования изделия, 5 - формируемое изделие, 6 - источник напряжения предназначен для перенаправления электронов эмиссии от анода 4 к области формирования изделия, слой электроизоляции 7 предназначен для изоляции анода 4 от устройства подачи паров 3, 8 - обратная связь предназначена для регулирования источника энергии по мощности на основе показаний напряжения и силы тока.RES 1 is designed for sintering/fusion of electrically conductive raw materials (for example, metals) through the use of a thermal binding reaction, electrically conductive raw materials supply devices 2 are designed to supply electrically conductive raw materials to the area of product formation, 3 - devices for supplying a substance with a low ionization potential (for example, alkali vapors and alkaline earth metals) are designed to supply them to the product formation area, the anode 4 with thermal diffusivity sufficient to remove heat fluxes by thermionic emission 4 is designed to receive emission electrons that have emerged from the product formation area, 5 - the product being formed, 6 - the voltage source is designed to redirect emission electrons from the anode 4 to the product formation area, the electrical insulation layer 7 is designed to isolate the anode 4 from the vapor supply device 3, 8 - feedback is designed to control the power source based on voltage and current readings.

В качестве ВИЭ 1 может также выступать лазерный луч, плазма, электронный луч и др.RES 1 can also be a laser beam, plasma, electron beam, etc.

Из ВИЭ 1 подают энергию на электропроводящее сырье, электропроводящее сырье разогревается и в ходе термической реакции связывания происходит послойное формирование изделия из электропроводящего сырья 5. Одновременно, к области формирования изделия из электропроводящего сырья 5 - подводят анод 4 на расстояние, выбираемое согласно следующим критериям: оптимальным будет являться минимальное характерное расстояние сравнимое с высотой слоя области формирования изделия из электропроводящего сырья 5, а максимальным будет являться наибольшее допустимое с точки зрения эффективности создания режима требуемой термоэлектронной эмиссии. Одновременно в область формирования из электропроводящего сырья 5 подают пары вещества (например, щелочных металлов) с низким потенциалом ионизации, которые попадая на поверхность нагреваемого участка снижают его работу выхода электрона с поверхности нагреваемого участка. Вещество с низким потенциалом ионизации подается в концентрации, соответствующей такой доли покрытия веществом поверхности области формирования изделия из электропроводящего сырья 5, чтобы обеспечить заданную работу выхода электронов поверхности области формирования изделия из электропроводящего сырья 5. Например, при покрытии веществом - цезием поверхности в 0.6 атомного слоя достигается наибольшее снижение работы выхода электронов никелевых сплавов.From RES 1, energy is supplied to the electrically conductive raw material, the electrically conductive raw material is heated, and during the thermal binding reaction, layer-by-layer formation of the product from the electrically conductive raw material 5 occurs. will be the minimum characteristic distance comparable with the height of the layer of the formation area of the product from electrically conductive raw material 5, and the maximum will be the largest allowable from the point of view of the efficiency of creating the mode of the required thermionic emission. At the same time, vapors of a substance (for example, alkali metals) with a low ionization potential are fed into the region of formation from the electrically conductive raw material 5, which, when falling on the surface of the heated area, reduce its work function for the electron exit from the surface of the heated area. A substance with a low ionization potential is supplied in a concentration corresponding to such a proportion of the coating of the surface of the area of formation of an article from electrically conductive raw material 5 with the substance in order to provide a given work function for the electron output of the surface of the region of formation of an article from electrically conductive raw material 5. For example, when covering the surface with a substance - cesium in 0.6 atomic layer the greatest reduction in the work function of electrons of nickel alloys is achieved.

Так, например, при подаче цезия в область формирования изделия из никелевого сплава, его работа выхода снижается до уровня 1.2-1.4 эВ (см., например, Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, 1991).So, for example, when cesium is supplied to the region of formation of a nickel alloy product, its work function decreases to the level of 1.2-1.4 eV (see, for example, Physical quantities. Handbook. Edited by I.S. Grigoriev, E.Z. Meilikhov , 1991).

В результате в процессе нагрева будет происходить выход электронов при термоэлектронной эмиссии из области формирования изделия из электропроводящего сырья 5. Вышедшие электроны будут забирать с собой большое количество тепловой энергии тем больше, тем выше температура участка поверхности роста изделия из электропроводящего сырья 5. Это позволит добиться равномерности температуры области роста изделия из электропроводящего сырья 5 и снизить температурные напряжения и деформации без необходимости создания сложных каналов охлаждения в процессе печати изделия из электропроводящего сырья 5. Электроны, вышедшие с охлаждаемого участка поверхности, попадают на анод 4 и через источник напряжения 6 возвращаются к участку охлаждения электропроводящего сырья 5. Показания напряжения и тока между анодом 4 и изделием из электропроводящего сырья 5 могут быть использованы для регулирования удельной плотности теплового потока подводимого от внешнего источника энергии (ВИЭ) 1 и подачи электропроводящего сырья в область формирования изделия из электропроводящего сырья 5.As a result, during the heating process, electrons will escape during thermionic emission from the formation area of the product from electrically conductive raw material 5. The released electrons will take with them a large amount of thermal energy, the more, the higher the temperature of the growth surface of the product from electrically conductive raw material 5. This will achieve uniformity temperature of the growth area of the product from electrically conductive raw material 5 and reduce thermal stresses and deformations without the need to create complex cooling channels in the process of printing a product from electrically conductive raw material 5. The electrons released from the cooled surface area fall on the anode 4 and return through the voltage source 6 to the cooling area electrically conductive raw material 5. The voltage and current readings between the anode 4 and the product made of electrically conductive raw material 5 can be used to control the specific heat flux density supplied from an external energy source (RES) 1 and supply electrically conductive raw materials to the area of product formation from electrically conductive raw materials 5.

Из-за термоэлектронной эмиссии электронов, происходит электронное охлаждение расплава с последующим его затвердеванием. Причем, участки с большей температурой охлаждаются интенсивнее, что позволяет обеспечить наиболее равномерное температурное поле затвердевающей области формирования изделия из электропроводящего сырья 5, снизив тем самым температурные напряжения в формирующемся изделии из электропроводящего сырья 5.Due to thermionic emission of electrons, there is an electronic cooling of the melt with its subsequent solidification. Moreover, areas with a higher temperature are cooled more intensively, which makes it possible to provide the most uniform temperature field of the solidifying area of the product formation from electrically conductive raw material 5, thereby reducing the temperature stresses in the product being formed from electrically conductive raw material 5.

Тогда при работе выхода электронов 1.4 эВ и температуре 1400°С (характерной температуры в области формирования изделия из жаропрочных материалов) термоэмиссионное охлаждение составит величину порядка 34 кВт/см2.Then, at a work function of electrons of 1.4 eV and a temperature of 1400°C (the characteristic temperature in the area of formation of a product from heat-resistant materials), thermionic cooling will be about 34 kW/cm2 .

Тогда, термоэмиссионное охлаждение области формирования изделия из электропроводящего сырья 5 целесообразно применять, начиная с температур, при которых термоэмиссионное охлаждение превосходит охлаждение излучением и теплопроводностью. В случае достижения более низкой работы выхода электрона порог целесообразности применения термоэмиссионного охлаждения сдвинется в сторону меньших температур. Например, при работе выхода электронов в 1.2 эВ, температура применения заявляемого способа может быть начиная с 500-600°С.Then, thermionic cooling of the area of product formation from electrically conductive raw materials 5 is advisable to apply, starting from temperatures at which thermionic cooling exceeds cooling by radiation and thermal conductivity. In the case of achieving a lower electron work function, the threshold for the expediency of using thermionic cooling will shift towards lower temperatures. For example, when the electron work function is 1.2 eV, the application temperature of the proposed method can be from 500-600°C.

Вышедшие электроны попадают на анод 4 и через источник напряжения 6 возвращаются в изделие из электропроводящего сырья 5 - в область его формирования.The released electrons fall on the anode 4 and through the voltage source 6 are returned to the product from the electrically conductive raw material 5 - to the area of its formation.

При работе анода 4 при восприятии электронов термоэмиссии он также будет нагреваться. Для этого анод 4 можно снабдить системой отвода тепла, например, путем создания в его структуре каналов охлаждения.During operation of the anode 4, when the thermal emission electrons are perceived, it will also heat up. To do this, the anode 4 can be equipped with a heat removal system, for example, by creating cooling channels in its structure.

В электрической цепи между анодом 4 и изделием из электропроводящего сырья 5 происходит съем показаний напряжения и силы тока для обратной связи 8, которая выдает команды на изменение мощности энергии от ВИЭ 1.In the electrical circuit between the anode 4 and the product made of electrically conductive raw materials 5, voltage and current readings are taken for feedback 8, which issues commands to change the power of energy from RES 1.

Кроме того, на основе токовых характеристик появляется возможность регулировать теплоотвод от области формирования изделия из электропроводящего сырья 5 путем изменения напряжения между анодом 4 и областью формирования изделия из электропроводящего сырья 5.In addition, based on the current characteristics, it becomes possible to control the heat removal from the area of product formation from electrically conductive raw material 5 by changing the voltage between the anode 4 and the area of product formation from electrically conductive raw material 5.

Например, если при 3d-печати при заданном напряжении будет зафиксировано резкое уменьшение тока в цепи между анодом 4 и областью формирования изделия из электропроводящего сырья 5, то это будет свидетельствовать о наличии переохлаждения области формирования изделия из электропроводящего сырья 5. На основе данных показаний можно уменьшить прикладываемое напряжение, вплоть до полного «запирания» термоэмиссионного охлаждения. В этом случае будет достигнуто уменьшение скорости теплоотвода от области формирования изделия из электропроводящего сырья 5, что будет способствовать уменьшению температурных напряжений.For example, if, during 3D printing at a given voltage, a sharp decrease in the current in the circuit between the anode 4 and the area of product formation from electrically conductive raw material 5 is recorded, this will indicate the presence of overcooling of the area of product formation from electrically conductive raw material 5. Based on these readings, it is possible to reduce applied voltage, up to complete "locking" of thermionic cooling. In this case, a reduction in the rate of heat removal from the area of formation of the product from electrically conductive raw materials 5 will be achieved, which will help to reduce thermal stresses.

При заданном расстоянии и геометрии анода 4 от изделия из электропроводящего сырья 5, напряжении между ними и концентрации в зоне печати подающегося химического элемента (цезия), появляется возможность с высокой точностью сопоставить снимаемые токи термоэмиссиии температуру зоны печати. Это позволит автоматически выработать команды на регулирование технологических параметров режимов печати, например, мощности ВИЭ 1, скорости сканирования, скорости подачи сырья, шага сканирования, типа штриховки лазерным лучом и т.п.At a given distance and geometry of the anode 4 from the product made of electrically conductive raw material 5, the voltage between them and the concentration of the supplied chemical element (cesium) in the printing zone, it becomes possible to compare the measured thermal emission currents and the temperature of the printing zone with high accuracy. This will automatically generate commands for adjusting the technological parameters of printing modes, for example, the power of RES 1, scanning speed, raw material feed rate, scanning step, type of hatching with a laser beam, etc.

Таким образом, решена указанная выше техническая задача и достигнут технический результат, который заключается в снижении температурных напряжений и деформации при формировании изделия из электропроводящего сырья в процессе его 3D-печати. Одновременно повышена скорость формирования изделия за счет отсутствия необходимости печати специальных каналов охлаждения печатающихся изделий, а также обеспечена возможность осуществлять контроль технологических режимов во время печати.Thus, the above technical problem has been solved and a technical result has been achieved, which consists in reducing thermal stresses and deformations during the formation of an article from electrically conductive raw materials in the process of its 3D printing. At the same time, the speed of product formation is increased due to the absence of the need to print special cooling channels for printed products, and it is also possible to control technological modes during printing.

Claims (4)

1. Способ трехмерной печати изделий из электропроводящего сырья, включающий операции подачи в область формирования изделия электропроводящего сырья и воздействия на него энергией от внешнего источника энергии, отличающийся тем, что снижают величину работы выхода электронов области формирования изделия путем доставки к области формирования изделия вещества с низким потенциалом ионизации в концентрации, обеспечивающей такую долю покрытия веществом поверхности области формирования изделия, соответствующей диапазону значений работы выхода электронов поверхности области формирования изделия от минимальной до трех минимальных, и подводят к области формирования изделия элемент - анод, соединенный через источник тока с областью формирования изделия проводником.1. A method for three-dimensional printing of products from electrically conductive raw materials, including the operations of supplying an electrically conductive raw material to the product formation area and exposing it to energy from an external energy source, characterized in that the value of the electron work function of the product formation area is reduced by delivering a substance with low ionization potential in a concentration that provides such a proportion of the material coverage of the surface of the product formation area, corresponding to the range of values of the work function of the electrons of the surface of the product formation area from the minimum to three minimum, and an anode element connected through a current source to the product formation area by a conductor is brought to the product formation area . 2. Способ трехмерной печати изделий из электропроводящего сырья по п. 1, отличающийся тем, что удельную плотность теплового потока, подводимого от внешнего источника энергии, и подачу электропроводящего сырья в область формирования изделия регулируют на основе показаний напряжения и силы тока между анодом и областью формирования изделия.2. The method of three-dimensional printing of products from electrically conductive raw materials according to claim 1, characterized in that the specific density of the heat flux supplied from an external energy source and the supply of electrically conductive raw materials to the product formation area are regulated based on the voltage and current readings between the anode and the formation area products. 3. Способ трехмерной печати изделий из электропроводящего сырья по п. 1, отличающийся тем, что удельное термоэмиссионное охлаждение регулируют путем изменения напряжения на аноде, анализируя токовые характеристики цепи между анодом и областью формирования изделия.3. The method of three-dimensional printing of products from electrically conductive raw materials according to claim 1, characterized in that the specific thermionic cooling is controlled by changing the voltage at the anode, analyzing the current characteristics of the circuit between the anode and the product formation area. 4. Способ трехмерной печати изделий из электропроводящего сырья по п. 1, отличающийся тем, что анод активно охлаждают.4. The method of three-dimensional printing of products from electrically conductive raw materials according to claim 1, characterized in that the anode is actively cooled.
RU2020140563A 2020-12-08 2020-12-08 Method for three-dimensional printing of products of electrically conductive raw materials RU2765285C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140563A RU2765285C1 (en) 2020-12-08 2020-12-08 Method for three-dimensional printing of products of electrically conductive raw materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140563A RU2765285C1 (en) 2020-12-08 2020-12-08 Method for three-dimensional printing of products of electrically conductive raw materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2765285C1 true RU2765285C1 (en) 2022-01-28

Family

ID=80214456

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020140563A RU2765285C1 (en) 2020-12-08 2020-12-08 Method for three-dimensional printing of products of electrically conductive raw materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2765285C1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2714718C2 (en) * 2015-05-14 2020-02-20 ЭйТиАй ПРОПЕРТИЗ ЭлЭлСи Methods and devices for production of metal powder material

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2714718C2 (en) * 2015-05-14 2020-02-20 ЭйТиАй ПРОПЕРТИЗ ЭлЭлСи Methods and devices for production of metal powder material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГОСТР 57558-2017/ ISO/ASTM 52900:2015 / Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы - часть 1 Термины и определения. ГОСТ Р 57589-2017 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы - часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2729279C1 (en) Equipment for additive production using combined process of selective electron-beam melting and electron-beam cutting
EP3383573B1 (en) Electron beam additive manufacturing
US11192187B2 (en) Additive manufacturing device utilizing EB-laser composite scan
US10421142B2 (en) Method and arrangement for building metallic objects by solid freeform fabrication using plasma transferred arc (PTA) torches
US10773310B2 (en) Additive manufacturing system, article, and method of manufacturing an article
CN106903312A (en) The laser 3D printing method of tungsten-copper alloy
CN108607992B (en) Microbeam arc selective fusing additive manufacturing method based on preset metal powder
EP2839905A1 (en) Manufacturing of components from parts made from different materials, particularly of space transportation components such as combustion chambers for thrusters
CN109982792A (en) For producing the method, purposes and equipment of Single-crystal workpieces
CN113351885A (en) High-energy beam scanning path planning method, additive manufacturing method and device
CN107775194A (en) A kind of laser gain material manufacture extension and electron beam welding composite connecting method
CN113631303A (en) Additive manufacturing
CN113231727A (en) Electron beam multi-filament in-situ additive manufacturing component uniformity control method
RU2765285C1 (en) Method for three-dimensional printing of products of electrically conductive raw materials
CN110064756A (en) A kind of method of selective laser melting (SLM) molding
Heißl et al. Substitution of ThO2 by La2O3 additions in tungsten electrodes for atmospheric plasma spraying
Taminger et al. Evolution and control of 2219 aluminium microstructural features through electron beam freeform fabrication
CN215747004U (en) Hollow tungsten electrode coaxial filler wire welding device
US20210252642A1 (en) Additive manufacture
JP6826310B2 (en) Electrodes for discharge lamps and their manufacturing methods
CN111843110B (en) Electric arc additive manufacturing method of molybdenum-based structural part
CN115135485B (en) Preheating of powder beds
Shcherbakov et al. Peculiarities of Control over Electron-Beam Additive Form Manufacturing
Heißl et al. Substitution of thoria additions by lanthanum-oxide doping in electrodes for atmospheric plasma spraying
CA3226731A1 (en) Methods of manufacturing of molybdenum and molybdenum-based structures by electron beam additive manufacturing, particularly structures for nuclear components