Способ стрельцова усовершенствования 3d принтера, предназначенного для изготовления металлических изделий
Изобретение относится к 3D принтерной технике, предназначенной для изготовления металлических изделий сложной формы. Заявленный способ позволяет в 3D принтере вместо лазера, имеющего низкий кпд, и металлических порошковых «чернил» использовать форсунки специальной конструкции, создающие узкую диаграмму направленности распыления металла, что вполне позволяет им по точности конкурировать с лазером. Таким образом, получаем следующие преимущества: экономию энергии, улучшение прочностных характеристик изделий, появляется вероятность изготовления объемных сложных деталей из аморфных металлических сплавов. 1 ил.
Изобретение относится к 3D принтерной технике, предназначенной для изготовления металлических изделий сложной формы. Прототипами заявленного изобретения являются: заявка на изобретение № 2002122072 RU и японское изобретение - патент № 4578317 JP. Заявленный способ, отличается тем, что вместо лазера, имеющего низкий КПД, в 3D принтере, предназначенном для изготовления металлических изделий, используют ультразвуковую электродуговую фокусирующую форсунку.
Для этого в атмосфере инертного газа (например, аргон) форсунку, имеющую по оси полый канал, подключают к положительному полюсу электрического источника питания, металлическую подложку будущего изделия подключают к отрицательному полюсу электрического источника питания. Возбуждают ультразвуковые колебания форсунки. Вдоль осевого канала форсунки подают предварительно расплавленный металл, который после выхода из канала форсунки разбрызгивается под действием ультразвуковых колебаний. Между форсункой и подложкой возникает электрическая дуга. В дополнение к ультразвуковому распылению также возможна организация газовой пульверизации с помощью аргона или др. инертного газа. Капли расплавленного металла в следствие термоэмиссии и потери электронов приобретают положительный заряд и летят в сторону отрицательно заряженного изделия, приобретая дополнительный разогрев в дуговом разряде. Кроме того, в сторону изделия капли расплавленного металла увлекает газовый поток, обдувающий форсунку в направлении изделия, а при необходимости и гравитационное поле Земли.
Вокруг форсунки установлена фокусирующая цилиндрическая насадка, аналогичная описанной в японском патенте № 4579317 Jp. Холодный инертный газ, вытекая из такой фокусирующей цилиндрической насадки, движется в сторону изделия и, расширяясь от тепла электродугового разряда, обжимает электродутовой разряд вместе с распыленными в нем каплями металла в пятно малого диаметра, которое перемещают по поверхности изделия, осуществляя локальное послойное наращивание металла на изделии. Применение подобной фокусирующей цилиндрической насадки обеспечивает узкую (точечную) диаграмму набрызгивания расплавленного металла, что в совокупности позволит заявленному способу конкурировать в 3D принтере с лазером при изготовлении крупногабаритных металлических изделий низкого класса точности.
Учитывая то, что указанная выше японская фирма «NAKAYAMA STEEL WORKS, LTD» успешно применяет описанный в патенте № 4579317 Jp способ фокусировки набрызгивания расплавленного металла для нанесения аморфных металлических покрытий на валы автомашин в течение нескольких лет, можно надеяться, что при использовании подобной форсунки в 3D принтере и подборе определенных технологических режимов удастся получить объемные толстые металлические 3D изделия сложной формы с аморфной структурой расположения атомов. (Как известно, металлы с аморфной структурой расположения атомов не подвержены коррозии и обладают прочностными характеристиками в несколько раз лучшими по сравнению с традиционными металлическими изделиями с кристаллической решеткой).
Общая схема ультразвуковой фокусирующей форсунки показана на фигуре № 1, где 1 - металлическое изделие сложной формы, на которое осуществляют набрызгивание очередного слоя металла; 2 - разбрызгивающая форсунка, совершающая ультразвуковые колебания; 3 - канал подачи предварительно расплавленного металла; 4 - канал подачи инертного газа, предназначенного для распыления (пульверизации) расплавленного металла; 5 - электродуговой разряд с металлическими каплями, сужающийся в пятно малого диаметра под действием расширяющегося инертного газа 6, подаваемого в цилиндрическую насадку 7, окружающую форсунку; 8 - электрический источник, создающий дуговой разряд; 9 - инертный газ, нагнетаемый в зазор между форсункой и цилиндрической насадкой, увлекающий капли разбрызганного металла в направлении изделия.
Подобная электродуговая форсунка позволит изготавливать на 3D - принтере сложные металлические изделия (возможно с аморфной структурой расположения атомов) с меньшим количеством оксидов по сравнению 3D лазерными принтерами, использующими порошковые металлические «чернила».
Таким образом, замена в 3D принтере лазера на разбрызгивающие электродуговую фокусирующую форсунки (или их совместное, поочередное использование) дает следующие преимущества:
1) экономит энергию,
2) улучшает прочностные характеристики изделий,
3) отрывает перспективу изготовления объемных сложных деталей из аморфных металлических сплавов.
Способ усовершенствования 3D принтера, предназначенного для изготовления металлических изделий, отличающийся тем, что используют ультразвуковую электродуговую фокусирующую форсунку самостоятельно либо совместно с лазером и порошковыми металлическими чернилами осуществляющую разбрызгивание предварительно расплавленного металла в атмосфере инертного газа, при этом для распыления металла форсунку подвергают ультразвуковым колебаниям и/или осуществляют распыление расплавленного металла (пульверизацию) путем продувки через форсунку инертного газа, между форсункой и изделием создают электродуговой разряд, в цилиндрическую насадку, надетую снаружи на форсунку, нагнетают холодный инертный газ, который, вытекая из насадки, увлекает за собой металлические капли в сторону изделия и, расширяясь от тепла электродугового разряда, обжимает электродуговой разряд вместе с распыленными в нем каплями металла в пятно малого диаметра, которое перемещают по поверхности изделия, осуществляя на изделии локальное послойное наращивание металла.
