RU2778827C1 - Method for synthesising articles in layers - Google Patents
Method for synthesising articles in layers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778827C1 RU2778827C1 RU2021129549A RU2021129549A RU2778827C1 RU 2778827 C1 RU2778827 C1 RU 2778827C1 RU 2021129549 A RU2021129549 A RU 2021129549A RU 2021129549 A RU2021129549 A RU 2021129549A RU 2778827 C1 RU2778827 C1 RU 2778827C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- deposition
- workpiece
- accelerator
- layer
- solid
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 134
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 42
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 37
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 claims abstract description 37
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 35
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims abstract description 32
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 21
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 claims description 7
- 238000005474 detonation Methods 0.000 claims description 7
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 7
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 230000005294 ferromagnetic Effects 0.000 claims description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000996 additive Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002596 correlated Effects 0.000 abstract 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 18
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 description 13
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 4
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 230000003628 erosive Effects 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005288 electromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011068 load Methods 0.000 description 1
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000004805 robotic Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Группа изобретений относится к способам послойного синтеза изделий кинетическим осаждением электропроводного или ферромагнитного материала, ускоренного воздействием однонаправленных импульсов электромагнитного поля постоянного тока и устройствам для их осуществления.SUBSTANCE: group of inventions relates to methods for layer-by-layer synthesis of products by kinetic deposition of an electrically conductive or ferromagnetic material accelerated by exposure to unidirectional pulses of a DC electromagnetic field and devices for their implementation.
Известны способы послойного синтеза изделий прямым осаждением металлического или неметаллического материала, характеризуемые по методу формирования слоя совместной подачей энергии и материала непосредственно в зону построения изделия, отличающиеся видами металлических или неметаллических материалов, методами подачи материала в зону построения, например, экструзией, разбрызгиванием жидкого материала или связующего, подачи порошкового материала в потоке газа, методами подачи энергии в зону осаждения, например, химического отверждения или склеивания осаждаемого материала, расплавления заготовки в зоне осаждения лазерным или электронным лучом, наплавки жидкого материала, плазменной наплавки [1].Known methods of layer-by-layer synthesis of products by direct deposition of a metallic or non-metallic material, characterized by the method of forming a layer by the joint supply of energy and material directly to the construction zone of the product, differing in types of metallic or non-metallic materials, methods of supplying material to the construction zone, for example, extrusion, spraying liquid material or binder, supply of powder material in a gas flow, methods of supplying energy to the deposition zone, for example, chemical curing or gluing of the deposited material, melting the workpiece in the deposition zone with a laser or electron beam, surfacing of liquid material, plasma surfacing [1].
В способе послойного синтеза, характерном осаждением материала без использования передачи в зону построения изделия энергии лазерного или электронного луча или иных видов излучения, необходимого для присоединения материала к заготовке, наиболее близким к предлагаемому по одному из вариантов используемого устройства и принципу подачи материала в зону осаждения является способ послойного синтеза [2], в котором трёхмерный принтер производит предметы из жидкого электропроводного материала. В одном варианте печатающая головка принтера имеет камеру для содержания жидкого электропроводного материала, окружённую электромагнитной катушкой. К электромагнитной катушке прикладывается импульс постоянного тока, в результате чего на жидкий электропроводный материал действует радиально направленная сила, выталкивающая капли из отверстия. В результате подачи серии импульсов серия капель падает на платформу по запрограммированной схеме, в результате чего образуется объект.In the method of layer-by-layer synthesis, which is characterized by the deposition of material without the use of transferring the energy of a laser or electron beam or other types of radiation to the construction zone of the product, necessary for attaching the material to the workpiece, the closest to the one proposed by one of the options for the device used and the principle of supplying material to the deposition zone is layer-by-layer synthesis method [2], in which a three-dimensional printer produces objects from a liquid electrically conductive material. In one embodiment, the print head of the printer has a chamber for containing liquid electrically conductive material surrounded by an electromagnetic coil. A direct current pulse is applied to the electromagnetic coil, as a result of which a radially directed force acts on the liquid electrically conductive material, pushing the droplets out of the hole. As a result of a series of pulses, a series of drops fall onto the platform according to a programmed pattern, resulting in the formation of an object.
Применение в данном способе только жидкого проводящего материала, в частности расплавленного металла, делает достаточно сложным синтез изделия с высокой точностью, так как форма растёкшейся до застывания капли сильно зависит от локальных формы и наклона поверхности заготовки, при этом скорость, приобретённая каплей в процессе преодоления силы поверхностного натяжения при выходе капли из катушки, увеличивает неравномерность распределения материала, особенно в местах выемок, стенок, перегибов поверхности и тому подобных конструктивных элементов. Кроме того, серьёзную технологическую проблему представляет синтез нависающих элементов изделия. Применение расплавов металлов предъявляет, в свою очередь, жёсткие требования к температурному режиму осаждения для обеспечения равнопрочной и однородной по физической структуре конструкции и, как следствие, определению и соблюдению в каждом конкретном случае точных временных интервалов между послойными осаждениями. Всё вышеперечисленное накладывает существенные ограничения по форме, размеру, стоимости синтезируемых изделий, увеличивает сложность и стоимость устройства для синтеза.The use of only a liquid conductive material in this method, in particular molten metal, makes it quite difficult to synthesize a product with high accuracy, since the shape of a drop that has spread before solidification strongly depends on the local shape and slope of the workpiece surface, while the speed acquired by the drop in the process of overcoming the force surface tension at the exit of a drop from the coil, increases the uneven distribution of the material, especially in places of recesses, walls, surface kinks and similar structural elements. In addition, a serious technological problem is the synthesis of overhanging elements of the product. The use of metal melts, in turn, imposes stringent requirements on the temperature regime of deposition in order to ensure a structure of equal strength and uniform in physical structure and, as a result, to determine and observe, in each particular case, the exact time intervals between layer-by-layer deposition. All of the above imposes significant restrictions on the shape, size, cost of synthesized products, increases the complexity and cost of the device for synthesis.
Данным способом не ведут синтез изделия посредством осаждения ускоренного электродинамическим воздействием импульса постоянного тока в катушечном ускорителе только твёрдого металлического материала или комбинаций осаждений твёрдого и находящегося в других состояниях материала для синтеза опорного каркаса изделия, обеспечивающего соблюдение геометрии внешней и внутренней поверхности изделия, не применяют комбинацию послойных осаждений, одни из которых проводят используя жидкий металлический материал, а другие - твёрдый металлический материал для контроля формы изделия, температурного режима осаждения и армирования заготовки, не применяют ускорение в катушечном ускорителе композиции твёрдого или пластифицированного диэлектрического материала и жидкого электропроводного материала электродинамическим воздействием импульса тока на электропроводную часть композиции.This method does not lead to the synthesis of an article by deposition of a direct current pulse accelerated by electrodynamic action in a coil accelerator of only a solid metal material or combinations of deposition of a solid and material in other states for the synthesis of a support frame of an article that ensures compliance with the geometry of the outer and inner surfaces of the article, do not use a combination of layered deposition, some of which are carried out using a liquid metal material, and others - a solid metal material to control the shape of the product, the temperature regime of deposition and reinforcement of the workpiece, do not apply acceleration in the coil accelerator of the composition of a solid or plasticized dielectric material and a liquid electrically conductive material by the electrodynamic effect of a current pulse on electrically conductive part of the composition.
Известен способ послойного синтеза [3], в котором предварительно создают спаянные или механически соединённые слои каркаса изготавливаемой детали, повторяющие внешний и внутренние контуры детали в каждом слое, укладывают первый слой на металлическую подложку, ведут плазменно-порошковую наплавку слоя посредством роботизированной установки по траектории, обеспечивающей перекрытие нанесенных валиков металла в шахматном порядке и его растекание по границам слоя каркаса детали, обеспечивающих контур детали. Затем многократно повторяют эту операцию в каждом слое детали. Существенным ограничением производительности данного способа является необходимость изготовления традиционными способами большого количества каркасных деталей, необходимость их точной установки, что само по себе представляет сложную задачу.There is a known method of layer-by-layer synthesis [3], in which preliminarily create brazed or mechanically connected carcass layers of the manufactured part, repeating the external and internal contours of the part in each layer, lay the first layer on a metal substrate, conduct plasma-powder surfacing of the layer by means of a robotic installation along a trajectory, providing overlapping of the deposited metal rollers in a checkerboard pattern and its spreading along the boundaries of the part frame layer, providing the contour of the part. Then this operation is repeated many times in each layer of the part. A significant limitation of the productivity of this method is the need to manufacture a large number of frame parts by traditional methods, the need for their precise installation, which in itself is a difficult task.
Данным способом послойного синтеза не создают опорный каркас синтезируемого изделия, обеспечивающий соблюдение геометрии внешней и внутренней поверхности изделия, посредством послойного кинетического осаждения твёрдого электропроводного и/или ферромагнитного материала или комбинацией осаждений электропроводного и/или диэлектрического твёрдого и электропроводного, находящегося в других состояниях, материала.This method of layer-by-layer synthesis does not create a supporting frame of the synthesized product, which ensures compliance with the geometry of the outer and inner surface of the product, through layer-by-layer kinetic deposition of a solid electrically conductive and / or ferromagnetic material or a combination of deposition of an electrically conductive and / or dielectric solid and electrically conductive material in other states.
Описанный выше способ послойного синтеза, по существу, основан на способе плазменного напыления, относящемуся к группе газотермических способов нанесения покрытий на изделия. Общим для всех газотермических способов является ускорение и нагрев порошкового материала в газовом потоке, кинетическое осаждение расплавленных или пластифицированных или твёрдых частиц на заготовку и закрепление на ней за счёт совокупности термического и кинетического воздействия.The layer-by-layer synthesis method described above is essentially based on the plasma spraying method, which belongs to the group of gas-thermal methods for applying coatings to products. Common to all gas-thermal methods is the acceleration and heating of the powder material in the gas flow, the kinetic deposition of molten or plasticized or solid particles on the workpiece and fixing on it due to the combination of thermal and kinetic effects.
Известно несколько газотермических способов, отличающихся сочетанием температуры газового потока и скорости осаждаемого материала: от "холодного" газодинамического напыления нерасплавленного материала, ускоренного до скоростей порядка нескольких скоростей звука, до плазменного напыления, осуществляемого при скоростях порядка 200 м*с-1 и температурах в несколько десятков тысяч °С.Several gas-thermal methods are known that differ in the combination of the temperature of the gas flow and the velocity of the deposited material: from "cold" gas-dynamic spraying of unmelted material, accelerated to speeds of the order of several speeds of sound, to plasma spraying, carried out at speeds of the order of 200 m * s -1 and temperatures of several tens of thousands of °C.
Некоторые технические решения, основанные на различных скоростных и температурных параметрах осаждения, применяемых в различных газотермических способах, предлагается использовать для создания изделий послойным синтезом по компьютерной трёхмерной модели изделия.Some technical solutions based on various speed and temperature parameters of deposition used in various gas-thermal methods are proposed to be used to create products by layer-by-layer synthesis according to a three-dimensional computer model of the product.
Известны способы плазменного напыления, в которых импульсными электромагнитными ускорителями постоянного тока проводят ускорение и осаждение материала, находящегося в плазменном состоянии или переходящего в плазменное состояние при подаче тока в ускоритель.Known methods of plasma spraying, in which pulsed electromagnetic DC accelerators carry out acceleration and deposition of a material that is in the plasma state or goes into the plasma state when current is applied to the accelerator.
В статье [4] рассмотрены несколько видов импульсных электромагнитных ускорителей, применяемых для ускорения плазменных потоков:The article [4] considers several types of pulsed electromagnetic accelerators used to accelerate plasma flows:
- индукционные ускорители - импульсные системы, в которых внешнее нарастающее магнитное поле индуцирует в плазменном кольце ток, взаимодействие которого с радиальной составляющей внешнего магнитного поля создаёт силу Ампера, которая ускоряет плазменное кольцо;- induction accelerators - impulse systems in which an external growing magnetic field induces a current in the plasma ring, the interaction of which with the radial component of the external magnetic field creates an Ampère force that accelerates the plasma ring;
- электродные плазменные ускорители, в которых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключёнными к источнику напряжения:- electrode plasma accelerators, in which there is a direct contact of the accelerated plasma with electrodes connected to a voltage source:
- рельсотрон - импульсный электродный плазменный ускоритель, питаемый конденсаторной батареей. Плазменный сгусток создаётся либо в результате эрозии диэлектрической вставки под действием скользящего разряда, либо при пропускании большого тока через тонкую проволоку, натянутую между массивными электродами-рельсами, которая при этом испаряется и ионизуется, либо за счёт ионизации газа, впрыскиваемого в межэлектродный промежуток. При разряде на ток в плазменной перемычке действует собственное магнитное поле электрического контура, в результате чего сила Ампера ускоряет сгусток;- railgun - a pulsed electrode plasma accelerator powered by a capacitor bank. A plasma clot is created either as a result of erosion of a dielectric insert under the action of a sliding discharge, or when a large current is passed through a thin wire stretched between massive electrode-rails, which then evaporates and ionizes, or due to the ionization of a gas injected into the interelectrode gap. During the discharge, the current in the plasma bridge is affected by its own magnetic field of the electric circuit, as a result of which the Ampère force accelerates the bunch;
- импульсный коаксиальный ускоритель, в котором рабочим веществом служат продукты эрозии диэлектрической вставки либо пары электродов. Ускорение плазменного сгустка происходит под действием силы Ампера, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей тока в кольцевом межэлектродном зазоре с азимутальным собственным магнитным полем.- a pulsed coaxial accelerator, in which the erosion products of a dielectric insert or a pair of electrodes serve as the working substance. The acceleration of the plasma bunch occurs under the action of the Ampère force, which occurs when the radial component of the current in the annular interelectrode gap interacts with the azimuthal intrinsic magnetic field.
Известен способ нанесения покрытий на изделия [5], использующий для ускорения осаждаемых на подложку частиц порошка плазменный якорь, создаваемый электромагнитным рельсовым ускорителем.A known method of coating products [5], which uses a plasma anchor created by an electromagnetic rail accelerator to accelerate deposited powder particles on a substrate.
Способ не применяют для послойного синтеза изделий по компьютерной трёхмерной модели, не применяют для осаждения материала без использования плазменного якоря, в том числе непосредственным ускорением в рельсовом ускорителе твёрдого материала или комбинирования послойных осаждений материала в плазменном и/или расплавленном состоянии и осаждений в твёрдом состоянии.The method is not used for layer-by-layer synthesis of products according to a three-dimensional computer model, it is not used for material deposition without the use of a plasma anchor, including direct acceleration of a solid material in a rail accelerator or a combination of layer-by-layer deposition of a material in a plasma and/or molten state and deposition in a solid state.
Известен способ плазменно-детонационного нанесения покрытий посредством аксиального электромагнитного ускорителя, описанный в работе [6]. Материал подают в канал аксиального ускорителя в виде порошка в газовом потоке и в виде расходуемой части анода, ускоряют импульсом электромагнитного поля, ускоряющего и нагревающего предварительно созданную посредством детонации плазменную струю, и осаждают на заготовку, обеспечивая скорость порядка 2000-4000 м*с-1, температуру порядка 5000-40000 К. Способ применяют для создания покрытий из различных металлических или неметаллических материалов на поверхности изделий, модификации поверхности изделий.A known method of plasma-detonation coating by means of an axial electromagnetic accelerator, described in [6]. The material is fed into the channel of the axial accelerator in the form of a powder in a gas flow and in the form of a consumable part of the anode, accelerated by an electromagnetic field pulse that accelerates and heats the plasma jet previously created by detonation, and is deposited on the workpiece, providing a speed of about 2000-4000 m*s -1 , temperature of the order of 5000-40000 K. The method is used to create coatings from various metallic or non-metallic materials on the surface of products, modify the surface of products.
Способ не применяют для послойного синтеза изделий по компьютерной трёхмерной модели изделия, включающего создание опорного каркаса, обеспечивающего соблюдение геометрии внешней и внутренней поверхности синтезируемого изделия, посредством послойного кинетического осаждения ускоренного в аксиальном ускорителе твёрдого электропроводного материала или комбинацией осаждений, одни из которых ведут используя материал в состоянии плазмы, а другие - электропроводный материал в твёрдом состоянии или диэлектрический материал в твёрдом или пластифицированном состоянии, ускоренный плазменным «поршнем» с целью контроля формы изделия и температурного режима осаждения.The method is not used for layer-by-layer synthesis of products according to a three-dimensional computer model of the product, including the creation of a support frame that ensures compliance with the geometry of the outer and inner surfaces of the synthesized product, by layer-by-layer kinetic deposition of a solid electrically conductive material accelerated in an axial accelerator or by a combination of deposition, some of which are carried out using the material in plasma state, and others - an electrically conductive material in a solid state or a dielectric material in a solid or plasticized state, accelerated by a plasma "piston" in order to control the shape of the product and the temperature regime of deposition.
Известен способ холодного газодинамического напыления металлических и неметаллических материалов при температуре ниже температуры плавления материала для создания покрытий различного назначения на поверхности изделий. Порошковый материал осаждают на поверхность изделия непрерывным потоком в струе газа.A known method of cold gas-dynamic spraying of metallic and non-metallic materials at a temperature below the melting point of the material to create coatings for various purposes on the surface of products. The powder material is deposited on the surface of the product in a continuous flow in a gas jet.
В работе [7] показана возможность создания покрытий осаждением частиц металлического материала размером 0,01- 50 мкм, движущихся в сверхзвуковом потоке газа при скоростях более 500 м*с-1 и с температурой, составляющей 0,4-0,7 температуры плавления материала. К достоинствам такого способа осаждения материалов, содержащих алюминий, медь, железо, никель, относится возможность создания покрытий большой толщины и высокой чистоты с отсутствием оксидов, снижение термического влияния на нижележащие слои изделия, высокая скорость образования покрытия.The work [7] shows the possibility of creating coatings by deposition of particles of a metallic material with a size of 0.01-50 μm, moving in a supersonic gas flow at speeds of more than 500 m * s -1 and with a temperature of 0.4-0.7 of the melting temperature of the material . The advantages of this method of deposition of materials containing aluminum, copper, iron, nickel include the possibility of creating coatings of great thickness and high purity without oxides, a decrease in the thermal effect on the underlying layers of the product, and a high rate of coating formation.
Способ холодного газодинамического напыления не применяется для послойного синтеза изделий, не использует ускорение дискретных частей твёрдого электропроводного и/или ферромагнитного материала импульсами электромагнитного поля, создаваемого импульсными электромагнитными ускорителями постоянного тока.The method of cold gas-dynamic spraying is not used for layer-by-layer synthesis of products, it does not use the acceleration of discrete parts of a solid electrically conductive and / or ferromagnetic material by pulses of an electromagnetic field created by pulsed electromagnetic DC accelerators.
Известны варианты применения электромагнитных импульсных ускорителей постоянного тока в исследовательских целях, ускоряющие макроскопические объекты без расплавления. В работе [8] приведены данные по ускорению полипропиленового кубика стороной 1 мм и весом 1 мг до скорости 4,5 км*с-1 в рельсовом ускорителе с двумя последовательно соединёнными одновитковыми катушками, расположенными по всей длине канала ускорения, создающими внешнее магнитное поле, предотвращающее эрозию электродов-рельсов на начальном этапе ускорения. Кубик ускоряется без его расплавления плазменным поршнем.Known options for the use of electromagnetic pulse DC accelerators for research purposes, accelerating macroscopic objects without melting. In [8], data are given on the acceleration of a polypropylene cube with a side of 1 mm and a weight of 1 mg to a speed of 4.5 km * s -1 in a rail accelerator with two series-connected single-turn coils located along the entire length of the acceleration channel, creating an external magnetic field, preventing erosion of electrode-rails at the initial stage of acceleration. The cube is accelerated without being melted by the plasma piston.
В работе [9] приведены два способа разгона ускорителем катушечного типа макроскопических объектов из различных материалов:In [9], two methods are given for accelerating macroscopic objects made of various materials by a coil-type accelerator:
- ферромагнетиков по принципу намагничивания и втягивания к центру катушки ускоряемого объекта однонаправленным бегущим магнитным полем, создаваемым катушкой;- ferromagnets according to the principle of magnetization and retraction to the center of the coil of the accelerated object by a unidirectional traveling magnetic field created by the coil;
- немагнитных электропроводных материалов по принципу наведения в ускоряемом объекте внешним полем катушки вихревого индукционного тока, поле которого противодействует изменению внешнего поля, в результате чего происходит выталкивание объекта из катушки.- non-magnetic conductive materials according to the principle of inducing an eddy induction current coil in an accelerated object by an external field, the field of which counteracts a change in the external field, as a result of which the object is pushed out of the coil.
Ускорение твёрдого или пластичного материала в импульсных электромагнитных ускорителях не применяют для послойного синтеза изделий кинетическим осаждением материала на заготовку по компьютерной трёхмерной модели изделия, включающего создание опорного каркаса, обеспечивающего соблюдение геометрии внешней и внутренней поверхности синтезируемого изделия с использованием комбинаций осаждений с применением твёрдого материала.Acceleration of a solid or plastic material in pulsed electromagnetic accelerators is not used for layer-by-layer synthesis of products by kinetic deposition of material on a workpiece according to a three-dimensional computer model of the product, including the creation of a support frame that ensures compliance with the geometry of the outer and inner surfaces of the synthesized product using combinations of deposition using solid material.
Задача настоящего изобретения состоит в создании способа послойного синтеза изделий, в котором однонаправленные импульсы постоянного тока с характерными для каждого осаждения параметрами применяют в качестве универсального средства прямой подачи материала в зону построения изделия и непосредственного сообщения ему кинетической и тепловой энергии, необходимой для присоединения материала к заготовке, включающего послойный синтез опорного каркаса, обеспечивающего соблюдение геометрии внешней и внутренней поверхности синтезируемого изделия с использованием комбинаций осаждений с применением твердого материала.The objective of the present invention is to create a method for the layer-by-layer synthesis of products, in which unidirectional DC pulses with parameters characteristic of each deposition are used as a universal means of direct supply of material to the product construction zone and direct communication to it of the kinetic and thermal energy necessary to attach the material to the workpiece , which includes layer-by-layer synthesis of a support frame that ensures compliance with the geometry of the outer and inner surfaces of the synthesized product using combinations of deposition using a solid material.
Такой способ, по сравнению с существующими способами, позволит существенно уменьшить количество и сложность устройств и их элементов, передающих электрическую энергию от источника к зоне построения изделия, использовать в процессе синтеза фактор давления, связанного со скоростью материала, что создает принципиальные, по сравнению со способами, использующими только термическое соединение материала и заготовки, преимущества в прочности и иных механических характеристиках синтезируемых изделий, создавать геометрически и функционально сложные изделия, синтезируя опорный каркас изделия или армируя заготовку твердым материалом.This method, in comparison with existing methods, will significantly reduce the number and complexity of devices and their elements that transmit electrical energy from the source to the product construction zone, use the pressure factor associated with the speed of the material in the synthesis process, which creates fundamental, in comparison with methods , using only the thermal connection of the material and the workpiece, advantages in strength and other mechanical characteristics of the synthesized products, create geometrically and functionally complex products, synthesizing the support frame of the product or reinforcing the workpiece with a solid material.
Техническим результатом изобретения является изложенный ниже новый способ послойного синтеза изделий прямым кинетическим осаждением материала в зону построения изделия без использования лазера или иных источников излучения в качестве источника энергии, необходимой для прочного соединения материала с заготовкой, включающий послойный синтез опорного каркаса, обеспечивающего соблюдение геометрии внешней и внутренней поверхности синтезируемого изделия с использованием комбинаций осаждений с применением твердого материала и принципиальная схема устройства для его осуществления.The technical result of the invention is the following new method of layer-by-layer synthesis of products by direct kinetic deposition of material into the product construction zone without using a laser or other radiation sources as an energy source necessary for a strong connection of the material with the workpiece, including layer-by-layer synthesis of a support frame that ensures compliance with the geometry of the outer and the inner surface of the synthesized product using combinations of deposition using a solid material and a schematic diagram of a device for its implementation.
Послойный синтез изделия производят совокупностью управляемых автоматически на основе компьютерной трехмерной модели изделия послойных дискретных кинетических осаждений материала, необходимого для построения изделия, который предварительно разделяют на дискретные части, каждая из которых обладает электропроводностью и/или включает ферромагнитный, имеющий температуру ниже точки Кюри, и/или находящийся в состоянии плазмы материал, а также обладает характерными для каждого осаждения физическими и химическими параметрами, такими, как: размер, форма, структура, состав, средняя температура, агрегатное состояние и химическая активность, в частности способность к адгезии, всей дискретной части материала и/или компонентов ее составляющих.Layer-by-layer synthesis of the product is carried out by a set of layer-by-layer discrete kinetic deposition of the material necessary to build the product, which is pre-divided into discrete parts, each of which has electrical conductivity and/or includes a ferromagnetic one, having a temperature below the Curie point, and/ or a material in a plasma state, and also has physical and chemical parameters characteristic of each deposition, such as: size, shape, structure, composition, average temperature, state of aggregation and chemical activity, in particular the ability to adhere, of the entire discrete part of the material and/or components of its constituents.
Дискретные части материала ускоряют электродинамическим и нагревают электротермическим воздействием импульса постоянного тока с характерными для каждого осаждения параметрами в вакууме или воздушной среде или защитной газовой среде в одном импульсном электромагнитном ускорителе, выполненном по схеме рельсового (фиг. 1) или аксиального (фиг. 2) или катушечного (фиг. 3) типа или комбинированного типа, в котором несколько схем, представленных на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, в том числе схем одного типа, соединенных параллельно или последовательно в виде нескольких ступеней, объединены общим каналом ускорения, или в нескольких таких ускорителях.Discrete parts of the material are accelerated electrodynamically and heated by the electrothermal action of a direct current pulse with parameters characteristic of each deposition in vacuum or air or a protective gaseous medium in one pulsed electromagnetic accelerator made according to the rail (Fig. 1) or axial (Fig. 2) or reel (FIG. 3) type or combined type, in which several circuits shown in FIG. 1, fig. 2, fig. 3, including circuits of the same type, connected in parallel or in series in the form of several stages, combined by a common acceleration channel, or in several such accelerators.
Фиг. 1 представляет ускоритель рельсового типа, состоящий из электродов 1 и 2, между которыми находится канал ускорения 3. Электроды изолированы друг от друга и окружены снаружи изоляцией 4. Электропроводный материал 5 подают в канал ускорения в одном или нескольких местах через специально оборудованные отверстия в изоляции, которые располагают в любом месте вдоль канала ускорения 3 и/или с торца на входе в ускоритель (входные отверстия и устройства, обеспечивающие ввод материала или рабочего газа в ускоритель на схеме не изображены). Система электропитания 6, входящая в устройство для послойного синтеза, представленное на фиг. 4, включающая импульсный источник питания 7 и коммутирующее устройство 8, обеспечивает подачу однонаправленного импульса тока, прохождение которого через материал вызывает воздействие на него силы Ампера, возникающей при взаимодействии тока с магнитным полем ускорителя, что приводит к ускорению материала. В то же время, температура материала увеличивается под влиянием резистивного нагрева и/или механического напряжения, вызванного воздействием магнитного поля.Fig. 1 represents a rail-type accelerator, consisting of
Фиг. 2 представляет ускоритель аксиального типа, состоящий из трубчатого электрода-ствола 1 и размещённого внутри него центрального электрода 2. Внутренняя поверхность электрода-ствола 1 и наружная поверхность центрального электрода 2 ограничивают канал ускорения 3. Изоляция 4 окружает электрод-ствол 1 снаружи и разделяет электроды между собой. Электропроводный материал 5 подают в канал ускорения в одном или нескольких местах через специально оборудованные отверстия в изоляции и/или стенке электрода-ствола 1, которые располагают в любом месте вдоль канала ускорения 3 и/или с торца на входе в канал ускорения и/или через сквозное отверстие той или иной формы, выполненное внутри центрального электрода 2 и выходящее в канал ускорения в одном или нескольких местах через боковую и/или торцевую поверхность центрального электрода 2 (входные отверстия и устройства, обеспечивающие ввод материала или рабочего газа в ускоритель на схеме не изображены). Система электропитания 6, входящая в устройство для послойного синтеза, представленное на фиг.4, включающая импульсный источник питания 7 и коммутирующее устройство 8, обеспечивает подачу однонаправленного импульса тока, прохождение которого через материал приводит к воздействию на материал силы Ампера, возникающей в результате взаимодействия радиальной составляющей тока с азимутальным собственным магнитным полем, что приводит к ускорению материала. В то же время, температура материала увеличивается под влиянием резистивного нагрева и/или механического напряжения, вызванного воздействием магнитного поля.Fig. 2 represents an axial-type accelerator, consisting of a tubular electrode-
Фиг. 3 представляет ускоритель катушечного типа, состоящий из диэлектрического ствола 1, соленоида 2, импульсного источника тока 5 и коммутирующего устройства 6, входящих в систему электропитания 4. Материал 3 подаётся в канал ускорения 7, расположенный в диэлектрическом стволе 1 с торца (устройства, обеспечивающие ввод материала или рабочего газа в ускоритель на схеме не изображены). В ускорителе катушечного типа возможны два варианта ускорения:Fig. 3 represents a coil-type accelerator, consisting of a
- ферромагнитного материала, ускорение которого вызвано взаимодействием магнитных доменов частиц ферромагнетика с неоднородным магнитным полем, созданным соленоидом в пространстве внутри себя при протекании по нему тока; - a ferromagnetic material, the acceleration of which is caused by the interaction of the magnetic domains of ferromagnet particles with an inhomogeneous magnetic field created by a solenoid in space inside itself when current flows through it;
- электропроводного материала по принципу наведения в материале вихревого индукционного тока внешним полем соленоида при протекании в нём тока. Поле вихревого тока противодействует изменению внешнего поля, в результате чего происходит выталкивание материала из диэлектрического ствола ускорителя.- electrically conductive material according to the principle of inducing an eddy induction current in the material by the external field of the solenoid when current flows in it. The eddy current field counteracts the change in the external field, as a result of which the material is pushed out of the dielectric shaft of the accelerator.
В ускорителях, представленных на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, а так же в ускорителях комбинированного типа могут применять:In the accelerators shown in Fig. 1, fig. 2, fig. 3, as well as in accelerators of the combined type can be used:
- канал ускорения переменной по длине канала площади и/или формы сечения для обеспечения требуемого направления движения материала в процессе осаждения, размера и формы зоны осаждения, формы и характеристик присоединённого материала и деформации заготовки в зоне осаждения;- an acceleration channel with a variable area and / or cross-sectional shape along the length of the channel to ensure the required direction of movement of the material in the deposition process, the size and shape of the deposition zone, the shape and characteristics of the attached material and deformation of the workpiece in the deposition zone;
- электроды и/или катушку/катушки переменной по длине канала ускорения площади и/или формы сечения для обеспечения требуемых параметров электромагнитного воздействия импульса тока на материал;- electrodes and/or a coil/coils of area and/or sectional shape variable along the length of the acceleration channel to provide the required parameters of the electromagnetic effect of the current pulse on the material;
- стенки канала ускорения и/или электроды и/или катушку/катушки, обладающие взаимной подвижностью в процессе каждого осаждения, для уменьшения механической и тепловой нагрузки на них; - walls of the acceleration channel and/or electrodes and/or coil/coils, having mutual mobility during each deposition, to reduce the mechanical and thermal load on them;
- расходуемые элементы конструкции и/или часть газовой среды, в которой производят ускорение и/или осаждение в качестве части ускоряемого и осаждаемого материала;- consumable structural elements and/or part of the gaseous medium in which acceleration and/or deposition take place as part of the material to be accelerated and deposited;
- сменные электроды и/или стенки канала ускорения;- replaceable electrodes and/or walls of the acceleration channel;
- непосредственное использование электропроводного материала в качестве коммутатора при его подаче в канал ускорения;- direct use of the electrically conductive material as a switch when it is fed into the acceleration channel;
- дополнительный неимпульсный источник постоянного магнитного поля или несколько таких источников, например, постоянный магнит или несколько таких магнитов.- an additional non-pulse source of a constant magnetic field or several such sources, for example, a permanent magnet or several such magnets.
В ускорителях, представленных на фиг. 2, а так же в ускорителях комбинированного типа, схема которых включает схему, представленную на фиг. 2, могут применять трубчатый электрод-ствол 1 и центральный электрод 2, оси которых не совпадают друг с другом для обеспечения требуемого направления движения материала в процессе осаждения, размера и формы зоны осаждения, формы и характеристик присоединённого материала и деформации заготовки в зоне осаждения.In the accelerators shown in Fig. 2, as well as in combined type accelerators, the scheme of which includes the scheme shown in Fig. 2, tubular electrode-
Фиг. 4 представляет устройство для послойного кинетического синтеза изделий, включающее:Fig. 4 represents a device for layer-by-layer kinetic synthesis of products, including:
- блок ускорителей 1, включающий один импульсный ускоритель, посредством которого проводят последовательность послойных кинетических осаждений на заготовку 2, выполненный по схеме, представленной на фиг. 1 или фиг. 2 или фиг. 3 или комбинированного типа или несколько таких ускорителей; систему охлаждения ускорителя/ускорителей (на схеме не обозначена);- a block of
- систему позиционирования ускорителя/ускорителей относительно заготовки 3;- positioning system of the accelerator/accelerators relative to the
- систему подготовки и подачи материала в ускоритель/ускорители 4;- a system for preparing and supplying material to the accelerator/
- систему электропитания 5, обеспечивающую электрической энергией работу всех элементов устройства, включающую импульсный источник/источники тока и систему коммутации, предназначенные для осаждения материала;-
- систему управления процессом осаждения 6, обеспечивающую работу, взаимодействие и контроль всех систем устройства, включающую программу построения изделия на основе его трёхмерной компьютерной модели и аппаратуру для исполнения этой программы.- a system for controlling the
Стрелками, связывающими элементы схемы, обозначены:The arrows connecting the circuit elements indicate:
1 - выбор ускорителя, осуществляющего осаждение;1 - selection of the accelerator that performs the deposition;
2 - задание пространственного положения заготовки;2 - setting the spatial position of the workpiece;
3 - задание пространственного положения ускорителя;3 - setting the spatial position of the accelerator;
4 - подача дискретной части материала в ускоритель;4 - supply of a discrete part of the material to the accelerator;
5 - передача данных, определяющих характеристики заготовки;5 - transmission of data defining the characteristics of the workpiece;
6 - подача одного импульса постоянного тока, ускоряющего материал, или нескольких таких импульсов;6 - supply of one pulse of direct current, accelerating the material, or several such pulses;
7 - осаждение материала на заготовку;7 - deposition of material on the workpiece;
8 - передача данных о работе и состоянии ускорителя;8 - transmission of data on the operation and status of the accelerator;
9 - передача данных о работе системы электропитания и управление системой электропитания;9 - transmission of data on the operation of the power supply system and control of the power supply system;
10 - передача данных о работе системы позиционирования и управление системой позиционирования;10 - transmission of data on the operation of the positioning system and control of the positioning system;
11 - передача данных о работе системы подачи материала и управление системой подачи материала;11 - transmission of data on the operation of the material supply system and control of the material supply system;
12 - электрическое питание системы управления;12 - electrical supply of the control system;
13 - электрическое питание системы позиционирования;13 - electrical supply of the positioning system;
14 - электрическое питание системы подачи материала.14 - electrical supply of the material supply system.
Для осуществления одного осаждения посредством системы управления выбирают соответствующий данному осаждению ускоритель. Выбранный ускоритель посредством системы позиционирования устанавливают в характерное для данного осаждения положение так, чтобы материал присоединился к заготовке на заданном участке поверхности, двигаясь в заданном направлении с заданного расстояния от выхода из канала ускорения до поверхности заготовки. Определяют температуру заготовки и задают время подачи импульса тока в ускоритель. Подают дискретную часть материала в ускоритель с характерной для данного осаждения начальной скоростью или, по крайней мере, часть материала подают в ускоритель непрерывно одним однородным или неоднородным потоком или несколькими такими потоками, а разделение каждого потока на компоненты дискретной части материала производят непосредственно подачей одного импульса тока в ускоритель или нескольких таких импульсов и/или воздействием на поток ускоренного импульсом тока компонента дискретной части материала, участвующего в данном осаждении, но не входящего в данный поток. Например, в ускорителе аксиального типа часть материала подают через осевой канал центрального электрода в виде проволоки, а в кольцевой зазор в торце ускорителя подают дискретное количество металлического порошка. При подаче импульса тока частицы порошка ускоряются оставаясь в твёрдом состоянии и/или переходя в парообразное или плазменное состояние, отделяют часть материала проволоки и осаждаются вместе с ним на заготовку.To carry out one deposition, an accelerator corresponding to this deposition is selected by means of the control system. The selected accelerator is set to a position characteristic of this deposition by means of a positioning system so that the material joins the workpiece at a given surface area, moving in a given direction from a given distance from the exit from the acceleration channel to the surface of the workpiece. The temperature of the workpiece is determined and the time of supply of the current pulse to the accelerator is set. A discrete part of the material is fed into the accelerator at an initial velocity characteristic of the given deposition, or at least part of the material is fed into the accelerator continuously in one homogeneous or inhomogeneous flow or several such flows, and the separation of each flow into components of the discrete part of the material is carried out directly by applying one current pulse into the accelerator or several such pulses and/or by the action on the flow of the component of the discrete part of the material, accelerated by the pulse, participating in this deposition, but not included in this flow. For example, in an axial type accelerator, part of the material is fed through the axial channel of the central electrode in the form of a wire, and a discrete amount of metal powder is fed into the annular gap at the end of the accelerator. When a current pulse is applied, the powder particles are accelerated, remaining in a solid state and / or turning into a vapor or plasma state, separating a part of the wire material and depositing with it on the workpiece.
В заданный момент времени в ускоритель подают, в зависимости от его конструкции, один однонаправленный импульс постоянного тока с характерными для данного осаждения параметрами импульса, такими, как рабочее напряжение, амплитуда импульса, форма импульса, длительность импульса или, при использовании ускорителя комбинированного типа, подают несколько таких импульсов одновременно или с характерными для данного осаждения временными промежутками между импульсами.At a given moment of time, depending on its design, one unidirectional direct current pulse is supplied to the accelerator with pulse parameters characteristic of this deposition, such as operating voltage, pulse amplitude, pulse shape, pulse duration, or, when using a combined type accelerator, several such pulses simultaneously or with time intervals between pulses characteristic of a given deposition.
В зависимости от параметров импульса тока или нескольких таких импульсов и характеристик дискретной части материала, последняя ускоряется до характерных для данного осаждения значений скорости, нагреваясь до характерных для данного осаждения значений температуры.Depending on the parameters of the current pulse or several such pulses and the characteristics of the discrete part of the material, the latter is accelerated to the velocity values characteristic of a given deposition, heating up to the temperature values characteristic of a given deposition.
При использовании в дискретной части материала веществ, способных к детонации, возможно детонационное горение материала, следствием которого является дополнительное ускорение материала или его части, вызванное детонационной волной в материале. Кроме того, приложение электромагнитного поля к газу, составляющему защитную среду, может вызвать в нём разряд, который, в свою очередь, приведёт к дополнительному ускорению, вызванному ударной волной в рабочей среде и связанным с этим дополнительным механическим нагрузкам.When substances capable of detonation are used in a discrete part of the material, detonation combustion of the material is possible, which results in additional acceleration of the material or its part caused by the detonation wave in the material. In addition, the application of an electromagnetic field to a gas constituting a protective medium can cause a discharge in it, which, in turn, will lead to additional acceleration caused by a shock wave in the working medium and additional mechanical loads associated with this.
Соответственно, возможно ускорение материала без изменения исходных агрегатных состояний его компонентов или с протеканием тех или иных фазовых переходов в различных частях материала, что может быть использовано для ускорения и нагрева материала в целом.Accordingly, it is possible to accelerate the material without changing the initial states of aggregation of its components or with the occurrence of certain phase transitions in various parts of the material, which can be used to accelerate and heat the material as a whole.
Например, в ускорителях рельсового или аксиального типа или катушечного типа по принципу индукционного ускорения возможно ускорение гранулы той или иной формы, состоящей из твёрдого электропроводного материала без его расплавления или композиции нескольких электропроводных материалов, часть которой испаряется или переходит в плазменное состояние или композиции из диэлектрического материала, находящегося в твёрдом или пластичном состоянии и электропроводной части, твёрдой или переходящей в парообразное или плазменное состояние, служащей ускоряющим поршнем. В ускорителях рельсового или аксиального типа возможно ускорение диэлектрического материала, находящегося в том или ином агрегатном состоянии, ускоренного ударной волной, возникающей в результате электрического разряда в среде инертного газа. В ускорителях катушечного типа возможно ускорение твёрдой гранулы из ферромагнетика при температуре выше точки Кюри или композиции, состоящей из диэлектрической части и ферромагнитной при температуре выше точки Кюри, служащей ускоряющим поршнем.For example, in accelerators of a rail or axial type or coil type, according to the principle of induction acceleration, it is possible to accelerate a granule of one form or another, consisting of a solid electrically conductive material without melting it, or a composition of several electrically conductive materials, part of which evaporates or goes into a plasma state, or compositions of a dielectric material , which is in a solid or plastic state and an electrically conductive part, solid or passing into a vapor or plasma state, serving as an accelerating piston. In accelerators of the rail or axial type, it is possible to accelerate a dielectric material in a particular state of aggregation, accelerated by a shock wave resulting from an electric discharge in an inert gas medium. In coil-type accelerators, it is possible to accelerate a solid granule made of a ferromagnet at a temperature above the Curie point or a composition consisting of a dielectric part and a ferromagnetic one at a temperature above the Curie point, which serves as an accelerating piston.
Осаждение на заготовку проводят материалом, находящимся в твёрдом и/или жидком и/или плазменном состоянии и/или различных переходных между ними состояниях. Сама заготовка в зоне осаждения находится в твёрдом и/или переходном между твёрдым и жидким состоянием.Deposition on the workpiece is carried out with a material that is in a solid and / or liquid and / or plasma state and / or various transition states between them. The billet itself in the sedimentation zone is in a solid and/or transitional state between solid and liquid.
При этом, во всей совокупности осаждений, по крайней мере, часть осаждаемого материала остаётся в процессе осаждения в твёрдом состоянии и/или переходном между твёрдым и жидким состоянием, в таких количествах и при таких временных интервалах между послойными осаждениями, которые позволяют создать монолитный опорный каркас изделия, обеспечивающий соблюдение геометрии внешней и внутренней поверхности изделия и/или армируя заготовку для контролируемого изменения её формы и обеспечения прочности на протяжении всего процесса синтеза и требуемый температурный режим синтеза изделия.At the same time, in the entire set of deposition, at least part of the deposited material remains in the solid state and / or transitional state between the solid and liquid state during deposition, in such quantities and at such time intervals between layer-by-layer deposition that allow the creation of a monolithic supporting frame product, ensuring observance of the geometry of the outer and inner surface of the product and / or reinforcing the workpiece for a controlled change in its shape and ensuring strength throughout the entire synthesis process and the required temperature regime for the synthesis of the product.
Достаточно прочное соединение частиц материала между собой и с заготовкой в зоне осаждения и заданные характеристики заготовки в прилежащих к зоне осаждения слоях обеспечивают характерными для каждого послойного осаждения значениями и направлениями действия таких факторов: давления, связанного со скоростью материала в процессе осаждения, температуры материала и заготовки в зоне осаждения, химических процессов, способствующих адгезии между частицами материала и заготовки, связанных или не связанных с факторами давления и температуры, временными интервалами между послойными осаждениями.Sufficiently strong connection of the particles of the material between themselves and with the workpiece in the deposition zone and the given characteristics of the workpiece in the layers adjacent to the deposition zone provide values and directions of action of such factors characteristic for each layer-by-layer deposition: pressure associated with the speed of the material in the deposition process, temperature of the material and workpiece in the deposition zone, chemical processes that promote adhesion between the particles of the material and the workpiece, related or not related to pressure and temperature factors, time intervals between layer-by-layer deposition.
Изменение формы заготовки обеспечивают присоединением к ней материала и пластической деформацией материала и слоёв заготовки, прилежащих к зоне осаждения или только присоединением материала, когда осаждение материала, обладающего достаточной адгезией к заготовке, ведут при значениях скорости и температуры, недостаточных для пластической деформации слоёв заготовки, прилежащих к зоне осаждения.A change in the shape of the workpiece is provided by attaching the material to it and plastic deformation of the material and the layers of the workpiece adjacent to the deposition zone, or only by attaching the material when the deposition of the material with sufficient adhesion to the workpiece is carried out at speed and temperature values that are insufficient for plastic deformation of the workpiece layers adjacent to the to the deposition zone.
Таким образом, процесс синтеза изделия может быть осуществлён различными сочетаниями характеристик материала в разных осаждениях, размеров и форм зоны осаждения, а так же скоростных и температурных параметров каждого осаждения, что позволяет:Thus, the process of product synthesis can be carried out by various combinations of material characteristics in different deposition, sizes and shapes of the deposition zone, as well as speed and temperature parameters of each deposition, which allows:
- контролировать температурный режим осаждения, поддерживая термодинамическое равновесие между материалом в зоне осаждения, прилежащими и нижележащими слоями заготовки, например, проводя послойные осаждения только твёрдым материалом или чередуя последовательные осаждения материалом в расплавленном и/или в плазменном состоянии и материалом в твёрдом состоянии в количестве, существенно превышающем количество расплавленного или плазменного материала, что также, в ряде случаев, делает возможным снижение скорости материала, необходимой для присоединения, и, соответственно, снижение затрат электроэнергии на осаждение и уменьшение степени пластической деформации заготовки в процессе осаждения;- control the temperature regime of deposition, maintaining thermodynamic equilibrium between the material in the deposition zone, adjacent and underlying layers of the workpiece, for example, by layer-by-layer deposition only with solid material or alternating successive deposition of material in the molten and / or plasma state and material in the solid state in an amount, significantly exceeding the amount of molten or plasma material, which also, in some cases, makes it possible to reduce the speed of the material required for attachment, and, accordingly, reduce the cost of electricity for deposition and reduce the degree of plastic deformation of the workpiece in the process of deposition;
- создавать армирующие элементы конструкции, не только необходимые для использования готового изделия, но и обеспечивающие контролируемое изменение формы заготовки в процессе синтеза, например, строительную конструкцию с металлическим каркасом и клеевой смесью, включающей электропроводные или магнитные материалы и армированную твёрдым наполнителем;- to create reinforcing structural elements that are not only necessary for the use of the finished product, but also provide a controlled change in the shape of the workpiece in the synthesis process, for example, a building structure with a metal frame and an adhesive mixture, including electrically conductive or magnetic materials and reinforced with a solid filler;
- контролировать изменение формы как в процессе осаждения, в том числе локализуя зону распространения деформаций, задавая величину и направление деформации присоединяемого материала и заготовки, так и в промежутках между осаждениями за счёт армирующих функций твёрдых частей материала, что особенно важно при создании сложных, в том числе нависающих элементов конструкции изделия.- control the change in shape both during the deposition process, including localizing the zone of deformation propagation, setting the magnitude and direction of deformation of the attached material and workpiece, and in the intervals between deposition due to the reinforcing functions of the solid parts of the material, which is especially important when creating complex ones, including the number of overhanging structural elements of the product.
Использование импульсного постоянного тока в качестве универсального средства прямой подачи материала в зону построения изделия и непосредственного сообщения ему кинетической и тепловой энергии, необходимой для присоединения материала к заготовке, существенно уменьшает, по сравнению с существующими способами, количество и сложность устройств и их элементов, передающих электрическую энергию от источника к зоне построения изделия. В свою очередь, это обстоятельство обеспечивает не только прямую экономическую выгоду в виде снижения затрат на электроэнергию в себестоимости произведённой продукции, но и предоставляет широкие возможности в создании гибких, перенастраиваемых технологических систем, объединённых комплексом универсальных вариантов реализации способа и вариантов устройства для его осуществления.The use of pulsed direct current as a universal means of direct supply of material to the product construction zone and direct communication to it of the kinetic and thermal energy necessary to attach the material to the workpiece significantly reduces, in comparison with existing methods, the number and complexity of devices and their elements that transmit electrical energy from the source to the product construction zone. In turn, this circumstance provides not only a direct economic benefit in the form of a reduction in electricity costs in the cost of manufactured products, but also provides ample opportunities in creating flexible, reconfigurable technological systems, united by a set of universal options for implementing the method and device options for its implementation.
Ускорение материала дискретными частями с характерными для каждого осаждения размерами, физическими и химическими свойствами, скоростью и температурой позволяет создавать изделия с переменными по объёму характеристиками.Acceleration of the material by discrete parts with dimensions, physical and chemical properties, speed and temperature characteristic for each deposition, allows you to create products with variable volume characteristics.
Использование в процессе синтеза фактора давления, связанного со скоростью материала, создаёт принципиальные, по сравнению со способами, использующими только термическое соединение материала и заготовки, преимущества в прочности и иных механических характеристиках синтезируемых изделий.The use in the process of synthesis of the pressure factor associated with the speed of the material creates fundamental advantages in strength and other mechanical characteristics of the synthesized products compared to methods using only the thermal connection of the material and the workpiece.
Применение в последовательных осаждениях одним ускорителем или несколькими ускорителями материала, находящегося в различных фазовых состояниях, позволяет варьировать режимы осаждения для оптимизации процесса синтеза по технико-экономическим параметрам.The use of material in different phase states in successive deposition by one accelerator or several accelerators makes it possible to vary the deposition modes to optimize the synthesis process in terms of technical and economic parameters.
Возможность в процессе синтеза одного изделия применения как непосредственного ускорения импульсом электромагнитного поля электропроводного материала, так и ускорения диэлектриков посредством электропроводного или плазменного поршня или детонационной волной в результате разряда в пространстве между электродами, позволяет создавать готовые изделия со сложной функциональностью, в том числе электрооборудование различного назначения, а так же в качестве изделия или части заготовки синтезировать один или несколько элементов самого устройства, схема которого представлена фиг.4, создавая новые части устройства, способные к сопряжению с исходным устройством и работе в его составе по завершению их изготовления или видоизменяя части действующего устройства с сохранением их работоспособности и функциональности.The possibility of using both direct acceleration of an electrically conductive material by an electromagnetic field pulse, and acceleration of dielectrics by means of an electrically conductive or plasma piston or a detonation wave as a result of a discharge in the space between the electrodes in the process of synthesizing one product makes it possible to create finished products with complex functionality, including electrical equipment for various purposes. , as well as synthesize one or more elements of the device itself, the diagram of which is shown in Fig.4, as a product or part of the workpiece, creating new parts of the device capable of interfacing with the original device and working as part of it upon completion of their manufacture or modifying parts of the existing device while maintaining their performance and functionality.
Предлагаемый способ послойного синтеза может применяться для промышленного изготовления изделий в различных отраслях машиностроения, в том числе авиационной и космической отраслях, строительстве, промышленном производстве различных товаров. Благодаря описанным выше преимуществам способа, он может найти применение как для решения уже существующих технических проблем, так и в создании перспективных автоматических технологических комплексов для послойного синтеза, в том числе с возможностью их полного или частичного самовоспроизведения, а так же автономного функционирования с использованием в построении как элементов самого комплекса, так и изделий различного назначения материала, автоматически извлекаемого из внешней, по отношению к комплексу, среды, например, из различных естественных или искусственных объектов, находящихся в космическом пространстве или иных труднодоступных средах.The proposed method of layer-by-layer synthesis can be used for the industrial manufacture of products in various branches of engineering, including aviation and space industries, construction, industrial production of various goods. Due to the advantages of the method described above, it can be used both for solving existing technical problems and in creating promising automatic technological complexes for layer-by-layer synthesis, including the possibility of their full or partial self-reproduction, as well as autonomous operation using in the construction both elements of the complex itself, and products for various purposes of material automatically extracted from the environment external to the complex, for example, from various natural or artificial objects located in outer space or other hard-to-reach environments.
Список используемой литературы:Bibliography:
1. Аддитивные технологии в машиностроении. М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина; Издательство политехнического университета Санкт-Петербург 2013; стр. 11-15.1. Additive technologies in mechanical engineering. M.A. Zlenko, A.A. Popovich, I.N. Mutylin; Publishing house of the Polytechnic University St. Petersburg 2013; pp. 11-15.
2. Патент US20150273577A1, опубл. 28.03.2014.2. Patent US20150273577A1, publ. 03/28/2014.
3. Патент RU 2 664 844 C1, опубл. 20.12.2017.3.
4. Плазменные ускорители. А.И. Морозов; Большая Российская Энциклопедия; www. bigenc.ru.4. Plasma accelerators. A.I. Morozov; Great Russian Encyclopedia; www. bigenc.ru.
5. Патент US 2002/014.6508A1, опубл. 02.10.2002.5. Patent US 2002/014.6508A1, publ. 02.10.2002.
6. Модификация свойств материалов и осаждение покрытий с помощью плазменных струй. А.Д. Погребняк, Ю.Н. Тюрин; Успехи физических наук Т.175 №5 Май 2005 г.; стр. 519-522.6. Modification of material properties and deposition of coatings using plasma jets. HELL. Pogrebnyak, Yu.N. Tyurin; Advances in Physical Sciences V.175 No. 5 May 2005; pp. 519-522.
7. Холодное газодинамическое напыление теория и практика (под редакцией академика В.М. Фомина). А.П. Алхимов, С.В. Клинков, В.Ф. Косарев, В.М. Фомин; www.rfbr.ru; стр. 74-76.7. Cold gas-dynamic spraying theory and practice (edited by Academician V.M. Fomin). A.P. Alkhimov, S.V. Klinkov, V.F. Kosarev, V.M. Fomin; www.rfbr.ru pp. 74-76.
8. Малогабаритный рельсовый ускоритель диэлектрических твердых тел mm-размера. Б.Г. Жуков, Р.О. Куракин, В.А. Сахаров, С.В. Бобашев, С.А. Поняев, Б.И. Резников, С.И. Розов; Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН; Санкт-Петербург Письма в ЖТФ, 2013, том 39, вып. 12, 26 июня 2013 г.; стр. 63-69.8. Small-sized rail accelerator of mm-size dielectric solids. B.G. Zhukov, R.O. Kurakin, V.A. Sakharov, S.V. Bobashev, S.A. Ponyaev, B.I. Reznikov, S.I. Rozov; Physical-Technical Institute. A.F. Ioffe RAS; St. Petersburg Letters to ZhTF, 2013, volume 39, no. June 12, 26, 2013; pp. 63-69.
9. Методы и средства ускорения частиц естественного и техногенного происхождения. Н.Д. Сёмкин, К.И. Сухачёв, А.С. Дорофеев; Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета); 2015 г.; стр. 177-178.9. Methods and means of accelerating particles of natural and technogenic origin. N.D. Semkin, K.I. Sukhachev, A.S. Dorofeev; Bulletin of the Samara State Aerospace University. Academician S.P. Korolev (National Research University); 2015; pp. 177-178.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2778827C1 true RU2778827C1 (en) | 2022-08-25 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2186681C2 (en) * | 1999-10-06 | 2002-08-10 | Шиляев Николай Иванович | Method for stratified synthesis of articles and device for its realization |
| US20020146508A1 (en) * | 1997-06-20 | 2002-10-10 | Board Of Regents, University Of Texas System | Method and apparatus for electromagnetic powder deposition |
| RU2423203C2 (en) * | 2009-08-04 | 2011-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of sintering solid parts in laser layer-by-layer powder synthesis |
| RU2664844C1 (en) * | 2017-12-20 | 2018-08-23 | Федеральное государственное автономное учреждение "Научно-учебный центр "Сварка и контроль" при МГТУ им. Н.Э. Баумана" | Method of additive manufacture of three-dimensional detail |
| US11045875B2 (en) * | 2015-03-17 | 2021-06-29 | Elementum 3D, Inc. | Reactive additive manufacturing |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020146508A1 (en) * | 1997-06-20 | 2002-10-10 | Board Of Regents, University Of Texas System | Method and apparatus for electromagnetic powder deposition |
| RU2186681C2 (en) * | 1999-10-06 | 2002-08-10 | Шиляев Николай Иванович | Method for stratified synthesis of articles and device for its realization |
| RU2423203C2 (en) * | 2009-08-04 | 2011-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of sintering solid parts in laser layer-by-layer powder synthesis |
| US11045875B2 (en) * | 2015-03-17 | 2021-06-29 | Elementum 3D, Inc. | Reactive additive manufacturing |
| RU2664844C1 (en) * | 2017-12-20 | 2018-08-23 | Федеральное государственное автономное учреждение "Научно-учебный центр "Сварка и контроль" при МГТУ им. Н.Э. Баумана" | Method of additive manufacture of three-dimensional detail |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11623273B2 (en) | System and method for making a structured material | |
| US10022789B2 (en) | System and method for making a structured magnetic material with integrated particle insulation | |
| EP2969315B1 (en) | System and method for making a structured magnetic material with integrated particle insulation | |
| RU2778827C1 (en) | Method for synthesising articles in layers | |
| CN103691589B (en) | Ferromagnetic powder Electromagnetic Drive powder delivery method and device | |
| US20230112751A1 (en) | System for the deposition of microparticles | |
| TW202410085A (en) | System and method for making a structured material |