WO2020050747A1 - Способ изготовления детали из порошка - Google Patents

Способ изготовления детали из порошка Download PDF

Info

Publication number
WO2020050747A1
WO2020050747A1 PCT/RU2019/000609 RU2019000609W WO2020050747A1 WO 2020050747 A1 WO2020050747 A1 WO 2020050747A1 RU 2019000609 W RU2019000609 W RU 2019000609W WO 2020050747 A1 WO2020050747 A1 WO 2020050747A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
powder
microwave
zones
microwave radiation
heating
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000609
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Денис Эрнестович ЛЬВОВ
Original Assignee
Денис Эрнестович ЛЬВОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Денис Эрнестович ЛЬВОВ filed Critical Денис Эрнестович ЛЬВОВ
Priority to CA3129385A priority Critical patent/CA3129385A1/en
Priority to EP19857749.6A priority patent/EP3852494B1/en
Priority to US17/272,729 priority patent/US11897192B2/en
Publication of WO2020050747A1 publication Critical patent/WO2020050747A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/80—Apparatus for specific applications
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2206/00—Aspects relating to heating by electric, magnetic, or electromagnetic fields covered by group H05B6/00
    • H05B2206/04—Heating using microwaves
    • H05B2206/046—Microwave drying of wood, ink, food, ceramic, sintering of ceramic, clothes, hair
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • a method of manufacturing a powder part relates to the field of electrical engineering.
  • the purpose is a method using means of heating due to microwave radiation for sintering or alloying materials, both ceramic, plastics, and metal powders.
  • the prior art invention is known "Method for the manufacture of the grinding head of a dental instrument", patent RU2 005 436, publ. 15.01.1994, IPC ⁇ 61 ⁇ 3/02, in which the abrasive mixture is simultaneously exposed to ultrasound with an electromagnetic field, then the exposure is stopped.
  • the method is used to apply an abrasive to a tool with a thin layer. Used in metal processing.
  • the task is not posed - to obtain a coating of complex shape, therefore they heat the entire coating as a whole, ensuring its strong adhesion to the tool.
  • the invention is known "A method of compaction of ceramic materials under the influence of centimeter electromagnetic waves and a vessel for implementing this method" patent RU2 313 508, publ. 27.12.2006, K. pr. 07/19/2002 (claims 1-6, 11-21) DE 10232818.8; 11/20/2002 (claims 7-10) EP 02025674.9, IPC ⁇ 04 ⁇ 35/64; ⁇ 05 ⁇ 6/6, in which the sintered material is exposed to the energy of microwave radiation, emitting in the mode
  • the invention is known "A method for sintering a large ceramic product using microwave heating", patent RU2 315 443, publ. 20.01.2008, IPC ⁇ 05 ⁇ 6/64; ⁇ 01 ⁇ 3/12, in which microwave radiation is formed in the form of a wave beam and microwave radiation of controlled power with a frequency of at least 2.45 GHz is used.
  • this method can be used only for large-sized products, as well as the power control of microwave heating with this method is carried out by changing the property of thermal conductivity of materials, i.e. artificially reduce the heating temperature of the particles to evenly distribute the temperature.
  • the regulation of the radiation power does not allow you to set the desired geometric shape of the sintering by heating at points corresponding to the geometry of the part.
  • the invention is known "a method for producing bulk products from powders and a device for its implementation", patent RU2 539 135, publ. 09/10/2013, IPC B22F 3/105, in which there is a working chamber, a working hopper with a piston moving the powder layer and the product in vertical direction, hopper feeder, carriage backfill and stacking powder.
  • This allows you to scan a given area of the powder layer with a small focusing spot, which allows layer-by-layer sintering of the product of a given configuration.
  • the actual sintering is carried out by laser radiation, which leads to high energy consumption and the difficulty of ensuring the temperature regime of the surface layer, as well as the inability to sinter powders with a high light reflection coefficient.
  • the combination of the microwave radiation source with the scanning area of the laser radiation is provided only for preheating the powder.
  • Microwave radiation affects only surfaces irradiated by a laser.
  • the combination of these two sources is used only for preheating the total mass of the powder with microwave radiation, since they cannot focus the heating with microwave radiation in required points, so the actual direct sintering is carried out with a laser.
  • this method allows to ensure the temperature regime of only the surface layer.
  • the small size of the irradiation spot and correspondingly high temperature gradients in the sintering / melting region in the product lead to the formation of pores and cracks.
  • this method it is impossible to heat powders with high reflectivity, since the laser beam will be reflected from them.
  • the inventive task of the proposed technical solution is to create a method of manufacturing a part from a powder using microwave radiation.
  • 3 D printers are currently used, for example, by wire fusion, where an electric current is applied between the surface and the feed head.
  • this method can only be used to obtain metal products, and at the same time receive low accuracy, not higher than 2-3 wire diameter, and in addition, filler material (metal wire) is transported through an electric arc, which causes it to spatter.
  • the deposition of material on a part is carried out in the form of a powder in layers, followed by its heating at specified points.
  • SLS selective laser sintering
  • EBM selective electron beam melting
  • the part is obtained dense and strong, the strength is similar to casting strength, however, there remains the problem of adhesion of nearby particles in the form of a “fur coat” and very low productivity (large beam diameter cannot be obtained), but the reflectivity and orientation of the powder particles do not matter , since energy is transmitted through the kinetic impact of some particles (for example, electrons) against other particles (powder).
  • This method can be implemented using an electron beam gun in which an electron stream is generated.
  • the electron mean free path 0 in air does not exceed 2.5 mm; therefore, it will be necessary to vacuum the entire working chamber in which the part is received.
  • the proposed method solves the tasks in its implementation.
  • the proposed method achieves a technical result in the form of a durable, accurate part of complex shape from a powder consisting of both dielectric material and conductive materials, with high energy efficiency of this method.
  • a method of manufacturing a part from powder includes placing powder with a particle size of not more than 1 mm in a working chamber with an air, gas, liquid or solid transit medium with a microwave field. This method differs from the known ones, which ensures its novelty that the particle size of the powder is taken no more than 1 mm.
  • the powder may be placed in air, gas, liquid or solid. It is important that either this medium or the powder itself have polar molecules. Carry out the effect on the powder with zones of increased intensity of microwave radiation.
  • the novelty of the method consists in creating a microwave field in the volume of the working chamber with a microwave radiation power from 100 W to 150 MW and frequent from 1 GHz to 10 THz, depending on the physical properties of the powder, the magnitude, degree of accuracy and complexity of the geometric shapes of sintered / fused the details.
  • zones with increased microwave radiation intensity are formed in the created microwave field, in which zones of powder heating in shape corresponding to zones with increased microwave radiation intensity are obtained, repeating a point or flat section (section) or spatial image of the part.
  • the intensity of microwave radiation in these zones is sufficient to release thermal energy for heating the powder to its sintering / fusion temperature, taking into account the initial temperature of the powder, and sintering or fusion of the powder is carried out and the part is obtained due to the released heat energy in the powder heating zones.
  • a method of manufacturing a powder part in which an increased microwave radiation intensity sufficient to heat the powder to a sintering / fusion temperature is obtained when heat is released as a result of absorption of microwave radiation in areas of increased intensity.
  • the location of these zones corresponds to the holographic volumetric image of the part and is defined (determined) by the interference matrix, and the interference matrix is a plate irradiated with microwave radiation with a programmed holographic interference image of the resulting part and placed in the working chamber relative to the microwave radiation source so that the microwave radiation falls and illuminated the interference matrix or passed through it.
  • thermal energy is obtained by provoking in a given zone a microwave breakdown, which is a zone of heating of the powder.
  • heating occurs when the microwave field strength in this zone (breakdown) increases above the critical one.
  • An increase in tension is caused by bringing to this zone either virtual resonator obtained by focusing the ionizing ultraviolet (UV) light / laser stream using a lens, or by bringing a special shape of a solid resonator to this zone.
  • the resonator can be, for example, any object of elongated shape, or an object in the form of a split ring. The size of the resonator is selected depending on the wavelength.
  • the wavelength is chosen depending on the degree of detail (print resolution) of the sintered / fused part.
  • at least one resonator is moved in space above the corresponding powder layer, creating (organizing) powder heating zones, in which sintering / fusion of the powder is carried out at points (zones) corresponding to the geometrical location of the points of a given flat layer (section) of the bulk part .
  • a holographic interference image of a part is a flat picture on a plate or a holographic matrix, designed to restore a three-dimensional image of a part when exposed to reference microwave radiation, which is a set of interference (“dark” and “light”) bands.
  • a holographic volumetric image of a part is a volumetric image (hologram), the equivalent of a part, which is a variation in the intensity and phase of the microwave radiation in the space of the working chamber.
  • holography in this context refers to the method of reconstruction using radiation of a volumetric image from its interference pattern, regardless of the type of radiation used, in the particular case, using microwave radiation.
  • transit medium is understood to mean gas, liquid, another powder, gel or something else (filler) in which the powder is placed from which the part is obtained.
  • Powder is the working material from which the part is formed.
  • Microwave radiation like terrahertz radiation, is electromagnetic radiation, i.e. a set of waves, the oscillations in which make the electric and magnetic fields. Electromagnetic waves transfer the energy of the electromagnetic field, the flux of which is determined by the value of the Poynting vector.
  • the intensity of electromagnetic radiation is equal to the average value of the Poynting vector module averaged over a period.
  • the intensity is a scalar physical quantity that quantitatively characterizes the power carried by the wave in the direction of propagation.
  • the intensity is equal to the radiation power averaged over a period of wave oscillations passing through a unit area located perpendicular to the direction of wave propagation and has a dimension in the SI W / m 2 system .
  • the proposed method organizes the volumetric absorption of microwave energy inside the mass of the powder in areas of high intensity microwave radiation, where an independent source of radiation heating is organized and located in the mass of the powder without convective transfer to neighboring zones.
  • Such zones are characterized by microwave heating, which is due to the volumetric absorption of microwave energy by most materials, either the powder itself or the medium in which the powder is placed.
  • Microwave heating has two main features. The proposed result is achieved due to the fact that, on the one hand, when absorbing microwave energy in the entire volume of the product, there is no need for heat transfer due to thermal conductivity, on the other hand, it is possible to significantly increase the heating rate by microwave radiation.
  • the proposed method is implemented as follows.
  • Powder with a particle size of not more than 1 mm is placed in the working chamber.
  • the powder may be in a transit medium from any gas or liquid.
  • the powder can also be placed in a solid transit environment. For example, be combined with another powder, enclosed in a solid, or simply fill the entire working chamber with only the powder from which the product is made.
  • the main one is the presence of at least one of the components of polar molecules that provide absorption of microwave radiation and heat. The best result is obtained if the powder in the transit medium is placed evenly.
  • a source for example, a maser, magnetron or klystron, etc. create a microwave field with a microwave radiation power of 100 W to 150 MW and a frequency of 1 GHz to UTHz.
  • the power of the required microwave radiation depends on the physical properties of the powder, for example its refractoriness, as well as on the magnitude of the resulting part. Since it is known that the wavelength determines the resolution, and the wavelength of the microwave radiation depends on the frequency, the lower the frequency, the larger the size of the smallest possible element of the part, and therefore lower the accuracy. For the manufacture of more complex and precise parts, a wavelength of less is required, which is achieved by a higher frequency. Further, microwave radiation must be "focused" at those points (zones) at which the sintered / fused powder particles will correspond to the geometric shapes of the resulting part. For this, it is necessary to control zones with increased microwave radiation intensity by increasing the microwave field intensity in these zones, which will lead to increased heat generation in these zones.
  • An increase in the intensity of microwave radiation in the desired zones is obtained by using the effects of wave optics - interference and diffraction of electromagnetic waves, where two or more wave propagation vectors add up in one direction and to the extent that these directions coincide.
  • the picture of zones with increased microwave radiation intensity in the working chamber with the powder and the transit medium should correspond to the geometry of the part. Then, inside the mass of powder particles, there will appear zones of increased microwave radiation intensity, in which, due to volumetric absorption of microwave energy, zones of increased heat generation will appear that will heat the powder to a temperature sufficient for sintering or fusion of nearby powder particles without convective heat transfer to neighboring powder zones.
  • the heating temperature will not be sufficient to sinter / fuse the powder, i.e. particles will not stick together in these areas. If the powder material is not energy-intensive enough, the heating zone is formed due to the energy intensity of the transit medium in this zone. Thus, influencing the geometric characteristics (phase, amplitude, direction of polarization, rotation, and other wave characteristics) of the microwave radiation field at these points, the temperature will increase only at the desired point, and around it the radiation intensity will be insufficient for sintering / fusion.
  • the most accurate and complex parts can be obtained by providing a resolution of less than a millimeter, i.e. for such parts, it is necessary to use electromagnetic radiation in the terrahertz range.
  • the necessary geometry of the heating zones can be created using the interference matrix by analogy with the technology for producing holograms (holographic images). Since the laws of wave propagation and interaction are the same for all types and wavelengths of any range (both for the visible frequency range, and for radio frequencies, and x-ray frequencies, as well as for microwave frequencies), since they are all electromagnetic waves, then The principles of holographic imaging are applicable to both laser radiation and microwave radiation.
  • FIG. 1 - shows a sintering / fusion apparatus with which it is possible to implement the proposed method using a holographic volumetric image of the part;
  • FIG. 2 sintering / fusion apparatuses are shown, with the help of which it is possible to implement the proposed method using provocation in a given zone of microwave breakdown using a resonator;
  • 2a apparatus with a physical resonator on a carriage;
  • 2c apparatus with a virtual resonator with a deflecting optical system;
  • FIG. 1 shows a sintering / fusion apparatus, with which it is possible to implement the proposed method using a holographic volumetric image of the part.
  • the work is as follows.
  • a chamber similar to a standard microwave oven for industrial or consumer heating using microwave radiation was taken, depending on the size of the sintering, its physical properties and the complexity and accuracy of the geometry of the manufactured part. It contains a source (1) of the required microwave power and frequency, which creates a microwave field of a given strength in the working chamber, for example, a waveguide, a maser, a magnetron, a klystron, etc.
  • Microwave radiation passes through the interference matrix (2) (containing a holographic interference image of the part), using a curtain in the part of the working chamber containing the transit medium with powder (3), a holographic volumetric image of the part is created.
  • the mechanical part for example, a 3D printer, is not required, since movement of the working chamber is not required.
  • a holographic volumetric image of the part in the form of zones of increased microwave radiation intensity by means of an interference pattern heating zones are obtained in which the powder is sintered / fused in the required points.
  • the part is obtained by creating a part from the powder simultaneously in all areas of the powder heating, “manifesting” it in the mass of the powder. Then you only need to free the resulting part from the remains of the transit medium and excess powder.
  • Example 2 shows sintering / fusion apparatuses with which it is possible to implement the proposed method using provocation in a given zone of microwave breakdown using a resonator.
  • the work is as follows.
  • At least one specimen is placed in the working chamber (filled with gas or liquid) (not shown conditionally): a hopper-feeder (4), which is a source of powder for synthesizing the part, a carriage of filling-packing (5) of the powder, which provides feeding and laying powder (3) into the working hopper (6), the working hopper (6) with a movable platform (7), which is capable of moving the powder and the product (8) in the vertical direction, as well as the carriage for supplying the resonator (9) (see Fig. 2a, b) to the surface of the powder and the source of microwave radiation (waveguide, antenna, magnetron, etc.) (1).
  • Received part (8). Microwave breakdown zone (10).
  • the backfill carriage (5) having received a portion of the powder from the hopper-feeder (4), puts it in a predetermined layer onto the movable platform (7) in the working hopper (6).
  • the working chamber must be filled with a microwave field (constantly, or in a pulsed mode).
  • the ideal configuration of the microwave field is when a uniform microwave field is created over the entire surface of the upper powder layer in the working chamber, or when a microwave field is created in the working chamber above the upper powder layer (3) only in the region of the resonator (11) and breakdown (10).
  • a rod is shown as a resonator (11), it is fixed to a movable carriage for supplying a resonator (9), the fastening is shown conditionally, the breakdown zone (10) in the case of a solid resonator is small, appears between the end of the resonator (11) (see Fig. 2a) and detail (8).
  • a resonator (11) an object of a special shape can be used, the geometric characteristics of which are calculated and depend on the length waves of used electromagnetic (microwave) radiation (usually a rod, or a split ring, etc.) mounted on a carriage (9), which makes it possible to independently move the resonator along three axes in order to bring it to the surface of the stacked powder layer in any place with given accuracy and abduction from it (see Fig. 2a).
  • microwave electromagnetic
  • a virtual resonator can be used as a resonator (11), which is a controllable ionized channel (ion trail) pierced by ionizing radiation in a transit medium filling the working chamber (6).
  • the emitter of the ionizing beam (12) may be a UV light source or a laser (see Fig. 26, c). In this case, breakdown (10) occurs along the entire length of the ionizing ray falling under the action of the microwave field.
  • FIG. Figure 26 shows the case when the ionizing beam emitter (12) is mounted on the resonator supply carriage (9) (which is shown conditionally), i.e., for example, a round laser is mounted on its movable carriage (9), through the movement of which the ionizing beam is controlled .
  • FIG. 2c shows the case when the ionizing beam can be controlled by deflecting it with a swinging mirror (13), and it can be focused, for example, using optical lenses (14).
  • the microwave field strength in the zone at the end of the resonator increases sharply, which leads to the appearance and development of a microwave breakdown of the transit medium, accompanied by the release of a large amount of heat, which (heat) provides sintering / fusion of powder particles (3) in a transit medium in a given zone.
  • the platform (7) with the powder and the part in the working hopper (6) is lowered, and the backfill carriage (5) lays a new powder layer from the hopper-feeder (4), after which the process is repeated.
  • the movement of the resonator (11) with the microwave breakdown of the proposed process is similar to the movement of the electrode with the arc during electric arc welding, however, unlike the welding electrode, the resonator in the proposed method is not the main source of emission of charged particles and is not subjected to enhanced wear, but the alloyed material it is not transferred through an electric arc and is not sprayed, which positively affects the quality and strength of the products obtained.
  • the ability to control the power of microwave radiation and the gap between the resonator and the surface of the powder allows you to dynamically affect the size of the microwave breakdown zone and, accordingly, the size of the sintering / fusion zone of the powder, which makes it possible to reconstruct large and small elements of the part with a stain of different diameters. This allows you to significantly increase the productivity of the process in comparison with processes where a laser or electron beam is used. This is due to the fact that the laser spot during focusing, unlike the proposed method, cannot be dynamically changed over a wide range.
  • the price of microwave radiation sources is at least two orders of magnitude lower than the price of lasers of the corresponding power, which will make it possible to create massively affordable class devices (the power part of the device as a whole is similar to a household microwave oven, and the mechanical part to an ordinary FDM 3D printer), which will also be facilitated by the absence harmful spurious emissions.

Landscapes

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

Abstract

Способ изготовления детали из порошка относится к области электротехники. В частности, к обработке материалов и получению плоских или объемных изделий как из металла, так и пластика, керамики, металлопластика и металлокермики с помощью СВЧ-нагрева. Назначением является способ, использующий средства нагрева за счет микроволнового излучения для спекания или сплавления материалов, как керамических, пластмасс, так и металлических порошков. Способ включает создание в объеме рабочей камеры СВЧ-поля с мощностью СВЧ-излучения от 100 Вт до 150 МВт и частой от 1 ГГц до 10 ТГц, в зависимости от физических свойств порошка, величины, степени точности и сложности геометрических форм спекаемой (сплавляемой) детали, формирование в созданном СВЧ-поле зон с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения, в которых получают соответствующие зонам с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения зоны разогрева порошка по форме повторяющие точечный или плоский срез (сечение) или пространственный образ детали, интенсивность СВЧ-излучения в этих зонах достаточна для выделения тепловой энергии для разогрева порошка до температуры его спекании/сплавлении с учетом первоначальной температуры порошка, и осуществляют спекание или сплавление порошка и получение детали за счет выделившейся тепловой энергии в зонах разогрева порошка.

Description

ОПИСАНИЕ изобретения
Способ изготовления детали из порошка
Область техники
Способ изготовления детали из порошка относится к области электротехники. В частности, к обработке материалов и получению плоских или объемных изделий как из металла, так и пластика, керамики, металлопластика и металлокермики с помощью СВЧ-нагрева.
Назначением является способ, использующий средства нагрева за счет микроволнового излучения для спекания или сплавления материалов, как керамических, пластмасс, так и металлических порошков.
Предшествующий уровень
Из уровня техники известно изобретение «Способ изготовления шлифовальной головки стоматологического инструмента», патент RU2 005 436, опубл.15.01.1994, МПК А61С 3/02, в котором на абразивную смесь одновременно воздействуют ультразвуком с электромагнитным полем, затем прекращают воздействие. Способ применяют для нанесения абразива на инструмент тонким слоем. Используется при обработке металлов. Однако не ставится задача — получить покрытие сложной формы, поэтому греют все покрытие в целом, обеспечивая его прочную адгезию с инструментом.
Известно изобретение «Способ уплотнения керамических материалов под воздействием сантиметровых электромагнитных волн и сосуд для осуществления этого способа» патент RU2 313 508, опубл.27.12.2006, к.пр. 19.07.2002 (пп.1-6, 11-21) DE 10232818.8;20.11.2002 (пп.7-10) ЕР 02025674.9, МПК С04В 35/64; Н05В 6/6, в котором спекаемый материал подвергают воздействию энергии СВЧ-излучения, испуская в режиме
многомодовой генерации электромагнитные волны с длиной волны в вакууме от 5 до 20 см при мощности электромагнитного излучения вплоть до 1 кВт. Позволяет снизить расходуемую на его осуществление энергию и повысить однородность нагрева спекаемого материала. Однако не ставится задача создания новых изделий, а только осуществляют термическое уплотнение пористых изделий. Способ трудоемкий, так как требует вакуумизации сосуда. Кроме того, может быть применен только для изделий определенной пористости. Требует материала, который обладает малой теплопроводностью и одновременно высоким коэффициентом пропускания сантиметровых волн. Не позволяет задавать нужную геометрическую форму уплотнения, а, следовательно, и не может из порошка «выпекать» изделия требуемой формы. Способ использует диапазон длин волн только от 5 до 20 см и имеет большие ограничения по материалам.
Известно изобретение «Способ спекания керамического изделия большого размера с использованием нагрева микроволновым излучением», патент RU2 315 443, опубл.20.01.2008, МПК Н05В 6/64; Н01В 3/12, в котором микроволновое излучение формируют в виде волнового пучка и используют микроволновое излучение регулируемой мощности с частотой не менее 2,45 ГГц. Относится к способу спекания с помощью СВЧ-нагрева. Позволяет повысить однородность распределения температуры внутри спекаемого изделия большого размера в процессе спекания. Однако позволяет применять этот способ только для изделий большого размера, а также регулирование мощности СВЧ-нагрева при таком способе осуществляется за счет изменения свойства теплопроводности материалов, т.е. искусственно снижают температуру нагрева частиц для равномерного распределения температуры. В отличие от предлагаемого способа, регулирование мощности излучения не позволяет задавать нужную геометрическую форму спекания путем осуществления нагрева в точках, соответствующих геометрии детали.
Известно изобретение «способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления», патент RU2 539 135, опубл.10.09.2013, МПК B22F 3/105, в котором имеется рабочая камера, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка. Это позволяет сканировать заданную область порошкового слоя с малым пятном фокусировки, что позволяет послойно спекать изделие заданной конфигурации. Однако собственно спекание осуществляют лазерным излучением, что приводит к большим энергозатратам и сложности обеспечения температурного режима поверхностного слоя, а также невозможности спекать порошки с высоким коэффициентом светового отражения. В данном способе обеспечивают совмещение источника СВЧ-излучения с областью сканирования лазерным излучением только для предварительного нагрева порошка. СВЧ-излучением воздействуют только на поверхности, облучаемые лазером. Однако совмещение этих двух источников используют только для предварительного нагрева общей массы порошка СВЧ-излучением, так как не могут сфокусировать нагрев СВЧ-излучением в требуемых точках, поэтому собственно непосредственное спекание осуществляют лазером. Таким образом, данный способ позволяет обеспечить температурный режим только поверхностного слоя. Вследствие этого в изделии малый размер пятна облучения и соответственно высокие градиенты температуры в области спекания/плавления приводит к образованию пор и трещин. В результате этого имеет место нарушение однородности схватывания порошка по всему объему насыпки. Кроме того, в данном способе невозможно нагревать порошки с высокой отражающей способностью, так как луч лазера будет отражаться от них.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Устройство для спекания керамического изделия с использованием нагрева микроволновым излучением», патент RU2 334 376, опубл.20.09.2008 Бюл. N° 26, МПК Н05В 6/64, которое и взято за прототип. В данном устройстве имеется соединенная с источником микроволнового излучения камера для спекания. В отличие от предложенного технического решения, в данном изобретении в камеру размещают уже сформированную заготовку (имеющую требуемую форму), которую затем спекают или сплавляют. Поэтому в данном изобретении ставится техническая задача повышения температурной однородности в объеме спекаемого изделия за счет локального перегрева узкой области по краю (периметру) пластины вследствие дифракционных эффектов электромагнитных волн микроволнового диапазона. Однако этот дифракционный эффект используют для борьбы с потерями тепла с поверхности спекаемого изделия. Неоднородное распределение температуры в изделии как фактор для формирования нужной конфигурации детали не используется, а с ним борются. В предложенном способе существенно усложняют процесс спекания в результате необходимости сложного расчета и регулировки соотношений между энергией, выделяемой при поглощении микроволнового излучения в заготовке спекаемого изделия, и энергией, выделяемой в поглощающем кожухе.
Раскрытие изобретения
Изобретательской задачей предложенного технического решения является создание способа изготовления детали из порошка с использованием СВЧ-излучения.
Требуется получать детали сложной формы, как плоские, так и объемные. Для этого в настоящее время используют 3 D-принтеры, например, путем наплавления проволоки, где между поверхностью и подающей головкой прикладывают электрический ток. Однако такой способ можно применять только для получения металлических изделий, и при этом получают низкую точность, не выше, чем 2-3 диаметра проволоки, и, кроме того, присадочный материал (металл проволоки) транспортируется через электрическую дугу, что вызывает его разбрызгивание.
В других известных методах нанесение материала на деталь осуществляют в виде порошка послойно с последующим его нагревом в заданных точках. Спекание
5 осуществляют, например, методом селективного лазерного спекания (SLS). В этом случаем можно нагреть порошок до состояния спекания, но не плавления, в результате чего получают деталь не точной, рыхлой (2-3 размера частиц порошка) и не прочной. Если греть порошок методом селективной лазерной плавки (SLM) до состояния плавления, тогда деталь будет прочнее, однако в процессе плавки образуется0 микрованна из расплавленного материала, что приводит к высоким не скомпенсированным термическим напряжениям, искажениям формы и обрастанию в этом месте детали «шубой» из прилипшего порошка, что также снижает точность детали. Кроме того, при нагреве лазером энергия для разогрева передается светом (длиной волны в диапазоне ИК спектра), этот процесс имеет очень низкий КПД иБ производительность (из-за малого диаметра пятна фокусировки и ограничения по максимальной плотности энергии условиям оптического пробоя), кроме того эффективность нагрева будет сильно зависеть от отражающей способности, формы, и даже ориентации частиц порошка. Если поверхность частицы хорошо отражает лазерный луч, то нагрева не произойдет. Это особенно актуально для металлических0 порошков.
Используют также метод ЕВМ (селективная плавка пучком электронов), в котором нагрев частиц порошка осуществляется за счет удара пучка электронов. При использовании этого метода деталь получают плотной и прочной, прочность сходна с прочностью при литье, однако остается проблема налипания близлежащих частиц в5 виде «шубы» и очень низкая производительность (большой диаметр пучка не получить), зато отражающая способность и ориентация частиц порошка не играют значения, так как энергию передают через кинетический удар одних частиц (например, электронов) о другие частицы (порошка). Этот метод можно реализовать с помощью электронно-лучевой пушки, в которой образуется поток электронов. Однако длина0 свободного пробега электронов в воздухе не превосходит 2,5мм, следовательно, придется ваукумизировать всю рабочую камеру, в которой получают деталь. Поэтому такой метод для промышленного производства очень дорог и сложен. Кроме того, в процессе плавки, на больших мощностях, при торможении пучка электронов помимо тепла часть их энергии переходит в рентгеновское изучение, что вредно для персонала. Следовательно, возникает необходимость помимо герметизации камеры обеспечивать биологическую защиту от радиации. Поэтому не достигается получение прочной, точной детали сложной формы из порошка при высокой энергоэффективности этого способа с одновременным формированием геометрии детали.
Требуется создать метод получения детали из порошка с хорошими прочностными характеристиками и точную при конфигурациях детали любой сложности. Кроме того, требуется обеспечить при способе спекания или сплавления нагрев частиц порошка в заданных точках при отсутствии чувствительности метода к отражающей способности материала, форме и ориентации частиц.
Требуется обеспечить возможность оперативно изменять размер зоны нагрева для повышения производительности и скорости спекания/расплава в зоне нагрева, которая обеспечит объемный нагрев в данной зоне без конвективного переноса тепла в соседние зоны, что ведет к образованию «шубы».
Необходимо обеспечить спекание или сплавление частиц по выбору в зависимости от регулировки мощности, обеспечивающей требуемую прочность детали сложной плоской или объемной формы. Кроме того, требуется обеспечить возможность использования предложенного метода благодаря его дешевизне и низкой энергоемкости не только в промышленном производстве, но и в домашних условиях, поскольку метод должен быть безопасен, прост и дешев в употреблении. Более того, желательно на одной и той же установке обеспечить возможность сплавления/спекания любых порошков, например, металла, пластика, керамики и т.п.
Предложенный способ решает поставленные задачи при его реализации. Таким образом, предложенным способом достигают технического результата в виде получения прочной, точной детали сложной формы из порошка, состоящего как из материала диэлектрика, так и из токопроводящих материалов, при высокой энергоэффективности этого способа.
Данный технический результат достигают следующим образом. Способ изготовления детали из порошка, включает размещение порошка с размером частиц не более 1мм в рабочую камеру с воздушной, газовой, жидкой или твердой транзитной средой с СВЧ-полем. Отличает данный способ от известных, что обеспечивает его новизну то, что размер частиц порошка взят не более 1мм. Порошок может быть размещен в воздушную, газовую, жидкую или твердую среду. Важно, чтобы либо данная среда, либо сам порошок имел полярные молекулы. Осуществляют воздействие на порошок зонами повышенной интенсивности СВЧ-излучения. Новизна способа заключается в том, чтобы создать в объеме рабочей камеры СВЧ-поле с мощностью СВЧ-излучения от 100 Вт до 150 МВт и частой от 1ГТц до 10 ТГц, в зависимости от физических свойств порошка, величины, степени точности и сложности геометрических форм спекаемой/сплавляемой детали. При этом осуществляют формирование в созданном СВЧ-поле зон с повышенной интенсивностью СВЧ- излучения, в которых получают соответствующие зонам с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения зоны разогрева порошка по форме повторяющие точечный или плоский срез (сечение) или пространственный образ детали. Интенсивность СВЧ-излучения в этих зонах достаточна для выделения тепловой энергии для разогрева порошка до температуры его спекания/сплавления с учетом первоначальной температуры порошка и осуществляют спекание или сплавление порошка и получение детали за счет выделившейся тепловой энергии в зонах разогрева порошка.
Важно, чтобы в созданных зонах разогрева порошка нагрев осуществлялся достаточно быстро для того, чтобы конвективный перенос тепла в соседние зоны не успел оказать существенного влияния. Для этого обеспечивают регулирование (получение) мощности СВЧ-излучения в зоне нагрева.
Варианты осуществления изобретения
В частном случае, как пример реализации предложенного обобщенного способа может быть применен способ изготовления детали из порошка, в котором повышенную интенсивность СВЧ-излучения, достаточную для разогрева порошка до температуры спекания/сплавления получают при выделении тепловой энергии в результате поглощения СВЧ-излучения в зонах повышенной интенсивности. Расположение этих зон соответствует голографическому объемному образу детали и задается (определяется) интерференционной матрицей, а интерференционная матрица представляет собой облучаемую СВЧ-излучением пластину с запрограммированным голографическим интерференционным образом получаемой детали и размещена в рабочей камере относительно источника СВЧ-излучения так, чтобы СВЧ-излучение падало и освещало интерференционную матрицу или проходило сквозь нее.
Во втором частном случае способа изготовления детали из порошка тепловую энергию получают посредством провоцирования в заданной зоне СВЧ-пробоя, являющейся зоной разогрева порошка. Разогрев в этом случае происходит при повышении в этой зоне (пробоя) напряженности СВЧ-поля выше критической. Повышение напряженности вызывают путем подведения к этой зоне либо виртуального резонатора, полученного путем фокусировки ионизирующего ультрафиолетового (УФ) светового/лазерного потока с помощью линзы, либо подведения к этой зоне твердого резонатора специальной формы. Резонатором может выступать, например, любой предмет удлинённой формы, либо предмет в форме разрезного кольца. Размер резонатора выбирают в зависимости от длины волны. А длину волны выбирают в зависимости от степени детализации (разрешающей способности печати) спекаемой/сплавляемой детали. При этом, по меньшей мере, один резонатор перемещают в пространстве над соответствующим слоем порошка, создавая (организовывая) зоны разогрева порошка, в которых осуществляют спекание/сплавление порошка в точках (зонах), соответствующих геометрическому месту точек заданного плоского слоя (сечения) объемной детали.
В контексте данной заявки применяют следующую терминологию.
Голографический интерференционный образ детали - это плоская картина на пластине или голографической матрице, предназначенная для восстановления объемного образа детали при облучении опорным СВЧ-излучением, представляющая из себя набор интерференционных («темных» и «светлых») полос.
Голографический объемный образ детали - объемное изображение (голограмма), эквивалент детали, представляющий собой вариации интенсивности и фазы СВЧ-излучения в пространстве рабочей камеры.
Под термином голография в данном контексте понимают метод восстановления с помощью излучения объемного образа по его интерференционной картине независимо от использованного вида излучения, в частном случае, с использованием СВЧ-излучения.
Под термином транзитная среда понимают газ, жидкость, другой порошок, гель или что-то иное (наполнитель), в котором размещают порошок, из которого получают деталь.
Порошок— рабочий материал, из которого формируют деталь.
Под термином разрешение— применено понятие аналогичное оптической разрешающей способности, т.е. минимально возможного размера отдельных зон разогрева в объеме или на плоскости.
СВЧ-излучение, так же как и террагерцовое излучение, представляет собой электромагнитное излучение, т.е. совокупность волн, колебания в которых совершают напряжённость электрического и магнитного полей. Электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля, поток которой определяется величиной вектора Пойнтинга.
При этом интенсивность электромагнитного излучения равна усреднённому за период значению модуля вектора Пойнтинга. Таким образом в рассматриваемом случае интенсивность - это скалярная физическая величина, количественно характеризующая мощность, переносимую волной в направлении распространения. Численно интенсивность равна усреднённой за период колебаний волны мощности излучения, проходящей через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны и имеет размерность в системе СИ Вт/м2.
Предложенным способом осуществляют организацию объемного поглощения микроволновой энергии внутри массы порошка в зонах повышенной интенсивности СВЧ-излучения, где в массе порошка организован и находится независимый источник лучевого нагрева без конвективного переноса на соседние зоны.
Такие зоны характеризуются микроволновым нагревом, который обусловлен объемным поглощением микроволновой энергии большинством материалов либо самого порошка, либо той среды, в которой порошок размещен. Микроволновый нагрев отличается двумя основными особенностями. Предложенный результат достигается за счет того, что, с одной стороны, при поглощении микроволновой энергии во всем объеме изделия отсутствует необходимость в передаче тепла за счет теплопроводности, с другой стороны, скорости нагрева микроволновым излучением возможно существенно увеличивать.
Предложенный способ реализовывается следующим образом.
В рабочей камере размещают порошок с размером частиц не более 1мм. Порошок может быть в транзитной среде из любого газа или жидкости. Порошок также может размещаться в твердой транзитной среде. Например, быть в сочетании с другим порошком, заключен в твердом теле, или просто заполнять всю рабочую камеру только порошком, из которого изготавливают изделие. Основным является наличие хотя бы у одного из компонентов полярных молекул, обеспечивающих поглощение СВЧ-излучения и выделение тепла. Наилучший результат получают, если порошок в транзитной среде размещен равномерно. В рабочей камере с помощью источника, например, мазера, магнетрона или клистрона и т.п. создают СВЧ-поле с мощностью СВЧ-излучения от 100 Вт до 150 МВт и частой от 1ГГц до ЮТГц. Мощность потребного СВЧ-излучения зависит от физических свойств порошка, например его тугоплавкости, а также от величины получаемой детали. Поскольку известно, что длина волны определяет разрешающую способность, а длина волны СВЧ-излучения зависит от частоты, то чем ниже частота — тем больше размер минимально- возможного элемента детали, и соответственно ниже точность. Для изготовления более сложных и точных деталей требуется длина волны меньше, что достигается большей частотой. Далее СВЧ-излучение требуется «сфокусировать» в тех точках (зонах), в которых спеченные/сплавленные частицы порошка будут соответствовать геометрическим формам получаемой детали. Для этого требуется управлять зонами с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения путем увеличения в этих зонах интенсивности СВЧ поля, что приведет к увеличенному выделению тепла в этих зонах. Повышение интенсивности СВЧ-излучения в нужных зонах получают за счет использования эффектов волновой оптики - интерференции и дифракции электромагнитных волн, где два и более вектора распространения волн складываются в одном направлении и в той степени, в которой эти направления совпадают. Картина зон с повышенной интенсивность СВЧ-излучения в рабочей камере с порошком и транзитной средой должна соответствовать геометрии детали. Тогда внутри массы частиц порошка, возникнут зоны повышенной интенсивности СВЧ-излучения, в которых за счет объемного поглощения микроволновой энергии возникнут зоны повышенного тепловыделения, которые разогреют порошок до температуры достаточной для спекания или сплавления ближних частиц порошка без конвективного переноса тепла на соседние зоны порошка. При этом в соседних зонах порошка температура нагрева не будет достаточной, чтобы спечь/сплавить порошок, т.е. не будет слипания частиц в этих зонах. Если материал порошка недостаточно энергоемкий, то зона разогрева образовывается за счет энергоемкости транзитной среды в этой зоне. Таким образом, влияя на геометрические характеристики (фазу, амплитуду, направление поляризации, вращение и прочие волновые характеристики) поля СВЧ-излучения в этих точках, повышение температуры будет только в нужной точке, а вокруг нее интенсивность излучения будет недостаточной для спекания/сплавления.
Наиболее точные и сложные по конфигурации детали можно получить при обеспечении разрешения меньше миллиметра, т.е. для таких деталей необходимо использовать электромагнитное излучение в террагерцовом диапазоне.
Необходимую геометрию зон разогрева можно создать с помощью интерференционной матрицы по аналогии с технологиями получения голограммы (голографических образов). Поскольку законы волнового распространения и взаимодействия едины для всех видов и длин волн любого диапазона (и для видимого диапазона частот, и для радиочастот, и для рентгеновских частот, а также и для СВЧ частот), так как все они являются электро- магнитными волнами, то принципы голографического построения образов применимы и к лазерному излучению и к СВЧ-излучению.
Краткое описание чертежей
Способ иллюстрируется чертежами, которые не охватывают всех возможных вариантов реализации способа.
На Фиг. 1 — показан аппарат спекания/сплавления, с помощью которого возможно реализовать предложенный способ с использованием голографического объемного образа детали;
На Фиг. 2— показаны аппараты спекания/сплавления, с помощью которых возможно реализовать предложенный способ с использованием провоцирования в заданной зоне СВЧ-пробоя с помощью резонатора; 2а - аппарат с физическим резонатором на каретке; 26 - аппарат с виртуальным резонатором на каретке; 2в - аппарат с виртуальным резонатором с отклоняющей оптической системой;
Ниже приведены примеры двух вариантов реализации, но они не охватывают всех возможных примеров реализации данного способа.
Пример 1. На Фиг. 1 показан аппарат спекания/сплавления, с помощью которого возможно реализовать предложенный способ с использованием голографического объемного образа детали.
Промышленная применимость
Работа осуществляется следующим образом.
В качестве рабочей камеры (условно не показана) взята камера подобная стандартной печи СВЧ для производственного или потребительского нагрева с помощью СВЧ-излучения в зависимости от величины спекания, ее физических свойств и сложности и точности геометрии изготавливаемой детали. В ней размещен источник (1) необходимой мощности СВЧ-излучения и частоты, создающий в рабочей камере СВЧ-поле заданной напряженности, например, волновод, мазер, магнитрон, клистрон и т.п. СВЧ-излучение проходит через интерференционную матрицу (2) (содержащую голографический интерференционный образ детали), с помощью шторой в части рабочей камеры, содержащей транзитную среду с порошком (3), создается голографический объемный образ детали. При этом не требуется механической части, например, 3D принтера, поскольку перемещения рабочей камеры не требуется. За счет получения в среде рабочей камеры (не только в транзитной среде, но и в порошке) (3) голографического объемного образа детали в виде зон повышенной интенсивности СВЧ-излучения посредством интерференционной картины, получают зоны нагрева, в которых порошок спекается/сплавляется в требуемых точках. Деталь получают за счет создания детали из порошка одновременно во всех зонах нагрева порошка, «проявления» ее в массе порошка. Затем требуется только освободить полученную деталь от остатков транзитной среды и лишнего порошка.
Пример 2. На Фиг. 2 показаны аппараты спекания/сплавления, с помощью которых возможно реализовать предложенный способ с использованием провоцирования в заданной зоне СВЧ-пробоя с помощью резонатора.
Работа осуществляется следующим образом.
В рабочей камере (заполненной газом или жидкостью) (условно не показана), размещают как минимум по одному экземпляру: бункер-питатель (4), который является источником порошка для синтеза детали, каретку засыпки-укладки (5) порошка, обеспечивающую подачу и укладку порошка (3) в рабочий бункер (6), рабочий бункер (6) с подвижной платформой (7), которая способна перемещать порошок и изделие (8) в вертикальном направлении, а так же каретку подвода резонатора (9) (см. Фиг. 2а,б) к поверхности порошка и источник СВЧ-излучения (волновод, антенну, магнетрон и т.п.) (1). Получаемая деталь (8). Зона СВЧ-пробоя (10). Резонатор (11).
Каретка засыпки-укладки (5) получив из бункера-питателя (4) порцию порошка выкладывает его заданным слоем на подвижную платформу (7) в рабочем бункере (6).
Рабочая камера должна быть заполнена СВЧ-полем (постоянно, либо в импульсном режиме). Идеальным вариантом конфигурации СВЧ-поля является случай, когда над всей поверхностью верхнего слоя порошка в рабочей камере создано равномерное СВЧ-поле, либо когда СВЧ-поле создается в рабочей камере над верхним слоем порошка (3) только в области резонатора (11) и пробоя (10).
На Фиг. 2а в качестве резонатора (11) показан стержень, он закреплен к подвижной каретке подвода резонатора (9), крепление показано условно, зона пробоя (10) в случае твердого резонатора маленькая, возникает между концом резонатора (11) (см. Фиг. 2а) и деталью (8).
В качестве резонатора (11) может быть использован предмет специальной формы, геометрические характеристики которого рассчитаны и зависят от длины волны используемого электромагнитного (СВЧ) излучения (обычно стержень, либо разрезное кольцо и т.п.), закрепленный на каретке (9), обеспечивающей возможность независимого перемещения резонатора по трем осям с целью его подведения к поверхности уложенного слоя порошка в любом его месте с заданной точностью и отведения от нее (см. Фиг. 2а).
На Фиг. 26, в показаны случаи, когда в качестве резонатора (11) может быть использован виртуальный резонатор, представляющий собой управляемый ионизированный канал (ионный след), пробитый при помощи ионизирующего излучения в заполняющей рабочую камеру (6) транзитной среде. Излучателем (12) ионизирующего луча может быть источник УФ света или лазер (см. Фиг. 26, в). В этом случае пробой (10) возникает по всей длине попадающего под действие СВЧ-поля ионизирующего луча.
На Фиг. 26 показан случай, когда излучатель (12) ионизирующего луча крепится на каретке подвода резонатора (9) (которая показана условно), т.е., например, круглый лазер закреплен на своей подвижной каретке (9), посредством движения которой происходит управление ионизирующим лучом.
На Фиг. 2в показан случай, когда ионизирующим лучом можно управлять посредством его отклонения качающимся зеркалом (13), а его фокусировку можно осуществлять, например, с помощью оптических линз (14).
Далее по тексту все типы резонаторов обозначены как просто резонатор (11).
В результате подведения резонатора (11) в нужную зону вблизи поверхности порошка напряженность СВЧ-поля в зоне на конце резонатора (между резонатором (11) и порошком (3)) резко возрастает, что приводит к возникновению и развитию СВЧ- пробоя транзитной среды, сопровождающемуся выделением большого количества тепла, которое (тепло) и обеспечивает спекание/сплавление частиц порошка (3) в транзитной среде в данной зоне. Помещением резонатора (11) в нужные места обеспечивается геометрическое место точек зон спекания/сплавления порошка, совокупность которых вместе будет представлять собой плоское сечение изготавливаемой детали в конкретном слое.
После завершения процесса спекания/сплавления слоя детали, платформа (7) с порошком и деталью в рабочем бункере (6) опускается, и каретка засыпки-укладки (5) укладывает новый слой порошка из бункера-питателя (4), после чего процесс повторяется. Перемещение резонатора (11) с СВЧ-пробоем предлагаемого процесса подобно перемещению электрода с дугой при электро-дуговой сварке, однако, в отличие от сварочного электрода, резонатор в предложенном способе не является основным источником эмиссии заряженных частиц и не подвергается усиленному износу, а сплавляемый материал не переносится через электрическую дугу и не разбрызгивается, что положительно сказывается на качестве и прочности получаемых изделий.
Дополнительным положительным фактором является возникновение в зоне СВЧ-пробоя (представляющего собой разновидность электрического разряда) Пинч- эффекга, основанного на взаимном притяжении параллельных электрических токов силами Ампера, который в свою очередь, обеспечивает дополнительное взаимное сжатие (уплотнение) частиц порошка в плоскости, перпендикулярной направлению движения тока, приводит к тому, что существенно повышается плотность и прочность спекаемой/сплавляемой детали в сравнении с методами SLS/SLM/EBM.
Конвективным теплообменом процесс так же сопровождаться не будет, поскольку в соседних зонах до температуры спекания/сплавления порошок не разогреется, следовательно, «шуба» образовываться не будет.
Возможность регулирования мощности СВЧ-излучения и зазора между резонатором и поверхностью порошка позволяет динамически влиять на размеры зоны СВЧ-пробоя и, соответственно, размеры зоны спекания/сплавления порошка, чем достигается возможность без перенастройки оборудования выполнять крупные и мелкие элементы детали пятном разного диаметра. Это позволяет в разы поднять производительность процесса в сравнении с процессами, где используется лазер или электронный луч. Это обусловлено тем, что пятно лазера при фокусировке, в отличие от предложенного способа, в широких пределах динамически менять не получится.
Цена источников СВЧ-излучения минимум на два порядкам меньше цены лазеров соответствующей мощности, что позволит создавать аппараты массово доступного по цене класса (силовая часть устройства в целом аналогично бытовой микроволновой печи, а механическая - обычному FDM 3D принтеру), чему так же будет способствовать отсутствие вредных побочных излучений.

Claims

ФОРМУЛА изобретения Способ изготовления детали из порошка
1. Способ изготовления детали из порошка, включающий размещение порошка с размером частиц не более 1мм в воздушную, газовую, жидкую или твердую транзитную среду с СВЧ-полем, которые размещены в рабочей камере, воздействие на порошок зонами повышенной интенсивности СВЧ-поля отличающийся тем, что способ включает создание в объеме рабочей камеры СВЧ-поля с мощностью СВЧ- излучения от 100 Вт до 150 МВт и частой от 1ГГц до 10 ТГц, в зависимости от физических свойств порошка, величины, степени точности и сложности геометрических форм спекаемой детали, формирование в созданном СВЧ-поле зон с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения, в которых получают соответствующие зонам с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения зоны разогрева порошка по форме повторяющие точечный или плоский срез или пространственный образ детали, интенсивность СВЧ-излучения в этих зонах достаточна для выделения тепловой энергии для разогрева порошка до температуры его спеканиия с учетом первоначальной температуры порошка, и осуществляют спекание или сплавление порошка и получение детали за счет выделившейся тепловой энергии в зонах разогрева порошка.
2. Способ изготовления детали из порошка по п. 1, отличающийся тем, что достаточная для разогрева порошка до температуры спекания тепловая энергия, выделяется в результате поглощения СВЧ-излучения в зонах повышенной интенсивности, расположение которых соответствует голографическому объемному образу детали и задается интерференционной матрицей, интерференционная матрица представляет собой облучаемую СВЧ-излучением пластину с запрограммированным голографическим интерференционным образом получаемой детали и размещена в рабочей камере относительно источника СВЧ-излучения так, чтобы СВЧ-излучение освещало интерференционную матрицу или проходило сквозь нее.
3. Способ изготовления детали из порошка по п. 1, отличающийся тем, что тепловую энергию получают посредством провоцирования в заданной зоне СВЧ- пробоя, являющейся зоной разогрева порошка, который происходит при повышении в этой зоне напряженности СВЧ-поля выше критической, повышение напряженности вызывают путем подведения к этой зоне либо виртуального резонатора, полученного путем фокусировки ионизирующего светового или лазерного потока линзой, либо твердого резонатора, при этом, по меньшей мере, один резонатор перемещают в пространстве над соответствующим слоем порошка создавая зоны разогрева порошка, в которых осуществляют спекание или сплавление порошка в точках, соответствующих геометрическому месту точек заданного плоского слоя объемной детали.
PCT/RU2019/000609 2018-09-06 2019-09-02 Способ изготовления детали из порошка WO2020050747A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA3129385A CA3129385A1 (en) 2018-09-06 2019-09-02 Method for manufacturing a part from powder
EP19857749.6A EP3852494B1 (en) 2018-09-06 2019-09-02 Method for manufacturing a part from powder
US17/272,729 US11897192B2 (en) 2018-09-06 2019-09-02 Method for manufacturing a part from powder

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018132075A RU2699761C1 (ru) 2018-09-06 2018-09-06 Способ изготовления детали из порошка
RU2018132075 2018-09-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020050747A1 true WO2020050747A1 (ru) 2020-03-12

Family

ID=67851982

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000609 WO2020050747A1 (ru) 2018-09-06 2019-09-02 Способ изготовления детали из порошка

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11897192B2 (ru)
EP (1) EP3852494B1 (ru)
CA (1) CA3129385A1 (ru)
RU (1) RU2699761C1 (ru)
WO (1) WO2020050747A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024068780A1 (en) * 2022-09-27 2024-04-04 Innomaq 21, S.L. Method for the volumetric printing through holograms using high wavelength radiation

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2005436C1 (ru) 1990-05-31 1994-01-15 Сергей Иванович Сухонос Способ изготовления шлифовальной головки стоматологического инструмента
US6891140B2 (en) * 2000-10-19 2005-05-10 Gifu Prefecture Sintering furnace, method of manufacturing sintered objects, and sintered objects
RU2313508C2 (ru) 2002-07-19 2007-12-27 Фита Цанфабрик Х.Раутер Гмбх Энд Ко. Кг Способ уплотнения керамических материалов под воздействием сантиметровых электромагнитных волн и сосуд для осуществления этого способа
RU2315443C1 (ru) 2006-06-22 2008-01-20 Институт прикладной физики РАН Способ спекания керамического изделия большого размера с использованием нагрева микроволновым излучением
RU2334376C2 (ru) 2006-10-17 2008-09-20 Институт прикладной физики РАН Устройство для спекания керамического изделия с использованием нагрева микроволновым излучением
RU2539135C2 (ru) 2012-02-27 2015-01-10 Юрий Александрович Чивель Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4822966A (en) * 1987-02-20 1989-04-18 Yuzuru Matsubara Method of producing heat with microwaves
US6004505A (en) * 1996-07-26 1999-12-21 Dennis Tool Corporation Process and apparatus for the preparation of particulate or solid parts
US6011248A (en) * 1996-07-26 2000-01-04 Dennis; Mahlon Denton Method and apparatus for fabrication and sintering composite inserts
US20150054204A1 (en) * 2013-08-26 2015-02-26 Escape Dynamics Inc. Additive Manufacturing Microwave Systems And Methods
US9643361B2 (en) * 2014-05-27 2017-05-09 Jian Liu Method and apparatus for three-dimensional additive manufacturing with a high energy high power ultrafast laser
DE102015211538A1 (de) * 2015-06-23 2016-12-29 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Bauzylinder-Anordnung für eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte
EP3258219A1 (en) * 2016-06-15 2017-12-20 Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA In-situ and real time quality control in additive manufacturing process
US11077618B2 (en) * 2017-03-22 2021-08-03 Nxt Factory Inc. Method and apparatus for forming a three-dimensional article by fusion of a powdered medium in a powder bed

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2005436C1 (ru) 1990-05-31 1994-01-15 Сергей Иванович Сухонос Способ изготовления шлифовальной головки стоматологического инструмента
US6891140B2 (en) * 2000-10-19 2005-05-10 Gifu Prefecture Sintering furnace, method of manufacturing sintered objects, and sintered objects
RU2313508C2 (ru) 2002-07-19 2007-12-27 Фита Цанфабрик Х.Раутер Гмбх Энд Ко. Кг Способ уплотнения керамических материалов под воздействием сантиметровых электромагнитных волн и сосуд для осуществления этого способа
RU2315443C1 (ru) 2006-06-22 2008-01-20 Институт прикладной физики РАН Способ спекания керамического изделия большого размера с использованием нагрева микроволновым излучением
RU2334376C2 (ru) 2006-10-17 2008-09-20 Институт прикладной физики РАН Устройство для спекания керамического изделия с использованием нагрева микроволновым излучением
RU2539135C2 (ru) 2012-02-27 2015-01-10 Юрий Александрович Чивель Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3852494A4

Also Published As

Publication number Publication date
US20210362403A1 (en) 2021-11-25
CA3129385A1 (en) 2020-03-12
EP3852494A4 (en) 2022-08-03
US11897192B2 (en) 2024-02-13
EP3852494A1 (en) 2021-07-21
RU2699761C1 (ru) 2019-09-10
EP3852494B1 (en) 2023-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7128308B2 (ja) 付加製造における、層別加熱、ライン別加熱、プラズマ加熱、及び複数の供給材料
US20150054204A1 (en) Additive Manufacturing Microwave Systems And Methods
US20160230283A1 (en) Fused Material Deposition Microwave System And Method
US20170304895A1 (en) Additive manufacturing apparatus and method
US20170021418A1 (en) Additive manufacturing with pre-heating
US20190366480A1 (en) Additive manufacturing with metal wire
US11117194B2 (en) Additive manufacturing having energy beam and lamp array
WO2013080030A1 (ru) Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления
RU2699761C1 (ru) Способ изготовления детали из порошка
WO2020245633A1 (en) Additive manufacturing system with metal wire
CN115135485A (zh) 粉末床的预热
US20230330750A1 (en) Method of operating an irradiation system, irradiation system and apparatus for producing a three-dimensional work piece with polarization control
Joshi et al. Metal Additive Manufacturing Processes–Laser and Electron Beam Powder Bed Fusion
WO2024088451A1 (en) Nanoparticle printing method and nanoparticle printing device
CZ36570U1 (cs) Zařízení pro nanotisk z nanočástic
CZ2022444A3 (cs) Způsob nanotisku z nanočástic a zařízení pro nanotisk z nanočástic
TW202202320A (zh) 材料電漿融合的發射器及方法
KR20030083134A (ko) 미세 입자의 제조 방법 및 그 장치

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19857749

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019857749

Country of ref document: EP

Effective date: 20210406

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 3129385

Country of ref document: CA