Способ объёмной 3d-печати посредством создания расплава в заданной области пространства за счёт явления шнурования тока

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способу 3D-печати посредством плавления порошка металла в 3D принтере. Может использоваться в станкостроении, транспортном машиностроении, приборостроении. Формируют среду, состоящую из иммерсионного расплава легкоплавкого металла и нерасплавленного металлического порошка, обладающей S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры. В иммерсионном расплаве формируют объемные области путем создания в них постоянного магнитного поля, обеспечивающего увеличение локальной плотности тока вследствие эффекта Холла, в которых затем осуществляют шнурование тока для плавления металлического порошка в шнурах тока. Изделие формируют в процессе остывания расплава до температуры ниже температуры плавления металлического порошка, но выше температуры плавления иммерсионного расплава легкоплавкого металла. Обеспечивается повышение скорости 3D печати и уменьшение пористости материала изготавливаемых изделий. 3 ил.

 

Изобретение относится к управлению процессом плавления порошка металла в 3D принтере в среде, обладающей S-образной зависимостью электропроводности от температуры и состоящей из нерасплавленного порошка металла, погруженного в расплав легкоплавкого металла, и может найти широкое применение в различных отраслях техники, в станкостроении, приборостроении и других.

Аналогом является известный способ управления процессом кристаллизации жидкого проводящего материала в 3D принтере, заключающийся в том, что печатающая головка имеет резервуар жидкого проводящего материала, окруженный электромагнитной катушкой. На эту катушку индуктивности подается импульс тока одного направления. Под влиянием этого электромагнитного импульса на жидкий проводящий материал действует радиально внутрь направленная сила, под действием которой из резервуара через отверстие выбрасывается капля жидкого проводящего материала. В результате серии импульсов серия капель падает на платформу согласно запрограммированному узору (по заданной схеме), и происходит в процессе кристаллизации формирование изделия. Так капля за каплей строится трехмерный предмет (Patent US №9616494, опубл. 11.04.2017).

К недостаткам всех известного способа, реализующего принцип «капля по требованию», в том числе к технической проблеме, следует отнести их высокую сложность осуществления и, как следствие, дороговизну. Попытки использовать вместо капель сплошную струю терпели неудачу в силу неустойчивости (разрушения) струи требуемого сечения.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является «Способ послойной 3D-печати изделий из металла за счет явления шнурования тока», заключающийся в распределении жидкого металла по заданным областям слоя, согласно запрограммированному рисунку, в местах запланированного плавления порошка металла осуществляется лазерный подогрев в среде, обладающий S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры и состоящей из нерасплавленного порошка металла, погруженного в иммерсионный расплав с меньшей температурой плавления, в которой осуществляется шнурование тока для плавления порошка металла в шнурах тока, а запланированное изделие получается после остывания до температуры ниже температуры плавления порошка, но выше температуры плавления иммерсионного расплава (Патент РФ №2725483, опубл. 02.07.2020 г.).

Недостатком прототипа является то, что этот способ касался послойной, а не объемной 3D-печати.

Технический результат от использования предполагаемого изобретения заключается в повышении скорости 3D печати и в уменьшении пористости материала изготавливаемых изделий за счет сплошного, а не дробного плавления порошка металла в заданных областях.

Поставленный технический результат достигается тем, что способ объемной 3D-печати посредством создания расплава в заданной области пространства за счет явления шнурования тока, заключается в том, что шнурование тока осуществляют в среде, обладающей S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры и состоящей из нерасплавленного порошка металла, погруженного в расплав легкоплавкого металла, где пространственные области, в которых осуществляют расплав, задают путем создания в них постоянного магнитного поля, ведущего к увеличению локальной плотности тока за счет дополнительных токов, возникающих вследствие эффекта Холла в магнитном поле, и тем, что в вышеуказанных областях осуществляют шнурование тока для плавления порошка металла в шнурах тока, а запланированное изделие получают после остывания до температуры, ниже температуры плавления порошка, но выше температуры плавления иммерсионного расплава, так что неиспользованный порошок с иммерсионным расплавом может быть легко удален.

На фиг. 1 представлена S-образная характеристикой зависимости электропроводности от температуры порошка металла, погруженного в расплав легкоплавкого металла.

На фиг. 2 представлен расчет формирования областей расплава с помощью внешнего магнитного поля.

На фиг. 3 представлен расчет распределения температуры в кольцевом магнитном поле.

Способ осуществляется следующим образом. Способ объемной 3D-печати посредством создания расплава в заданной области пространства за счет явления шнурования тока, заключается в том, что шнурование тока осуществляют в среде, обладающей S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры и состоящей из нерасплавленного порошка металла, погруженного в расплав легкоплавкого металла, где пространственные области, в которых осуществляют расплав, задают путем создания в них постоянного магнитного поля, ведущего к увеличению локальной плотности тока за счет дополнительных токов, возникающих вследствие эффекта Холла в магнитном поле, и тем, что в вышеуказанных областях осуществляют шнурование тока для плавления порошка металла в шнурах тока, а запланированное изделие получают после остывания до температуры, ниже температуры плавления порошка, но выше температуры плавления иммерсионного расплава.

Описанная среда является средой с резко нелинейной S-образной характеристикой электрической проводимости (или сопротивления) по температуре. Действительно, в случае относительно малой доли расплава легкоплавкого металла (например, 10-30%) сопротивление материала остается довольно близким к сопротивлению порошка, т.е. относительно высоким. При достижении температуры плавления порошка в какой-то области сопротивление этой области резко падает за счет появления расплава основного компонента. Это и дает соответствующую нелинейную характеристику. Но вещества с нелинейной (S-образной) зависимостью проводимости от температуры хорошо известны в физике плазмы и в физике полупроводников. В физике плазмы это приводит к появлению такого известного явления, как шнурование тока (V.В. Pathak, Т. Grismayer, A. Stockem, R.A. Fonseca and L.О. Silva "Spatial-temporal evolution of the current filamentation instability", New J. Phys., 17 (2015), 043049, doi:10.1088/1367-2630/17/4/043049).

Действительно, такая нелинейность приводит к формированию положительной обратной связи между током и температурой. В случае поддержания постоянного тока в системе, очевидно, выделение тепла пропорционально квадрату тока. В области, где сопротивление ниже, очевидно, протекает больший ток, а значит, выделяется большее тепло, что приводит к увеличению температуры, дальнейшему расплавлению в окружающем объеме и т.д. В плазме подобный нелинейный механизм ток-тепло и приводит к образованию «шнуров» тока. Явление шнурования тока также хорошо известно в физике полупроводников (Волков А.Ф., Коган Ш.М., Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, "УФН", 1968, т. 96, в. 4, с. 633).

Плотность тока в каждой точке пространства определяется законом Ома в дифференциальной форме:

где j - плотность тока в конкретной точке, σ=1/ρ - удельная проводимость, обратно пропорциональная удельному сопротивлению, Е - напряженность электрического поля, r - радиус-вектор точки в объеме образца. В (1) учтено, что в нашем случае проводимость является функцией температуры Т.

Поле Е определяется обычным уравнением Максвелла

Для вычисления поля удобнее рассчитать электрический потенциал ϕ(r)

так что в итоге получаем обычное уравнение Лапласа

Зная полную плотность тока j в каждой точке пространства (из (1)), нетрудно получить тепловыделение, точнее, функцию тепловых источников, то есть функцию роста температуры в этой точке как

где ρ - плотность вещества (кг/м³), Ср - удельная теплоемкость (J/kg/K). Если j выражено в А/m², а σ - в Ohm-1⋅m-1, то Q имеет размерность K/s.

Эта величина должна быть подставлена в уравнение теплопроводности

где χ - коэффициент температуропроводности материала, коррелирующий с его электропроводностью σ, ∇²=ΔT - оператор Лапласа от температуры и Q - функция тепловых источников.

Для замыкания этой системы уравнений следует ввести функцию зависимости проводимости от температуры σ(Т). По результатам предварительных экспериментов с порошком олова (~5 мкм, температура плавления 231°С) с добавкой 50% иммерсионного расплава - сплава Розе (температура плавления 104°С) оказалось, что проводимость системы можно хорошо аппроксимировать функцией арктангенса.

В связи с этими предварительными данными искусственно вводим функцию зависимости проводимости от температуры

где Т₀ - температура плавления порошка, β - разумно большой безразмерный коэффициент, отвечающий свойствам металла.

Таким образом, замкнутая система уравнений (1)-(6) с учетом искусственно введенной функции зависимости проводимости от температуры (7) позволяет полностью описать поведение системы.

Дополнительным элементом модели может являться направленное вдоль вертикальной оси z внешнее магнитное поле с заданным распределением В(r). Будем считать, что магнитное поле достаточно невелико, чтобы описать его просто как добавку за счет появления эффекта Холла в точках, где есть поле. Тогда дополнительное электрическое поле, вызванное появлением холловской ЭДС, есть

где ν - дрейфовая скорость электронов в поле, определяемом (3), а во втором равенстве дрейфовая скорость выражена через подвижность μ_e. Тогда в выражение для тепловых источников вместо поля Е будет входить Е+E_H.

Таким образом, замкнутая система уравнений (1)-(6) из-за зависимости (7) является существенно нелинейной и не дает возможности даже кусочной линеаризации. Так, замена гладкой функции (7), например, на ступенчатую функцию Хэвисайда приводит к появлению бесконечных пространственных производных и бесконечных величин потоков. Как следствие, система уравнений в настоящей работе решалась численными методами.

Для примера расчетов рассмотрим двумерный случай. Хотя основная цель состоит в анализе возможности именно трехмерного (3D) синтеза, эта возможность вполне может быть выяснена на примере (2D)-системы. Дело в том, что предложенный в предыдущей нашей работе метод создания предварительно нагретых областей с помощью лазерного излучения, ограничен как раз тем, что лазерное излучение не проникает в объем порошка с иммерсионным расплавом. Таким образом, такой метод является принципиально двумерным. Иначе дело обстоит с магнитным полем, которое может существовать внутри заготовки. То же относится к нагреву импульсами тока при управляемом положении электрода на границе.

Для численного расчета использовались следующие величины параметров, характерные для системы порошок олова - иммерсионный расплав Розе:

температура плавления смеси (экспериментальные данные) - 120°С/393°K;

электропроводность расплавленной смеси - 2.5 1/(Ohm⋅m);

удельная теплоемкость - 227 J/(kg⋅K);

плотность - 7310 kg/m³;

коэффициент температуропроводности - 3⋅10-5 m²/s;

подвижность электронов в смеси - 9⋅10^-4 m²/(V⋅s).

Решение уравнений проводилось методом конечных элементов.

При этом

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к управлению 3D-печатью для металлов и может найти широкое применение в различных отраслях, таких как станкостроение, транспортное машиностроение, приборостроение и других;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;

- 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 объемной 3D-печати изделия из металлического порошка путем создания расплава за счет явления шнурования тока, включающий формирование среды, состоящей из иммерсионного расплава легкоплавкого металла и нерасплавленного металлического порошка, обладающей S-образной характеристикой зависимости электропроводности от температуры, и осуществление шнурования тока для плавления металлического порошка и формирования изделия, отличающийся тем, что в упомянутом иммерсионном расплаве формируют объемные области путем создания в них постоянного магнитного поля, обеспечивающего увеличение локальной плотности тока вследствие эффекта Холла, в которых затем осуществляют шнурование тока для плавления металлического порошка в шнурах тока, а изделие формируют в процессе остывания расплава до температуры ниже температуры плавления металлического порошка, но выше температуры плавления иммерсионного расплава легкоплавкого металла.