СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА ПОСРЕДСТВОМ АДДИТИВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК B22F3/105 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к способу изготовления детали из электропроводящего материала и ее контрольного элемента для последующей доводки путем механической обработки, при этом изготовление является аддитивным изготовлением, в частности, на слое порошка.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно выполнение деталей посредством аддитивного изготовления, в частности, в области авиастроения. Существуют различные технологии, и одной из технологий является расплавление порошка при помощи высокоэнергетического пучка, такого как лазерный пучок (технология SLM, сокращение от Selective Laser Melting). На практике, слой порошка наносят на подложку и сканируют лазерным пучком для послойного изготовления детали, при этом третий слой расплавленного порошка расположен над вторым слоем, который, в свою очередь, расположен над первым слоем.

Подложка имеет такую же природу, что и порошок, и служит в качестве стартовой и крепежной поверхности, а затем в качестве опорной поверхности для изготавливаемой сверху на ней детали. При этом деталь сваривается с подложкой, и в конце изготовления ее необходимо отделить.

Отделение детали от подложки обычно осуществляют путем отрезания детали в плоскости, параллельной относительно подложки. Как правило, деталь подвергают затем доводке путем механической обработке, чтобы довести ее до заданных размеров. Отрезание можно производить путем распиливания или электроискровой обработки при помощи технологии EDM (сокращение от Electrical Discharge Machining), преимуществом которой является уменьшение механических усилий, действующих на детали.

Технологию EDM применяют, точно зная положение в пространстве отрезаемой детали и, следовательно, зная координаты детали в системе координат XYZ. Однако аддитивное изготовление с применением технологии SLM не позволяет отслеживать эти координаты при помощи существующих технических средств. Таким образом, отрезание детали обычно производят как можно ближе к подложке, и затем отрезанную деталь доводят посредством механической обработки, что вынуждает устанавливать ее на соответствующий станок для доводки и что занимает много времени и требует больших затрат.

Следовательно, существует потребность в упрощении отделения детали, выполненной посредством аддитивного изготовления, от подложки при помощи промышленно применимого метода резания по точному профилю, чтобы ограничить и даже исключить последующие операции доводки детали.

Настоящим изобретением предложено простое, эффективное и экономичное решение этой проблемы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретением предложен способ изготовления по меньшей мере одной детали из электропроводящего материала посредством аддитивного изготовления на слое порошка, содержащий этап, на котором:

а) при помощи первой машины аддитивного изготовления изготавливают слой за слоем упомянутую по меньшей мере одну деталь на подложке, при этом упомянутая деталь ограничена участком наружной поверхности контура, который находится напротив и отстоит от упомянутой подложки и который соединен с упомянутой подложкой при помощи по меньшей мере одного мостика материала, поддерживающего деталь,

отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы, на которых:

b) при помощи упомянутой машины аддитивного изготовления изготавливают контрольный элемент на подложке в заданном положении на расстоянии от упомянутой детали таким образом, чтобы упомянутая по меньшей мере одна деталь располагалась в пространстве относительно упомянутого контрольного элемента,

c) упомянутую подложку устанавливают на второй машине для отрезания упомянутой по меньшей мере одной детали и ее располагают на упомянутой машине в зависимости от положения упомянутого контрольного элемента,

d) используют электрод второй машины для отрезания упомянутой по меньшей мере одной детали путем электроискровой обработки, пропуская его между упомянутой по меньшей мере одной деталью и упомянутой подложкой вдоль и на уровне упомянутого участка поверхности.

Таким образом, в рамках заявленного способа используют две машины, то есть первую машину для аддитивного изготовления и вторую машину для отрезания посредством электроискровой обработки. Согласно изобретению, одна и та же подложка служит опорой для детали во время ее изготовления и во время ее отрезания. Для этого подложка содержит контрольный элемент, который позволяет точно расположить деталь на подложке, что облегчает операцию отрезания. Действительно, установка подложки на второй машине позволяет второй машине точно знать положение детали с целью ее отрезания, благодаря наличию контрольного элемента. Отрезание детали можно производить по сложной траектории, в частности, не параллельной относительно подложки. Отрезание можно производить по конечным размерам детали. Таким образом, изобретение позволяет исключить операции, применявшиеся в известных решениях после отрезания детали, которые состояли, в частности, в точном позиционировании детали в соответствии с координатами XYZ и в ее доводке посредством электроискровой обработки.

Заявленный способ может иметь один или несколько следующих отличительных признаков или этапов, рассматриваемых отдельно руг от друга или в комбинации друг с другом:

- этап b) осуществляют до, во время или после этапа а),

- на этапе а) одновременно изготавливают несколько идентичных деталей, которые содержат участки наружной поверхности контура, выравненные таким образом, чтобы упомянутый электрод отрезал одновременно все детали на этапе d),

- упомянутую деталь или упомянутые детали изготавливают на этапе а) с поддерживающим столбиком, который удаляют путем отрезания на этапе с),

- упомянутый по меньшей мере один поддерживающий столбик по меньшей мере частично заполняет по меньшей мере одно сквозное отверстие детали или каждой из упомянутых деталей,

- упомянутый участок поверхности или каждый из упомянутых участков поверхности расположен не параллельно относительно упомянутой подложки,

- упомянутый мостик материала образует уступ с упомянутым участком поверхности или с каждым из упомянутых участков поверхности, при этом упомянутый уступ имеет толщину, предусмотренную для облегчения начала обработки или отрезания и даже также завершения отрезания при помощи упомянутого электрода на этапе d), и

- упомянутый контрольный элемент изготавливают одновременно или после изготовления детали или деталей.

ОПИСАНИЕ ФИГУР

Изобретение будет боле понятно и его другие подробности, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематичный вид машины для аддитивного изготовления на слое порошка.

Фиг. 2 - схематичный вид в изометрии детали, выполненной при помощи заявленного способа.

Фиг. 3-5 - этапы выполнения деталей при помощи первой машины аддитивного изготовления.

Фиг. 6 и 7 - этапы отрезания деталей при помощи второй машины.

Фиг. 8 - схематичный вид в изометрии одной из деталей, полученных на этапах, представленных на фиг. 6-7.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Существуют два типа аддитивного изготовления детали: деталь выполняют либо посредством последовательного осаждения расплавленного материала, либо путем селективного расплавления на слое порошка, как показано на фиг. 1.

Показанная на фиг. 1 машина 6 позволяют получать деталь 8, например, деталь летательного аппарата, посредством селективного расплавления слоев порошка при помощи высокоэнергетического пучка.

Машина 6 содержит питающий бак 10 с порошком электропроводящего материала, каток 12 для перемещения этого порошка от этого бака 10 и для расстилания первого слоя 14 этого порошка на конструктивной подложке 16 (речь может идти о массивной подложке, о части другой детали или об опорной решетке, используемой для облегчения изготовления некоторых деталей).

Машина 6 содержит также рециркуляционный бак 18 для сбора незначительной части использованного (в частности, не расплавленного или не спеченного) порошка и основной части избыточного порошка после расстилания слоя порошка на подложке 16. Таким образом, основная часть порошка в рециркуляционном баке 18 состоит из свежего или рециркулированного порошка. Этот рециркуляционный бак 18 обычно называют также лотком для излишков или зольником.

Машина 6 содержит также генератор 20 лазерного пучка 22 и систему 24 управления, выполненную с возможностью направлять этом пучок 22 на любую зону подложки 16, чтобы производить сканирование любой зоны слоя порошка. Формирование лазерного пучка и изменение его диаметра на фокальной плоскости осуществляют соответственно при помощи расширителя 26 пучка и системы 28 фокусировки, которые вместе образуют оптическую систему.

Это устройство для применения способа, подобного способу прямого нанесения металла или DMD (сокращение от английского Direct Metal Deposition) на порошок, может использовать любой высокоэнергетический пучок вместо лазерного пучка 22, если только этот пучок имеет достаточную энергию, чтобы в первом случае расплавлять или в другом случае формировать переходы или мостики между частицами порошка и частью материала, на котором расположены частицы.

Каток 12 можно заменить другой соответствующей системой нанесения, такой как разбрасыватель (или бункер), связанный со скребком, с ножом или со щеткой для перемещения и расстилания порошка в виде слоя.

Система 24 управления содержит, например, по меньшей мере одно регулируемое зеркало 30, от которого отражается лазерный пучок 22, после чего попадает на слой порошка, каждая точка поверхности которого всегда находится на одной и той же высоте относительно фокусирующей линзы, входящей в состав системы 28 фокусировки, при этом угловым положением этого зеркала 30 управляет гальванометрическая головка, чтобы лазерный пучок сканировал по меньшей мере одну зону первого слоя порошка и следовал, таким образом, заранее установленному профилю детали.

Машина 6 работает следующим образом. При помощи катка 12 наносят первый слой 14 порошка материала на подложку 16, причем этот порошок перемещается от питающего бака 10 во время первого движения катка 12, затем он выравнивается и, возможно, слегка уплотняется во время обратного движения (или нескольких обратных движений) катка 12. Излишек порошка попадает в рециркуляционный бак 18. Посредством сканирования лазерным пучком 22 зону этого первого слоя 14 порошка доводят до температуры, превышающей температуру плавления этого порошка (температура ликвидуса). Гальванометрической головкой управляют в соответствии с данными, содержащимися в базе данных информативного инструмента, используемого для компьютерного проектирования и изготовления детали. Таким образом, частицы 32 порошка этой зоны первого слоя 14 расплавляются и образуют первый единый валик 34, неподвижно соединенный с подложкой 16. На этой стадии при помощи лазерного пучка можно также сканировать несколько отдельных зон этого первого слоя, чтобы после расплавления и отверждения материала получить несколько отделенных друг от друга первых валиков 34. Подложку 16 опускают на высоту, соответствующую уже определенной толщине первого слоя (от 20 до 100 мкм и, как правило, от 30 до 50 мкм). Толщина слоя расплавляемого и отверждаемого порошка остается величиной, меняющейся от одного слоя к другому, так как она в значительной степени зависит от пористости слоя порошка и от его плоскостности, тогда как запрограммированное перемещение подложки 16 является постоянной величиной, если не считать зазора. Затем на первый слой 14 и на этот первый валик 34 наносят второй слой 36 порошка, затем посредством обработки лазерным пучком 22 нагревают зону второго слоя 36, которая частично или полностью находится над этим первым валиком 34, чтобы частицы порошка этой зоны второго слоя 36 сплавились по меньшей мере с частью первого валика 34 и образовали единый или консолидированный второй валик 38, при этом оба эти валика 34 и 38 образуют блок. Для этого предпочтительно второй валик 38 уже является полностью связанным, как только часть этого второго валика 38 оказывается связанной с первым валиком. Понятно, что в зависимости от профиля изготавливаемой детали и, в частности, в случае поверхности в виде контруклона вышеупомянутая зона первого слоя может не находиться даже частично под вышеупомянутой зоной второго слоя 36, и в этом случае первый валик 34 и второй валик 38 не образуют единый блок. Затем этот процесс послойного построения детали продолжают, добавляя дополнительные слои порошка на уже полученный комплекс. Сканирование пучком 22 позволяет формировать каждый слой, придавая ему форму, соответствующую геометрии выполняемой детали. Нижние слоя детали охлаждаются более или менее быстро по мере формирования верхних слоев детали.

Чтобы уменьшить загрязнение детали, например, растворенным кислородом, оксидом(ами) или другим загрязнителем, это изготовление осуществляют в камере с контролируемой влажностью, адаптированной к сочетанию способ/материал, которая заполнена газом, нейтральным (не реактивным) по отношению к рассматриваемому материалу, таким как азот (N2), аргон (Ar) или гелий (He) с добавлением или без добавления небольшого количества водорода (Н2), известного своей восстанавливающей способностью. Можно также использовать смесь по меньшей мере двух из этих газов. Чтобы препятствовать загрязнению, в частности, кислородом окружающей среды, обычно в этой камере создают повышенное давление.

Таким образом, в соответствии с известными решениями, селективное расплавление или селективное спекание при помощи лазера позволяет получать с высокой размерной точностью малозагрязненные детали, которые могут иметь сложную трехмерную геометрию.

Кроме того, при селективном расплавлении или селективном спекании при помощи лазера предпочтительно используют порошки сферической морфологии, которые являются чистыми (то есть не загрязненными остаточными элементами после синтеза), очень мелкими (размер каждой частицы составляет от 1 до 100 мкм и предпочтительно от 45 до 90 мкм), что позволяет получать отличное поверхностное состояние готовой детали.

Кроме того, селективное расплавление или селективное спекание при помощи лазера позволяет сократить сроки производства, снизить стоимость и издержки по сравнению с деталью, получаемой путем формования, литья под давлением или механической обработки в своей массе.

На фиг. 2 и следующих фигурах представлен вариант осуществления заявленного способа.

На фиг. 2 показан пример детали 8, которую можно изготовить при помощи машины 6, причем эта деталь 8 имеет в данном случае сложную форму. Она в целом имеет плоскую и толстую форму с контуром по существу в виде картофелины. Она имеет две по существу параллельные стороны, соответственно переднюю 40 и заднюю 42, и поверхность 44 контура, которая следует вышеупомянутому контуру и расположена по существу перпендикулярно к вышеупомянутым сторонам 40, 42. В данном случае и в представленном примере стороны 40, 42 является по существу вертикальными.

Кроме того, деталь 8 содержит по существу цилиндрическое сквозное отверстие 46, концы которого выходят соответственно на переднюю 40 и заднюю 42 стороны.

Поверхность 44 контура детали 8 содержит нижний участок 44а, обращенный вниз, и верхний участок 44b, обращенный вверх.

На первом этапе способа, показанном на фиг. 3, используют машину 6 аддитивного изготовления, показанную на фиг. 1, для выполнения детали 8, показанной на фиг. 2, на подложке 16. Деталь 8 сложной формы необходимо поддерживать, чтобы она не оседала по причине напряжений при изготовлении. Так, нижний участок 44а поверхности контура детали, который обращен к подложке 16, соединен с подложкой при помощи по меньшей мере одного мостика 48 материала, удерживающего деталь. В данном случае мостик 48 материала является по существу вертикальным и расположен по всей толщине детали 8. Точно так же, верхний участок 46а внутренней цилиндрической поверхности отверстия 46 соединен по существу вертикальными удерживающими столбиками 50 с нижним участком 46b этой цилиндрической поверхности, чтобы поддерживать материал во время изготовления, находящийся вертикально над отверстием 46.

Понятно, что нижний участок 44а поверхности 44 контура является воображаемым участком, пока деталь не отрезана. Вышеупомянутый мостик 48 материала проходит по всей протяженности участка 44, то есть доходит до зон соединения участков 44а, 44b. В этих зонах мостик 48 материала содержит утолщения, образуя уступы 52 для облегчения разметки отрезания при помощи электрода, например, из латуни, что будет подробно описано ниже.

Как показано на фиг. 4, на подложке 16 одновременно можно выполнить несколько идентичных деталей 8. В данном случае изготавливаемые детали 8 расположены рядом друг с другом и отделены друг от друга промежутками. Детали 8 расположены таким образом, чтобы их поверхности 44 контура, а также их отверстия 46 были выравнены и находились на одной линии.

На другом этапе способа, который может быть осуществлен до, во время или после этапа изготовления деталей 8, предусмотрено выполнение контрольного элемента 51 на подложке. В представленном примере контрольный элемент 51 представляет собой планку, присоединенную к верхней стороне подложки 16 вблизи деталей 8. В данном случае она расположена по существу параллельно оси отверстий 46 или оси детали. В поперечном сечении она имеет по существу прямоугольную форму.

Предпочтительно контрольный элемент 51 изготавливают одновременно с деталями 8, то есть посредством аддитивного изготовления. Таким образом, относительные положения деталей 8 и контрольного элемента 51 точно определяет информативная система, связанная с машиной 6 аддитивного изготовления.

После завершения выполнения деталей 8 посредством аддитивного изготовления подложку 16 снимают с первой машины 10 и устанавливают на вторую машину 60 для резания посредством электроискровой обработки. Машина частично и очень схематично показана в виде монтажного уголка на фиг. 6.

Подложку 16 точно позиционируют в ортонормированной системе координат XYZ на машине 60. Именно контрольный элемент 51 позволяет установить подложку 16 в точном положении на машине 60. Для этого машина 60 может быть оснащена щупом или может содержать средства, выполненные с возможностью приходить в положение упора в контрольный элемент 51. При этом подложку 16 перемещают поступательным движением вдоль осей Y и Z и/или поворачивают вокруг оси Х, пока контрольный элемент не будет расположен правильно и пока его положение не будет зарегистрировано информативной системой, связанной с машиной 60. Затем подложку 16 закрепляют на монтажном уголке.

Положения деталей 8 относительно контрольного элемента 51 известны, и их формы и размеры тоже известны. Эти данные записаны в компьютерной программе машины 60, что позволяет определить траектории режущего электрода.

Отрезание производят посредством электроискровой обработки, при этом на электрод подают электрический ток. Электрод перемещают в разрезаемом материале, и электрические разряды между (электропроводящим) материалом и электродом обеспечивают разрезание материала посредством электроискровой обработки.

Предпочтительно мостик 48 материала имеет толщину на уровне уступов 52, которая равна не менее 1 мм (при измерении в плоскости рассматриваемой детали 8), чтобы обеспечивать прохождение режущего электрода 46 между деталью и подложкой, при этом электрод имеет диаметр, не превышающий 1 мм в представленном примере.

В примере, представленном на фиг. 7, электрод (схематично показанный пунктирной линией 62) сначала вставляют в отверстия 46 деталей, частичные перекрытые столбиками 50, и перемещают вокруг оси отверстий 46 для обрезания столбиков на их концах, чтобы получить цилиндрические поверхности отверстий 46 деталей, в ходе двух последовательных этапов.

Затем электрод (схематично показанный пунктирной линией 64) перемещают вдоль участков 44а деталей, для чего его сначала устанавливают на уровне уступов 52 с одной стороны деталей 8 и затем завершают отрезание на уступах с противоположной стороны (электрод на выходе схематично показан пунктирной линией 66).

Таким образом, получают партию деталей 8, обрезанных по конечным размерам, таких как деталь, показанная на фиг. 8.

Изобретение относится к изготовлению деталей из электропроводящего материала посредством аддитивного изготовления на слое порошка и может быть использовано в авиационной промышленности. Способ включает изготовление по меньшей мере одной детали на подложке первой машины аддитивного изготовления, при этом упомянутая деталь ограничена участком наружной поверхности контура, который находится напротив и на расстоянии от упомянутой подложки и который соединен с упомянутой подложкой при помощи по меньшей мере одного мостика материала, удерживающего деталь. На подложке в заданном положении изготавливают контрольный элемент. Подложку устанавливают на второй машине для отрезания упомянутой по меньшей мере одной детали посредством электроискровой обработки с использованием электрода упомянутой второй машины, пропуская его между упомянутой по меньшей мере одной деталью и упомянутой подложкой вдоль и на уровне упомянутого участка поверхности. Упрощается отделение детали, выполненной посредством аддитивного изготовления, от подложки с использованием метода резания по точному профилю, исключается необходимость последующей доводки деталей. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления по меньшей мере одной детали (8) из электропроводящего материала посредством аддитивного изготовления на слое порошка, содержащий этап, на котором

а) при помощи первой машины (10) аддитивного изготовления изготавливают слой за слоем упомянутую по меньшей мере одну деталь на подложке (16), при этом упомянутая деталь ограничена участком (44а) наружной поверхности (44) контура, который находится напротив и на расстоянии от упомянутой подложки и который соединен с упомянутой подложкой при помощи по меньшей мере одного мостика (48) материала, удерживающего деталь,

отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы, на которых

b) при помощи упомянутой машины (10) аддитивного изготовления изготавливают контрольный элемент (51) на подложке в заданном положении на расстоянии от упомянутой детали таким образом, чтобы упомянутая по меньшей мере одна деталь располагалась на расстоянии относительно упомянутого контрольного элемента,

c) упомянутую подложку устанавливают на второй машине (60) для отрезания упомянутой по меньшей мере одной детали и ее располагают на упомянутой машине в зависимости от положения упомянутого контрольного элемента,

d) используют электрод (62-66) второй машины для отрезания упомянутой по меньшей мере одной детали путем электроискровой обработки, пропуская его между упомянутой по меньшей мере одной деталью и упомянутой подложкой вдоль и на уровне упомянутого участка поверхности.

2. Способ по п. 1, в котором на этапе а) одновременно изготавливают несколько идентичных деталей (8), которые содержат участки (44а) наружной поверхности контура, выравненные таким образом, чтобы упомянутый электрод (62-66) отрезал одновременно все детали на этапе с).

3. Способ по п. 1 или 2, в котором упомянутую деталь (8) или каждую из упомянутых деталей изготавливают на этапе а) по меньшей мере с одним поддерживающим столбиком (50), который удаляют путем отрезания на этапе d).

4. Способ по п. 3, в котором упомянутый по меньшей мере один поддерживающий столбик (50) по меньшей мере частично заполняет по меньшей мере одно сквозное отверстие (46) детали (8) или каждой из упомянутых деталей.

5. Способ по одному из пп. 1-4, в котором упомянутый участок (44а) поверхности или каждый из упомянутых участков поверхности расположен не параллельно относительно упомянутой подложки (16).

6. Способ по одному из пп. 1-5, в котором упомянутый мостик (48) материала образует уступ (52) с упомянутым участком (44а) поверхности или с каждым из упомянутых участков поверхности, при этом упомянутый уступ (52) имеет толщину, обеспечивающую облегчение начала отрезания и завершение отрезания посредством упомянутого электрода на этапе d).

7. Способ по одному из пп. 1-6, в котором упомянутый контрольный элемент (51) изготавливают одновременно или после изготовления детали или деталей (8).