Способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения изделий из порошков путем послойного лазерного спекания. Может использоваться для получения композиционных изделий сложной конфигурации. Порошкообразный материал подают с помощью дозатора-контейнера, выполненного в виде комплекта ячеек с выходными отверстиями, диаметр которых выбран так, чтобы исключить выпадение гранул порошкообразного материала из ячеек за счет сил статического трения в пределах (3-10)×d, где d - диаметр гранул порошкообразного материала. Подачу порошкообразного материала проводят вибрационным воздействием в вертикальном направлении на каждую из ячеек дозатора-контейнера с регламентированной частотой. Средство уплотнения порошкообразного материала в виде ролика перемещают по базовой поверхности, осуществляя при этом прессование порошкообразного материала. Лазер в соответствии со сформированной по компьютерной модели траекторией движения перемещают в заданное положение, осуществляя плавление порошкообразного материала и формируя при этом функциональный слой изделия заданной толщины. Обеспечивается возможность подачи порошковых материалов различных сортамента и фракции, что в итоге позволяет расширить его технологические возможности. 5 ил., 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к способу получения материальных объектов из порошков лазерным плавлением и может быть использовано для получения композиционных изделий сложной конфигурации из различных порошковых материалов, например биметаллические изделия, изделия с каналами из другого материала и т.п.

Из уровня техники известен способ изготовления изделий из порошковых материалов, заключающийся в прессовании порошкового материала в пресс-формах (Кипарисов С.С. и Либенсон Г.А. «Порошковая металлургия». - М.: Металлургия, 1991 г., стр.289).

Недостатком известного способа является тот факт, что для каждого типоразмера изделия необходимо изготавливать индивидуальную пресс-форму сложной конструкции из дорогостоящих инструментальных сталей и твердых сплавов, что повышает стоимость изделий. Конструктивные особенности пресс-формы не позволяют получать изделия сложной конфигурации, имеющие внутренние полости переменного сечения, закрытые полости и т.п. Все это вместе ограничивает технологические возможности известного способа.

Известно также устройство для получения объемных изделий, в котором описан способ, заключающийся в формировании изделия путем подачи порошка приспособлением в рабочее пространство над технологической платформой с дальнейшим его лазерным спеканием (Патент РФ №2299787, B22F 3/105, 2004 г.).

Недостатками известного способа являются также невозможность изготовления композиционных изделий из различных видов порошковых материалов.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является способ изготовления градиентных материалов из порошков, заключающийся в последовательном нанесении на технологическую платформу слоев из различных материалов и селективном спекании заданной области каждого слоя (Патент РФ №2401180, B22F 3/105, 2008 г.).

Недостатком известного технического решения является невозможность получения изделия, содержащее части из различных материалов в наносимом слое за один проход, что сокращает сортамент получаемых изделий.

Технический результат заявленного способа заключается в обеспечении возможности подачи в заданную область плавления порошковых материалов, различных сортамента и фракции, что в итоге позволяет расширить его технологические возможности по сравнению с известным способом.

Поставленный технический результат достигается посредством того, что в способе изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов, заключающемся в плавлении посредством воздействия лазерного излучения на порошкообразный материал, послойно подаваемого из программно организованного и ортогонально установленного по отношению к плоскости формирования функциональных слоев изделия дозатора-контейнера на заданные участки рабочей поверхности регулируемой технологической платформы, которые идентичны участкам на поперечных разрезах предварительно сформированной посредством заданной программы трехмерной компьютерной модели изделия, согласно изобретению дозатор-контейнер выполняют ячеистым, в каждой ячейке которого формируют выходное отверстие, а подачу порошкообразного материала осуществляют посредством вибрационного воздействия в вертикальном направлении на каждую из ячеек дозатора-контейнера с технологически регламентированной частотой, обеспечивающей в зоне выходного отверстия виброкипящий слой порошкообразного материала, при этом диаметр «D» выходного отверстия выполняют в пределах (3-10)×d, где d - диаметр гранул порошкообразного материала.

Способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 схематично изображено устройство для осуществления способа для изготовления изделий из порошкообразных материалов;

- на фиг.2 - вид сверху устройства по фиг.1;

- на фиг.3 изображен дозатор-контейнер;

- на фиг.4 изображена общая схема устройства в трехмерном формате для осуществления заявленного способа;

- на фиг.5 изображен дозатор-контейнер в трехмерном формате.

Заявленный способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов осуществляется следующим образом.

В начале технологического процесса изготовления изделия посредством заданной программы создается трехмерная компьютерная модель изделия (далее - 3D-модель), разделенная на множество поперечных сечений. Каждое из указанных поперечных сечений соответствует (идентично) функциональному слою изделия в конкретном его сечении, т.е. устанавливаются границы участков на технологической платформе 1, на которые будет наноситься порошкообразный материал 2.

Достигается это процессом следующих взаимосвязанных действий.

Технологическая платформа 1, которую выполняют с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения, смещают вниз относительно базовой поверхности 3 основания 4 на расстояние, равное толщине наносимого слоя порошкообразного материала 2 в пределах нескольких десятков микрон. Затем порошкообразный материал 2 наносят тонким слоем на соответствующие вышеуказанные участки рабочей поверхности 5 технологической платформы 1. Распределение порошкообразного материала 2 осуществляют дозатором-контейнером 6, который выполняют в виде комплекта ячеек 7 с выходными отверстиями 8, диаметр которых выбирают из условия, исключающего выпадение гранул порошкообразного материала 2 из ячеек 7 за счет сил статического (сухого) трения. Экспериментальным путем установлено, что диаметр "D" выходного отверстия 8 в ячейках 7 дозатора-контейнера 6 необходимо выполнять исходя из следующей зависимости D=(3-10)×d, где d - диаметр гранул порошкообразного материала 2, что подтверждается примерами, представленными в таблице.

Дозировку порошкообразного материала 2 проводят посредством вибрационного воздействия в вертикальном направлении на каждую из ячеек 7 дозатора-контейнера 6 с регламентированной частотой, за счет вибрационного воздействия на порошкообразный материал 2, например пьезокристаллов 9, создавая при этом в зоне выходного отверстия 8 виброкипящий слой порошкообразного материала 2. Вибрационное воздействие в пьезокристаллах 9 проводят в момент, когда соответствующая ячейка 7 дозатора-контейнера 6 расположена над соответствующим участком рабочей поверхности 5 технологической платформы 1. Т.е. происходит процесс дозированной подачи порошкообразного материала 2. Далее дозатор-контейнер 6 перемещают в свое первоначальное положение, и средство уплотнения порошкообразного материала 2 в виде ролика 10 перемещают по базовой поверхности 3, осуществляя при этом прессование порошкообразного материала 2 (с небольшим усилием для увеличения однородности слоя порошкообразного материала 2 и уменьшения его пористости).

Далее лазер 11 в соответствии со сформированной по компьютерной модели траекторией движения перемещают в заданное положение, и он осуществляет плавление порошкообразного материала 2 на соответствующих участках рабочей поверхности 5, формируя при этом функциональный слой 12 изделия заданной толщины. В этих зонах порошкообразный материал 2 плавится и затвердевает. После формирования первого функционального слоя 12 изделия технологическую платформу 1 смещают вниз на расстояние, соответствующее толщине следующего функционального слоя 12 изделия, и соответствующим образом процесс повторяется. Таким образом, из сплавленных функциональных слоев 12 порошкообразного материала 2 формируется изделие в целом.

Для создания композиционных объектов из различных порошкообразных материалов 2 дозаторы-контейнеры 6 объединяют в систему 13 дозирования порошкообразного материала, которая содержит необходимое количество, заданное составом изделия, дозаторов-контейнеров 6.

Примеры реализации способа.

Заявленный способ использовался при изготовлении изделия в форме параллелепипеда размерами 15×20×→10 мм из медного порошкообразного материала 2 марки ПМС-1 и полимер - песчаной смеси (15% полимера, остальное - кварцевый песок). Средний размер гранул медного порошкообразного материала 2 и песка - около 100 мкм. В крайние ячейки 7 дозатора-контейнера 6 засыпался медный порошкообразный материал 2, а в центральную секцию - песок с полимерной связкой. Порошкообразные материалы 2 наносились в состоянии свободной насыпки на рабочую поверхность 5 технологической платформы 1 последовательными слоями. Толщина наносимых функциональных слоев 12 составляла около 200 мкм. Частота вибрации в пьезокристаллах 9-0,2 кГц.

Порядок нанесения функциональных слоев 12 следующий: пять слоев только медного порошкообразного материала 2, сорок слоев, состоящих из двух порошкообразных материалов 2 так, что песок образовал прямоугольник 7×12 мм, в окружении медного порошкообразного материала 2, затем снова пять слоев медного порошкообразного материала 2. Каждый слой облучался вертикально направленным относительно рабочей поверхности 5 технологической платформы 1 параллельным лучом непрерывного Nd:YAG лазера 11 (длина волны 1,06 мкм). Скорость перемещения луча 5 мм/с, диаметр луча 5 мм, мощность излучения 100 Вт.

При использовании заявленного способа было сформировано монолитное изделие, имеющее медную оболочку, внутри которой находится полимерно-песчаная смесь, играющая роль наполнителя.

Так же заявленный способ использовался для изготовления изделия в форме параллелепипеда размерами 5×20×10 мм из порошкообразного материала никелевого сплава, порошкообразных материалов марки ПГ10Н01 и порошкообразного материала железа марки ПЖ. Средний размер частиц - 160 мкм.

В наружные ячейки 7 дозатора-контейнера 6 засыпался порошкообразный материал 2 никеля, а в центральную секцию - железа. Порошкообразные материалы 2 наносились на технологическую платформу 1 таким образом, чтобы граница между насыпанными порошкообразными материалами 2 представляла собой прямую линию и делила зону плавления пополам. Частота вибрации в пьезокристаллах 9-0,4 кГц. Каждый слой облучался вертикально направленным относительно технологической платформы 1 параллельным лучом непрерывного Nd:YAG лазера 11 (длина волны излучения 1,06 мкм). Скорость перемещения луча 5 мм/с, диаметр луча 5 мм, мощность излучения 100 Вт.

В результате плавления было сформировано изделие в виде биметаллической полосы.

Таблица
D диаметр отверстия Распределение порошкообразного материала при наличии вибрации Просыпка порошкообразного материала при отсутствии вибрации
1 2,8d Осуществляется неравномерное распределение порошкообразного материала на заданные участки Заклинивание гранул в отверстии
2 3d Осуществляется равномерное распределение порошкообразного материала на заданные участки Отсутствует просыпка порошкообразного материала при отсутствии вибрации. Отсутствует выпадение гранул порошкообразного материала при отключенном вибрационном узле
3 7d
4 10d
5 10,3d Осуществляется равномерное распределение порошкообразного материала на заданные участки Осуществляется самопроизвольное выпадение гранул порошкообразного материала при отключенном вибрационном узле

Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет расширить технологические возможности предложенного способа по сравнению с известным способом за счет обеспечения возможности подачи в заданную область плавления порошковых материалов различных сортамента и фракции, что в итоге позволяет изготавливать композиционные изделия сложной конфигурации из различных порошкообразных материалов.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения материальных объектов из порошкообразных материалов лазерным плавлением и может быть использован для получения композиционных изделий сложной конфигурации из различных видов порошкообразных материалов, в частности монолитное изделие, имеющее медную оболочку, внутри которой находится полимерно-песчаная смесь, играющая роль наполнителя и изделие в виде биметаллической полосы;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов, включающий плавление посредством воздействия лазерным излучением порошкообразного материала, послойно подаваемого из программно-организованного и ортогонально установленного по отношению к плоскости формирования функциональных слоев изделия дозатор-контейнера на технологически заданные участки рабочей поверхности регулируемой технологической платформы, которые идентичны участкам на поперечных разрезах предварительно сформированной посредством заданной программы трехмерной компьютерной модели изделия, отличающийся тем, что дозатор-контейнер выполняют ячеистым, в каждой ячейке которого формируют выходное отверстие, а подачу порошкообразного материала осуществляют посредством вибрационного воздействия в вертикальном направлении на каждую из ячеек дозатор-контейнера с технологически регламентированной частотой, обеспечивающей в зоне выходного отверстия виброкипящий слой порошкообразного материала, при этом диаметр «D» выходного отверстия выполняют в пределах (3-10)×d, где d - диаметр гранул порошкообразного материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии лазерного послойного синтеза деталей, и может применяться в разных отраслях машиностроения.

Изобретение относится к нагревательным устройствам, в частности к электропечам сопротивления, и может быть использовано для вспенивания плит из порошка алюминия. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к методам послойного формирования трехмерных объектов. .

Изобретение относится к технологии получения объемных наноматериалов методом порошковой металлургии, а именно к изготовлению электродов электродуговых пламатронов.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии лазерного послойного синтеза объемных деталей. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии селективного лазерного спекания трехмерных объектов. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения изделий из порошков путем послойного лазерного спекания

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения изделий из порошков лазерным плавлением

Изобретение представляет собой стереолитографическую машину. Последняя содержит емкость (3), приспособленную для содержания текучего вещества и содержащую прозрачное дно (3a), опорную пластину (2), снабженную отверстием (2а) и предназначенную для размещения емкости (3) так, что прозрачное дно (3a) обращено к отверстию (2a), источник (4) излучения, размещенный под опорной пластиной (2) и приспособленный для подачи пучка излучения к прозрачному дну (3a) через отверстие (2a), а также блок (5) управления температурой, приспособленный для поддержания опорной пластины (2) при заданной температуре. Технический результат, достигаемый при использовании машины по изобретению, заключается в том, чтобы обеспечить повышение качества получаемых изделий. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу послойного изготовления трехмерных объектов из порошкового материала. Порошковый материал отверждают посредством его облучения высокоэнергетическим электронным лучом, при этом осуществляют регулирование количества ионов, присутствующих в непосредственной близости от того положения, где электронный луч облучает порошковый материал. Регулирование проводят таким образом, чтобы обеспечить нейтрализацию облака заряженных частиц порошкового материала, образующегося вокруг точки облучения. Ионы могут быть введены в вакуумную камеру или образованы при облучении высокоэнергетическим электронным лучом вспомогательного газа, вводимого в вакуумную камеру. Обеспечивается регулируемое сплавление порошкового материала и повышение свойств конечного изделия. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к нанесению покрытий из порошковых материалов посредством послойного лазерного спекания. Может использоваться для упрочнения изношенных рабочих поверхностей стальных изделий, например участков вала, расположенных в зонах подшипников. На рабочей поверхности изделия формируют покрытие посредством последовательно послойного нанесения жидкоподвижной порошковой суспензии на поверхность обрабатываемой части изделия и сканирования ее лазерным лучом. В камеру установки для сканирования через сальник вводят часть изделия для формирования на ней покрытия. Заливают суспензию в камеру до погружения изделия в нее на 2/3-3/4 диаметра. Посредством автоматического управления с помощью привода изделия поворачивают так, что покрытая суспензией краевая полоса оказывается в верхней части в зоне лазерного излучения. Сканируют первую полосу в продольном относительно изделия направлении, затем выполняют поворот на ширину полосы с учетом перекрытия полос и сканируют вторую полосу в обратном направлении и далее до достижения намеченной толщины покрытия. Суспензию используют следующего состава в мас.%: углеродосодержащий жидкий материал (С7Н14, CCLI4) - 30-50; медь порошкообразная с дисперсностью частиц 0,5-1,5 мкм - 0,8-3; графитовый порошок - 0,4-0,6; карбонильное железо порошок марки Р-100 с дисперсностью 50-800 нм - остальное. Частицы с дисперсностью 50-300 нм составляют не менее 50%. Обеспечивается повышение износостойкости подшипниковой зоны изделия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу послойного получения трехмерных объектов из порошкового материала путем облучения высокоэнергетическим пучком. Наносят первый слой порошкового материала на рабочую область и отверждают часть первого слоя путем его облучения высокоэнергетическим пучком. На первый частично затвердевший слой наносят второй слой порошкового материала. Определяют скорость, с которой температура второго слоя повышается после его нанесения на первый слой. При получении значения скорости повышения температуры выше или ниже заданного значения осуществляют повторное нанесение порошкового слоя. Обеспечивается получения равномерного однородного слоя порошкового материала. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к обработке поверхности металлов. Способ получения коррозионно-стойкого покрытия на поверхности нелегированной стали включает подготовку порошка в виде нанокомпозитных частиц Fe-Ni, содержащих 3-10 мас.% никеля, и послойное нанесение его на поверхность нелегированной стали с лазерным спеканием. Послойное нанесение покрытия ведут с образованием спеченного покрытия толщиной до 0,8 мкм, состоящего из частиц железа в никелевой оболочке с размером 20-40 нм. Лазерное спекание ведут излучением с длиной волны 1-1,1 мкм, частотой генерации импульсов 20-100 кГц, мощностью 8-60 Вт и скоростью сканирования 30-500 мм/с. Обеспечивается повышение коррозионной стойкости стали. 2 ил., 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению объемных изделий путем послойного лазерного синтеза. Может использоваться для производства деталей сложных форм из мелкодисперсных порошков в различных отраслях машиностроения. Компоненты порошковой композиции послойно размещают в реакционной камере по требуемой топологии. Предварительный нагрев осуществляют до предфазовых температур композиции или наименее тугоплавкого ее основного компонента источником, обеспечивающим нагрев всего объема порошковой композиции. После чего осуществляют лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия при режимах, достаточных для осуществления фазовых переходов, и извлекают полученную модель из камеры с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия. Обеспечивается снижение температурного градиента в зоне обработки. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению металлических изделий из порошков селективным лазерным спеканием. Наносят слой керамического порошка, проводят селективное спекание на заданных участках слоя и удаляют указанный материал из неспеченных участков. Между спеченными участками керамического слоя наносят слой порошка металла или сплава той же толщины и проводят селективное спекание на этих участках. Цикл повторяют до осуществления полного формирования изделия. При этом керамика образует при спекании оболочку формируемого изделия. После каждого спекания слоя металла или сплава проводят его расплавление и/или расплавление всего объема металла или сплава, а после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава производят удаление керамики. 15 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

Изобретение относится к изготовлению решетки для селективного пропускания электромагнитного излучения, в частности рентгеновского излучения. Решетка содержит конструктивный элемент со стенками, содержащими множество частиц, содержащих первый поглощающий излучение материал. Частицы спечены вместе с образованием между соседними частицами пор. Указанные поры, по меньшей мере, частично заполнены вторым твердым материалом, содержащим поглощающий излучение материал. Заполнение пор осуществляют введением в них второго материала в жидком, предпочтительно расплавленном виде. Повышается механическая стабильность решетки и повышаются ее свойства к поглощению излучения. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения изделий из порошков путем послойного лазерного спекания

Наверх