Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления



Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления
Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления
Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления
Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2539135:

Чивель Юрий Александрович (BY)

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению объемных порошковых изделий путем лазерного селективного спекания. Наносят слои из различных порошковых материалов и осуществляют селективное спекание или плавление заданной области каждого слоя. Селективное лазерное спекание или плавление осуществляют синхронным сканированием поверхности порошкового слоя лазерным источником с малым пятном фокусировки и несколькими иными источниками концентрированного потока энергии с пятнами облучения большего размера. Лазером сканируют поверхность в пределах пятен облучения иных источников. Устройство содержит рабочую камеру, лазер, оптически связанный с телескопом и системой сканирования и фокусировки луча, в виде гальваносканера с объективом, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка. На кардановых подвесах размещены два сканирующих источника электронного пучка или ламповые источники нагрева, или источники СВЧ-излучения таким образом, что область сканирования лазерного излучения совмещена с областями воздействия на поверхность электронных пучков. Обеспечивается повышение качества изделия и кпд процесса спекания. 4 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано при получении трехмерных изделий из порошков с помощью лазерного излучения, в том числе изделий из керамики и металлокерамики.

Известен способ получения объемных изделий из порошков [1], состоящий в последовательном нанесении слоев из различных порошков и их селективном лазерном спекании. Однако данный способ не позволяет получить качественное изделие, особенно при спекании-плавлении керамик, вследствие малости пятна облучения и соответственно высоких градиентов температуры в области спекания-плавления, что приводит к образованию пор и трещин.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения объемных изделий [2], состоящий в последовательном нанесении слоев из различных порошков и их программируемом селективном спекании или плавлении с помощью лазера при одновременном нагреве всего объема порошковой насыпки с помощью электронагревателей. Недостатком данного способа являются большие энергозатраты и сложность обеспечения температурного режима поверхностного слоя.

Задачей данного изобретения является разработка способа получения объемных изделий, позволяющего устранить указанные недостатки.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения объемных изделий из порошков, состоящий в последовательном нанесении слоев из различных материалов и программируемом селективном спекании или плавлении заданной области каждого слоя.

Новым, по мнению автора, является то, что селективное спекание или плавление осуществляют синхронным сканированием поверхности порошкового слоя несколькими источниками концентрированного потока энергии различной природы.

Новым, по мнению автора, является то, что один источник концентрированного потока энергии - лазерный источник с малым пятном фокусировки, а другие источники концентрированного потока энергии имеют пятна облучения большего размера, причем лазерным пятном облучения сканируют поверхность в пределах больших пятен облучения.

Сущность изобретения поясняется схемой (фиг.1).

На поверхности порошковой насыпки 1 создаются области динамического нагрева порошка 2 и 3 с контролируемым уровнем температуры с помощью источников концентрированного потока энергии с большими пятнами фокусировки. С помощью лазерного источника с малым до 10 мкм пятном фокусировки эти области последовательно сканируются 4 по заданной программе и селективно спекаются. Использование нескольких областей предварительного динамического прогрева и остывания позволяет снизить пространственные и временные градиенты температуры при нагреве малым лазерным пятном и последующем остывании и избежать образования пор и трещин, особенно при спекании керамики.

Известно устройство для послойного лазерного спекания изделий из порошковых материалов [3], содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с фокусирующей системой и системой сканирования луча, рабочий бункер, поршень, перемещающий слой порошка и изделие, бункер-питатель, роллер укладки порошка.

Недостатком данного устройства является то, что при сканировании малым пятном фокусировки, что необходимо для получения качественного изделия, возникают большие градиенты температуры в спекаемом слое, приводящие к образованию трещин и пористости, что особенно проявляется при спекании керамических изделий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является представленное в [4] устройство для послойного спекания изделий из порошковых материалов, содержащее рабочую камеру, лазер с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер, заполненный порошком, поршень, перемещающий слой порошка и изделие, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, а также ТЭНы общей мощностью 5 кВт, обеспечивающие нагрев всего пространства рабочей камеры, в том числе порошковой насыпки.

Недостатком данного устройства является то, что, используя его, невозможно обеспечить температурный режим поверхностного слоя и часто имеет место схватывание порошка по всему объему насыпки, а также большие энергозатраты.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для получения объемных изделий из порошков, которое позволит обеспечить необходимый температурный режим спекания порошка и уменьшить энергозатраты.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для получения объемных изделий из порошков, содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка. Новым, по мнению авторов, является то, что устройство дополнительно содержит два сканирующих источника электронного пучка, причем область сканирования лазерного излучения совмещена с областями воздействия на поверхность электронных пучков.

Сущность изобретения поясняется схемой (фиг.2).

Устройство содержит рабочую камеру 1, лазер 2 с системой сканирования 3 и фокусировки луча 4, каретку насыпки и укладки порошка 7,бункер сбора порошка 8, рабочий бункер 9 с поршнем 10, на котором закреплено спекаемое изделие 11, систему напуска газа 12, вакуумный насос 13, бункер-питатель 6, каретку засыпки и укладки порошка 7, источники электронного пучка 5, оптические пирометры 14 и 15, сканирующие кардановые подвесы 16.

Устройство работает следующим образом. С помощью вакуумной системы откачивают рабочий объем установки. Поршень рабочего бункера 10 опускают на высоту спекаемого слоя и наносят с помощью каретки 7, которая предварительно заполняется порошком из бункера-питателя 6, слой порошка. Укладка производится 2-мя ножами каретки. С помощью одного из источников электронного пучка производят нагрев области поверхности порошка до заданного уровня температуры, контролируемого оптическим пирометром 14. В пределах этой области проводят селективное спекание. В это же время с помощью второго источника электронного пучка нагревают следующую область поверхности порошка. Лазерный луч переводится в эту область и сканированием осуществляют селективное спекание в пределах этой области. Первый электронный пучок в этот промежуток времени путем снижения мощности обеспечивает медленное остывание спеченного слоя, а затем переводится для нагрева следующей области порошкового слоя. Такой алгоритм позволяет обеспечить температурный режим, снизить градиенты температур как временные, так и пространственные и тем самым устранить пористость и трещины. При использовании электронного пучка большого диаметра (1-3 см) [5] обеспечивается как эффективный нагрев за счет высокого поглощения электронов материалами, так и увеличение поглощения лазерного излучения при нагреве, а также высокая точность изделия за счет малого диаметра пятна фокусировки лазерного излучения.

Для работы в условиях атмосферного давления можно применять устройства по пп.4 и 5, в которых используют для нагрева областей поверхности ламповые источники (пп.4) (фиг.3) или СВЧ-источники (пп.5) (фиг.4). Ламповый источник излучает в широкой области спектра, а длина волны СВЧ-источника выбирается из условия расположения области нагрева в волновой зоне, т.е. на расстоянии от источника не более длины волны СВЧ-излучения. При работе в атмосфере инертного или активного газов предварительно вакуумируют рабочую камеру насосом 13, а затем заполняют объем с помощью системы напуска газа 12.

Благодаря поверхностному нагреву порошковой насыпки уменьшаются энергетические затраты, динамический характер нагрева позволяет обеспечить оптимальный цикл нагрева-остывания области спекания и тем самым исключить образование пор и трещин.

Список литературы

1.D.L.Bourell, H.L.Marcus, J.W.Barlow, J.J.Beaman, Selective laser sintering of metals and ceramics, Int. J. Powder Metall. 28 (4) (1992) 363-381.

2. Tang H-H. Patent US 6,217,816. 2001.

3. Kruth,J.P., 1991, "Material Ingress Manufacturing by Rapid Prototyping Techniques," CIRP Ann.,40,2, pp.603-614.

4. Phenix PMX-system PM100.www.phenix.fr.

5. Proskurovsky D., Rotshtein V., Ozur G.. Use of low-energy, high current electron beams for surface treatment of materials. // Surf. Coat. Technol. 1997; 96(1): 117-22.

1. Способ изготовления объемных изделий из порошков, включающий последовательное нанесение слоев порошка и селективное спекание или плавление заданной области каждого слоя, отличающийся тем, что селективное спекание или плавление осуществляют синхронным сканированием заданной области порошкового слоя лазером с малым пятном фокусировки и двумя иными источниками концентрированного потока энергии с пятнами облучения большего размера, причем лазером сканируют поверхность в пределах пятен облучения иных источников концентрированного потока энергии.

2. Устройство для изготовления объемных изделий из порошков, содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с телескопом и системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два иных источника концентрированного потока энергии, размещенных на сканирующих кардановых подвесах, в виде источников электронного пучка с обеспечением совмещения области сканирования лазерного излучения с областями воздействия на поверхность электронных пучков.

3. Устройство для изготовления объемных изделий из порошков, содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с телескопом и системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два иных источника концентрированного потока энергии, размещенных на сканирующих кардановых подвесах, в виде ламповых источников нагрева с обеспечением совмещения области сканирования лазерного излучения с областями воздействия на поверхность излучения ламповых источников.

4. Устройство для изготовления объемных изделий из порошков, содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с телескопом и системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два иных источника концентрированного потока энергии, размещенных на сканирующих кардановых подвесах, в виде источников СВЧ-излучения с обеспечением совмещения области сканирования лазерного излучения с областями воздействия на поверхность излучения источников СВЧ-излучения.



 

Похожие патенты:

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.

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.
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.

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.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу послойного получения трехмерных объектов из порошкового материала путем облучения высокоэнергетическим пучком.

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.

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.

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.

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

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

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Устройство для получения изделий послойным лазерным спеканием порошков содержит емкости для размещения порошка и для излишков порошка, размещенный между ними модуль формирования изделия, включающий стол с приводом его вертикального перемещения, средство для подачи порошка на стол из емкости для его размещения и сброса порошка в емкость для излишков порошка, оптическую лазерную систему спекания порошка, установленные над столом сопла для подачи на слой порошка воздуха или инертного газа и установленный под столом с возможностью соединения с вакуумной системой газозаборник. Стол выполнен газопроницаемым и оснащен закрепленной на его верхней плоскости огнеупорной газопроницаемой плитой, предназначенной для размещения на ее поверхности и спекания слоя порошка. Обеспечивается повышение качества получаемых изделий. 1 ил.

Изобретение относится к изготовлению металлических изделий из порошков послойным селективным лазерным спеканием. Способ включает образование оболочки для формируемого изделия путем нанесения слоя из первого порошкового материала и его спекание по всей рабочей поверхности. Нанесение слоя из второго порошкового материала и его последующее селективное спекание повторяют до полного формирования изделия. В качестве второго порошкового материала используют порошок металла или сплава и после каждого спекания слоя порошка металла или сплава производят его расплавление с образованием слоя толщиной от 10 до 300 мкм. После полного формирования изделия производят газостатическое прессование слоев, затем индукционный переплав с кристаллизацией всего объема нанесенных слоев и удаляют оболочку. Предложена также установка для изготовления металлического изделия данным способом. Установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала. Обеспечивается повышение механической прочности изделий. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к катодным материалам на основе нанокристаллических частиц Fe-Ni. Катод для электрохимического получения водорода выполнен в виде стальной подложки с нанесенным на ее поверхность нанокомпозитным покрытием железо-никель. Покрытие железо-никель с содержанием Ni 3-10 мас.% выполнено толщиной 0,5-0,9 мм и со средним размером зерна, составляющим до 40 нм. Способ изготовления катода для электрохимического получения водорода характеризуетсяя тем, что подготавливают и послойно наносят на стальную подложку механоактивированную порошковую нанокомпозицию железо-никель с содержанием никеля 3-10 мас.% и проводят послойное лазерное спекание. Лазерное спекание осуществляют в вакууме оптоволоконным импульсным иттербиевым лазером при частоте генерации импульсов 20000-100000 Гц и времени действия импульса 100 нс. Полученный катод характеризуется пониженным перенапряжением водорода. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

Изобретение относится к способу изготовления трехмерного тела посредством последовательного предоставления слоев порошка и сплавления выбранных зон упомянутых слоев, соответствующих последовательным поперечным сечениям трехмерного тела. Для по меньшей мере одного из слоев выполняют наложение по меньшей мере одного слоя порошка на рабочую зону и сплавление выбранной зоны по меньшей мере одного слоя порошка посредством подачи энергии с облучающей пушки на выбранную зону. При этом устанавливают заданную траекторию луча для сплавления выбранной зоны по меньшей мере одного слоя порошка, вычисляют температуру в по меньшей мере одном слое порошка вдоль заданной траектории луча как функции воздействия удельной энергии воображаемого луча, перемещающегося вдоль заданной траектории луча, регулируют воздействие удельной энергии воображаемого луча вдоль заданной траектории луча в зависимости от вычисленной температуры и условий, установленных для этапа сплавления выбранной зоны, и предоставляют на основании вычислений и регулировок рабочую схему воздействия удельной энергии реального луча, предназначенную для использования на заданной траектории луча при сплавлении выбранной зоны указанного по меньшей мере одного слоя. Обеспечивается возможность управления температурой, а также ускорение изготовления трехмерного тела. 9 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 пр.

Изобретение относится к технологии послойного изготовления изделий из металлических порошков. Сопло электродугового сварочного плазматрона формируют лазерным сфокусированным послойным спеканием медного порошка, который подают из бункера-дозатора предварительно подогретым до температуры 150°C. Во время проведения послойного спекания медного порошка температуру в бункере-дозаторе поддерживают постоянной. После спекания каждого слоя производят очистку поверхности формируемого сопла сфокусированным лазерным лучом с мощностью, составляющей 25% от рабочей мощности лазерного луча при спекании. Обеспечивается изготовление высокоточных деталей сложной формы с требуемой прочностью. 2 ил.

Изобретение относится к способу изготовления изделий сложной формы из порошковых систем и может найти применение в разных отраслях машиностроения, например, для изготовления сопел, завихрителей, вставок и других элементов ракетных двигателей и турбин. Осуществляют послойно-селективную лазерную обработку до расплавления порошка на глубину слоя в три этапа. Вначале на каждом нанесенном слое обработку проводят по внешнему контуру изготавливаемого сечения и по его внутренним границам. Образованное внутреннее сечение обрабатывают программно-регламентированным сканированием лазерного луча. После этого проводят прецизионную повторную обработку внешнего контура и внутренних границ изготавливаемого сечения. Траекторию сканирования лазерного луча на каждом последующем слое изменяют на 45° по часовой стрелке относительно направления сканирующего луча на предыдущем слое. Подготовку порошка осуществляют до дисперсности не более толщины наносимого единичного слоя. После образования запрограммированной формы изделия дополнительно проводят его вакуумную термообработку при температуре ниже температуры рекристаллизации материала основы порошковой системы в течение 2-3 часов. Технический результат изобретения заключается в получении высоких механических характеристик изготавливаемых изделий сложной формы и расширении областей их применения, а также в получении технологически регламентируемых наноструктурных объектов любой сложной конфигурации, работающих длительное время в агрессивных средах при повышенных температурах. 3 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии. Заготовки из порошковой быстрорежущей стали, полученной электроэрозионным диспергированием отходов быстрорежущей стали марки Р6М5 в дистиллированной воде, получают путем горячего прессования порошка с пропусканием высокоамперного тока в вакууме в течение 2,9…3,1 минут при температуре 895…905°С. Обеспечивается снижение пористости и повышение микротвердости заготовок из порошковой быстрорежущей стали. 3 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу изготовления трехмерного изделия. Способ изготовления трехмерного изделия (11) из жаропрочного сплава на основе никеля, кобальта или железа (12) характеризуется тем, что осуществляют последовательное нанесение на пластину-подложку порошка или суспензии порошка сплава на основе никеля, кобальта или железа и наращивание изделия аддитивным процессом с получением изделия (11) с анизотропией свойств. Затем проводят термическую обработку полученного изделия (11), обеспечивающую перекристаллизацию и/или укрупнение зерен для снижения анизотропии свойств изготавливаемого изделия. Изготавливают трехмерное изделие аддитивным способом без анизотропии свойств. 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

Группа изобретений относится к послойному изготовлению металлической детали лазерным спеканием порошка. Способ включает подачу в область спекания порошка по меньшей мере одного подогревающего лазерного луча, причем подогревающий лазерный луч расфокусируют или фокусируют шире, чем основной спекающий лазерный луч, при этом обеспечивают уменьшение температурного градиента между зоной спекания порошка и окружающим ее порошком. Основной спекающий луч и подогревающий луч формируют с использованием акустооптического дефлектора, причем основной спекающий луч формируют в виде спекающих лазерных лучей, расположенных вплотную друг к другу в ряд, перпендикулярный направлению спекания, мощность излучения одного из которых, расположенного вплотную к переходу порошок - спеченный материал, превышает мощность излучения остальных лазерных спекающих лучей из условия компенсации температурного градиента между зоной спекания и спеченным материалом детали. Обеспечивается уменьшение коробления спеченной детали, а также однородность ее структуры. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления трехмерной металлической детали(11), представляющей собой деталь газовой турбины в виде лопатки, лопасти или теплового экрана, которая может быть использована в компрессоре, камере сгорания или турбинной секции газовой турбины. Деталь (11) последовательно выращивают из металлического базового материала (12) с помощью процесса аддитивного изготовления путем сканирования энергетическим лучом (14). Создают контролируемую ориентацию зерен по первичному и вторичному направлению детали (11). Вторичная ориентация зерен достигается применением конкретной картины сканирования энергетическим лучом (14) в последовательных слоях попеременно параллельно и перпендикулярно направлению, соответствующему наименьшему значению модуля Юнга. 2 н. и 10 з.п. ф-лы,7 ил.
Наверх