RU2812448C1 - Способ серийного производства изделий из нескольких порошковых материалов методом прямого лазерного выращивания - Google Patents
Способ серийного производства изделий из нескольких порошковых материалов методом прямого лазерного выращивания Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812448C1 RU2812448C1 RU2023111146A RU2023111146A RU2812448C1 RU 2812448 C1 RU2812448 C1 RU 2812448C1 RU 2023111146 A RU2023111146 A RU 2023111146A RU 2023111146 A RU2023111146 A RU 2023111146A RU 2812448 C1 RU2812448 C1 RU 2812448C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- products
- batches
- powder materials
- rows
- carried out
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 10
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 3
- 229910000816 inconels 718 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области аддитивных технологий, в частности к серийному производству изделий из порошковых материалов. Для производства изделия методом прямого лазерного выращивания осуществляют построение 3D-модели изделия и формируют 3D-модель расположенных последовательными рядами партий изделий. Комбинированную послойную печать методом прямого лазерного выращивания проводят двумя порошковыми материалами, подающимися из двух независимых дозирующих устройств, исходя из трехмерной модели расположения партий изделий в камере построения, образующих последовательные ряды от платформы построения и скомпонованных от изделий большего объема к изделиям меньшего объема. Разделение партий изделий осуществляют посредством построения между рядами партий изделий затвора в виде тонкой пластины, параллельной платформе построения. Обеспечивается сокращение времени производства и повышение производительности. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к промышленности, а именно к аддитивному производству, и может быть использовано в технологических процессах изготовления металлических изделий машиностроения, авиастроения и приборостроения методами прямого лазерного выращивания с целью сокращения времени производственного цикла.
С появлением аддитивных технологий (АТ) стал актуальным вопрос о целесообразности их применения в существующих предприятиях промышленности. Большой спектр методов АТ позволяет производить детали сложной формы из различных полимерных и керамических соединений, металлов и сплавов. К наиболее перспективным можно отнести методы прямого лазерного выращивания. В них входит целый ряд технологий, таких как селективное лазерное спекание (СЛС), селективное лазерное плавление (СЛП), электронно-лучевая плавка (ЭЛП). Оборудование, основанное на представленных технологиях, успешно внедряется в предприятия. Но в большинстве случаев применяемость такого оборудования сводится к мелкосерийному и единичному производству [1].
Многие предприятия производили технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения технологий прямого лазерного выращивания. Так, например, в работе [2] авторы выполнили сравнительный анализ технологических процессов (ТП), существующего ТП и усовершенствованного методом АТ. Приведённая работа показала, что при производстве методом SLS, сложнопрофильной детали в единичной или мелкой серии, конечная себестоимость в значительной степени ниже, чем при механической обработке. Но при достижении объема партии в количестве 20 шт. себестоимость механической обработки и метода SLS выравниваются. Это происходит за счет увеличения объема, используемого материала и количества загрузок оборудования (3D-принтера). Полученный авторами результат также свидетельствует о том, что при достижении предельного объёма деталей не используется полный объем рабочей камеры и зоны построения 3D-принтера, детали располагаются в один ряд по всей платформе. Из-за этого приходится выполнять несколько загрузок 3D-принтера, что ведет к увеличению цикла изготовления партии деталей и большему расходу материла.
В настоящий момент существуют решения оптимизации технологического процесса изготовления штучных изделий методами АТ. Например, существуют способы описывающие методы оптимизации процесса селективного лазерного сплавления:
- Патент № 2767968 C1 Российская Федерация, МПК B22F 10/28, B33Y 10/00, B23K 26/342. Способ производства деталей малоразмерного газотурбинного двигателя с тягой до 150 кгс методом селективного лазерного сплавления: № 2021114180: заявл. 19.05.2021: опубл. 22.03.2022 / Е. Н. Каблов, О. Г. Оспенникова, В. В. Антипов [и др.]; заявитель Российская Федерация, от имени которой выступает Фонд Перспективных Исследований.;
- Патент № 2623537 Российская Федерация, МПК B23K 26/342, B23K 26/60, B22F 3/105. Способ изготовления деталей послойным лазерным сплавлением металлических порошков жаропрочных сплавов на основе никеля: № 2015148793: заявл. 13.11.2015: опубл. 27.06.2017 / Е. Н. Каблов, С. В. Неруш, А. Г. Евгенов [и др.]; заявитель Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ").
Однако приведенные работы описывают способы производства конкретных изделий в определенных отраслях промышленности и имеют узконаправленное применение. Недостатком данных работ является то, что использование таких способов возможно только в единичном производстве.
Известна работа в области рациональной компоновки деталей сложной геометрической формы, где приводится алгоритм размещения ортогональных многогранников на примере размещения деталей на платформе 3D-принтера, описывающий способ заполнения замкнутого объема максимальным количеством изделий. Однако в работе не учитываются технологические требования, предъявляемые к детали, и не предлагается возможность параллельной генерации поддерживающей структуры [3].
Известна работа в области послойного изготовления изделий из нескольких порошков, где описывается изготовление изделий из нескольких, преимущественно металлических порошков в камере построения методом нанесения каждого слоя фазами, каждая из которых включает послойную подачу порошка из бункера с дозирующим устройством на технологически заданные участки рабочей поверхности регулируемой платформы построения, которые идентичны участкам на поперечных разрезах [4].
Однако данное техническое решение имеет следующие недостатки. Способ имеет послойную подачу порошка на технологически заданные участки рабочей зоны поверхности и предполагает последовательную печать первым порошком, затем его удаление вакуумной системой, затем нанесением второго материала и его сплавление. При этом платформа построения находится в неподвижном положении. Перечисленные технические решения являются недостатками и не дают возможность печатать разными материала чередуя их, так как каждый раз после смены материала установке нужно сделать дополнительную итерацию по отчистки вакуумной системой от излишек порошкового материала в зоне построения детали. Это увеличивает время печати, что ведет к низкой производительности 3D-принтера и увеличению себестоимости изделия.
Приведенные работы [2, 3] взяты за прототип и основу предлагаемого технического решения.
Результат, для достижения которого направлено данное техническое решение, заключается в возможности повышения производительности до серийного уровня выпуска изделий методом прямого лазерного выращивания.
Заявленный результат заключается за счет того, что в способе серийного производства изделий из нескольких порошковых материалов методом прямого лазерного выращивания, включающем построение 3D-модели каждого изделия, формирование 3D-модели партий изделий, расположенных последовательными рядами с учетом используемых порошковых материалов, комбинированную печать осуществляют несколькими материалами, чередуя их из независимых дозирующих устройств послойной подачи порошкового материала, исходя из трехмерной модели расположения партий изделий в камере построения, которые образуют последовательные ряды относительно платформы построения исходя из их геометрической формы, технологических требований, расстановки поддерживающей структуры и максимально возможного заполнения рабочей камеры и зоны построения оборудования (3D-принтера).
Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - установка для серийного производства изделий из нескольких порошковых материалов методом прямого лазерного выращивания, фиг. 2 - пример расположения нескольких партий изделий рядами.
Заявляемый способ серийного производства деталей методом прямого лазерного выращивания осуществляется следующим образом. Распределение порошковых материалов А и Б (фиг. 1) выполняется за счет двух дозирующих устройств 7 (фиг. 1) и разравнивающего устройства 8, которые позволяют менять материал как после рядов партий изделий, так и после каждого слоя ряда изделий. Нанесение материала выполняется по предварительно подготовленной трехмерной модели (фиг. 2). Формирование расположения в камере построения партий изделий 10, 11, 12, выполняется рядами относительно платформы построения 1. Процесс компоновки осуществляется от большего объема детали к меньшему, с параллельной генерацией поддерживающей структуры 13 исходя из технологических требований изготавливаемых деталей (фиг. 2). При этом разделение рядов партий изделий происходит посредством построения затвора 14 в виде тонкой пластины параллельной платформе построения. Затвор создается в момент компоновки и генерации поддерживающей структуры между рядами и выполняет функцию опорной поверхности для расположения поддерживающей структуры каждого ряда партий изделий из разных материалов.
Процесс формирования порошкового слоя несколькими материалами методом прямого лазерного выращивания осуществляется следующим образом.
В первом случае, когда используется последовательное чередование материалов через каждый слой в рамках одного ряда изделий, материал А поступает из загрузочного бункера 5 в дозирующее устройство 7 (фиг.1), выполненного в виде роторного ролика, и затем в основной бункер предназначенный под материал А в разравнивающем устройстве 8. После чего разравнивающее устройство, перемещаясь в сторону загрузочного устройства 6, наносит материал на платформу построения 1 расположенную в камере построения 2. Оставшийся неиспользованный материал ссыпается в разгрузочный бункер 3, предназначенный под материал А. Закончив нанесение слоя и ссыпку оставшегося материала, разравнивающее устройство 8 встает под дозирующее устройство 7 загрузочного бункера 6. Выполняется сканирование сформированного порошкового слоя лазерной системой 9 по заданной трехмерной модели. Параллельно дозирующее устройство загружает материал Б в основной бункер разравнивающего устройства 8, предназначенный для материала Б. После окончания сканирования платформа постарения 2 опускается на заданную величину. Затем разравнивающее устройство, перемещаясь в сторону загрузочного бункера 5 наносит новый слой порошкового материала Б в зону построения, оставшийся материал Б ссыпается в разгрузочный бункер 4, предназначенный под материал Б. Далее процесс повторяется циклически до завершения построения изделия.
Во втором случае, когда применяется чередование материала через каждую партию рядов изделий, формирование порошкового слоя осуществляется одним из материалов на каждый ряд партии изделий (фиг. 2). Например для партии 11 используется только материал А, для партии 12 используется материал Б, а для партии 10 используется материал А. Разделение и смена материала производится через построение затвора между рядами в виде тонкой пластины 14 параллельной платформе построения, заложенной в момент компоновки и генерации поддерживающей структуры. Разравнивание и нанесение порошкового слоя выполняется таким же образом, как и в первом случае.
Апробация и практическое применение предлагаемого способа серийного производства изделий из нескольких порошковых материалов методом прямого лазерного выращивания, выполнялась на установке СЛП «SLM IDEN160». Предварительно установка была переоборудована под загрузку двух материалов (жаропрочной стали Inconel 718 и нержавеющей стали AISI 316L). Также была подготовлена управляющая программа учитывающая последовательность работы предлагаемого способа и схемы фиг. 1 и принципа расположения партий изделий рядами фиг. 2. После подготовки и предварительной отладки режимов сплавления, было изготовлено три партии изделий «Кронштейн» - 10 шт., «Би-разделитель» - 8 шт., «Фиксатор» - 15 шт. где изделия типа «Кронштейн» располагались в первом ряду 11, изделия типа «Би-разделитель» располагались во втором ряду 12, изделия типа «Фиксатор» располагались в третьем ряду 10, согласно компоновке фиг. 2. Изделие «Кронштейн» изготавливалось из материала AISI 316L, изделие «Фиксатор» из Inconel 718, изделие «Би-разделитель» с применением двух материалов AISI 316L и Inconel 718, последовательно чередуя их через каждый слой. В результате способ позволил сократить суммарное время на производство трех партий изделий на 45%, в отличии от классического метода 3D-печати, когда за одну загрузку принтера изготавливается одна партия изделий.
Источники информации:
1. Gibson I., Rosen D. W., Stucker B. Additive Manufacturing Technologies. 3D Printing, Rapid Prototyping and Direct Digital Manufacturing. Springer. 2010. January. 498 p.
2. Кяримов, Р. Р. Технико-экономическое обоснование применения аддитивной технологии селективного лазерного сплавления на примере элементов космической техники из титана / Р. Р. Кяримов, Н. Н. Шапошников, А. В. Митрянин // Космическая техника и технологии. - 2022. - № 4(39). - С. 5-21.
3. Чеканин, В. А. Решение задачи рациональной компоновки деталей сложной геометрической формы / В. А. Чеканин // Информационные системы и технологии ист-2021 : сборник материалов XXVII Международной научно-технической конференции Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, 23-24 апреля 2021 года / Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2021. - С. 619-625.
4. Патент № 2685326 C1 Российская Федерация, МПК B22F 3/105, B29C 64/321, B33Y 30/00. Способ послойного изготовления изделий из нескольких порошков и устройство для его осуществления: № 2018130124: заявл. 20.08.2018: опубл. 17.04.2019 / Л. Г. Сапрыкин, Д. Л. Сапрыкин, В. В. Дубовцев; заявитель Российская Федерация, от имени которой выступает Фонд Перспективных Исследований.
Claims (4)
1. Способ серийного производства изделий из порошковых материалов, включающий построение 3D-модели изделия и печать изделия методом прямого лазерного выращивания, отличающийся тем, что дополнительно формируют 3D-модель расположенных последовательными рядами партий изделий, после чего проводят комбинированную послойную печать двумя порошковыми материалами, подающимися из двух независимых дозирующих устройств, исходя из трехмерной модели расположения партий изделий в камере построения, образующих последовательные ряды от платформы построения и скомпонованных от изделий большего объема к изделиям меньшего объема, при этом разделение партий изделий осуществляют посредством построения между рядами партий изделий затвора в виде тонкой пластины, параллельной платформе построения.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что порошковые материалы чередуют при печати рядов партий изделий или слоев ряда изделий одной партии.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параллельно с компоновкой партий изделий осуществляют генерацию поддерживающей структуры.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что поддерживающую структуру для каждого последующего ряда деталей формируют с учетом технологических требований предыдущего ряда деталей к последующему, при этом предыдущий ряд деталей является опорой для последующего ряда.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2812448C1 true RU2812448C1 (ru) | 2024-01-30 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2086356C1 (ru) * | 1992-12-14 | 1997-08-10 | Николай Константинович Толочко | Способ изготовления трехмерных изделий из порошковых материалов |
RU2685326C1 (ru) * | 2018-08-20 | 2019-04-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ послойного изготовления изделий из нескольких порошков и устройство для его осуществления |
CN110340354A (zh) * | 2018-04-08 | 2019-10-18 | 中国航发商用航空发动机有限责任公司 | 用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法 |
EP3689506B1 (en) * | 2019-01-30 | 2022-07-27 | General Electric Company | Additive manufacturing systems and methods of additively printing on workpieces |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2086356C1 (ru) * | 1992-12-14 | 1997-08-10 | Николай Константинович Толочко | Способ изготовления трехмерных изделий из порошковых материалов |
CN110340354A (zh) * | 2018-04-08 | 2019-10-18 | 中国航发商用航空发动机有限责任公司 | 用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法 |
RU2685326C1 (ru) * | 2018-08-20 | 2019-04-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ послойного изготовления изделий из нескольких порошков и устройство для его осуществления |
EP3689506B1 (en) * | 2019-01-30 | 2022-07-27 | General Electric Company | Additive manufacturing systems and methods of additively printing on workpieces |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5582923B2 (ja) | 連続的な造形製造を行うための装置及び方法 | |
Wei et al. | Recent progress and scientific challenges in multi-material additive manufacturing via laser-based powder bed fusion | |
Atzeni et al. | Study on unsupported overhangs of AlSi10Mg parts processed by Direct Metal Laser Sintering (DMLS) | |
Senthilkumaran et al. | Influence of building strategies on the accuracy of parts in selective laser sintering | |
Guo et al. | Effects of scanning parameters on material deposition during Electron Beam Selective Melting of Ti-6Al-4V powder | |
Poprawe et al. | SLM production systems: recent developments in process development, machine concepts and component design | |
KR102465220B1 (ko) | 적층 가공 방법, 대상물 데이타 처리 방법, 데이타 캐리어, 대상물 데이타 프로세서 및 제조된 대상물 | |
US20180311731A1 (en) | High throughput additive manufacturing system | |
Jhabvala et al. | An innovative method to build support structures with a pulsed laser in the selective laser melting process | |
Bineli et al. | Direct metal laser sintering (DMLS): Technology for design and construction of microreactors | |
Bourell et al. | Solid freeform fabrication an advanced manufacturing approach | |
CN105386037A (zh) | 一种采用选区激光熔化成形技术成形功能梯度零件的方法 | |
CN1803348A (zh) | 一种快速制造功能梯度材料的制备方法 | |
Fahad et al. | Evaluation and comparison of geometrical accuracy of parts produced by sintering-based additive manufacturing processes | |
RU2550670C2 (ru) | Способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением порошкового материала и установка для его осуществления | |
CN110976866B (zh) | 梯度变化构件的一体化制备方法 | |
Kapil et al. | 5-axis slicing methods for additive manufacturing process | |
RU2812448C1 (ru) | Способ серийного производства изделий из нескольких порошковых материалов методом прямого лазерного выращивания | |
CN107498053B (zh) | 一种消除激光增材制造成形中边缘堆高的方法 | |
Seetharaman et al. | Research updates on the additive manufacturing of nickel based superalloys | |
WO2024021218A1 (zh) | 钽钨合金制品及其制备方法 | |
Atwood et al. | Laser spray fabrication for net-shape rapid product realization LDRD | |
WO2022049214A1 (en) | Additive chemical vapor deposition methods and systems | |
CN112008074B (zh) | 应用于金属材料的3d打印方法及装置 | |
Rock et al. | A New SFF process for functional part rapid prototyping and manufacturing: freeform powder molding |