Устройство для селективного лазерного плавления порошковых материалов Российский патент 2023 года по МПК B22F12/17 B22F12/00 B33Y30/00 B29C64/295 

Изобретение относится к области лазерных аддитивных технологий и предназначено для получения изделий, за счет подогрева в нагреваемой рабочей камере подложки и материалов, которые склонны к растрескиванию во время лазерной обработки, а также для диагностики процесса массопереноса в зоне плавления.

Известно устройство для получения изделий из хрупких порошковых материалов, выполненное с нагреваемыми индукционными токами верхними слоями изделия, передающей свое тепло получаемому изделию (Патент США №US 10464170 B2, опубл. 05.11.2019 г.).

Недостатком данного устройства является большая трудоемкость изготовления нагревательной системы, возможность нагрева только тех материалов, которые индуцируются переменным магнитным полем, техническая сложность и малый КПД.

Другим недостатком данного устройства является отсутствие приборов диагностики для корректировки технологических процессов плавления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для селективного лазерного плавления (СЛП) порошковых материалов, содержащее пространственную раму, установленные в ней источник лазерного излучения, связанный с последним узел передачи лазерного излучения к сканатору, бункер и нагреваемую рабочую камеру, открытый конец которой выполнен с возможностью подачи порошкового материала из бункера с помощью разравнивающего ножа, установленного на линейном приводе разравнивания, при этом нагреваемая рабочая камера выполнена с механизмом опускания изготавливаемой заготовки (https://aconity3d.com/products/aconity-one/).

Недостатком известного устройства, в том числе технической проблемой, является ограниченный диапазон обрабатываемых порошковых материалов.

В основу заявленного изобретения был положен технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет повышения максимальной температуры подогрева, обеспечивающего расширение диапазона обрабатываемых порошковых материалов, а также оптимизация параметров обработки за счет диагностики процесса массопереноса в зоне плавления.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для селективного лазерного плавления порошковых материалов, содержащем пространственную раму, установленные в ней источник лазерного излучения, связанный с последним узел передачи лазерного излучения к сканатору, бункер и нагреваемую рабочую камеру, открытый конец которой выполнен с возможностью подачи порошкового материала из бункера с помощью разравнивающего ножа, установленного на линейном приводе разравнивания, при этом нагреваемая рабочая камера выполнена с механизмом опускания изготавливаемой заготовки, корпус нагреваемой рабочей камеры, выполнен из кварцевого стекла, а устройство снабжено высокоскоростной видеокамерой и источником света закрепленными на пространственной раме и направленными в зону лазерной обработки, нагревательным элементом в виде никель-хромовой нити, намотанной на корпус нагреваемой рабочей камеры, и охватывающим их теплоизолятором.

Изобретение поясняется графическим изображением.

На чертеже схематично изображено устройство для селективного лазерного плавления порошковых материалов.

Устройство для селективного лазерного плавления порошковых материалов содержит пространственную раму 1, установленные в ней источник 2 лазерного излучения, связанный с последним узел передачи лазерного излучения 3 к сканатору 4, бункер 5 и нагреваемую рабочую камеру 6, открытый конец которой выполнен с возможностью подачи порошкового материала 7 из бункера 8 с помощью разравнивающего ножа 9, установленного на линейном приводе разравнивания 10, при этом нагреваемая рабочая камера 6 выполнена с механизмом опускания изготавливаемой заготовки 11, в заявленном устройстве корпус нагреваемой рабочей камеры 6 выполнен из кварцевого стекла, а устройство снабжено высокоскоростной видеокамерой 12 и источником 13 света закрепленными на пространственную раму, нагревательным элементом в виде никель-хромовой нити 14, намотанной на корпус нагреваемой рабочей камеры, и охватывающим их теплоизолятором 15.

Устройство для селективного лазерного плавления порошковых материалов работает следующим образом.

Перед изготовлением детали селективным лазерным плавлением в бункер 8 засыпают порошковый материал 7, а в нагреваемую рабочую камеру 6 устанавливают подложку для послойного получения изделия. Порошок из бункера 5 подается на открытый конец нагреваемой рабочей камеры, после чего разравнивается с помощью разравнивающего ножа 9, который приводится в движение линейным приводом разравнивания 10. Затем выставляется необходимая температура нагреваемой рабочей камеры 6 и включается нагревательный элемент в виде никель-хромовой нити 14. Остальные части устройства защищаются от нежелательного термического влияния теплоизолятором 15. После нагрева до заданной температуры включается источник 2 лазерного излучения, сканатор 4, связанный с источником 2 лазерного излучения узел передачи лазерного излучения 3. Затем источник лазерного излучения 2 переходит в режим эмиссии и в это время сканатор 4 отклоняется лазерный луч в соответствии с заданной программой обработки, после завершения обработки слоя, заготовка опускается с помощью механизма опускания изготавливаемой заготовки 11. Для корректировки технологических режимов процесса плавления используется высокоскоростная видеокамера 12 и источник света 13 с помощью которой записываются видео процесса обработки, по которым после диагностики массопереноса оптимизируются режимы обработки.

Использование в данном устройстве нагревателя в виде никель-хромовой нити позволяет упростить конструкцию по сравнению с устройствами с индукционными нагревателями, которые сложнее в разработке и изготовлении, а как следствие, требуют высококвалифицированного персонала для их разработки и эксплуатации. Повышение температуры предварительного подогрева, достигаемое за счет изменение типа нагревателя позволяет обрабатывать больший диапазон порошковых материалов, так как склонность к растрескиванию таких материалов объясняется термоударом из-за локализованного нагрева лазером. При повышении температуры предварительного подогрева градиент температур во время лазерной обработки будет снижаться, как следствие, материал, которому нужна высокая температура предварительного подогрева перестанет растрескиваться.

Использование в данном устройстве высокоскоростной видеокамеры позволяет оптимизировать технологические режимы за счет анализа снятых видеоматериалов лазерной обработки, а источник света позволяет снимать видео при короткой выдержке, связанной с высоким количеством кадров в секунду.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - упрощение конструкции нагреваемой рабочей камеры и повышение максимальной температуры предварительного подогрева за счет изменения типа нагревателя с индукционного на нагрев с помощью эклектического тока, проходящего через никель-хромовую нить накала, а также оптимизация параметров обработки после диагностики массопереноса в зоне плавления за счет высокоскоростной видеокамеры.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и 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 осуществления процесса селективного лазерного плавления хрупких порошковых материалов без растрескивания материала за счет предварительного подогрева обрабатываемого материала, а также оптимизации параметров обработки за счет диагностики массопереноса в зоне плавления по съемкам с высокоскоростной видеокамеры.

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, 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, по мнению заявителя, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к области лазерных аддитивных технологий, в частности к устройствам для селективного лазерного плавления порошковых материалов. Может использоваться для получения изделий, склонных к растрескиванию во время лазерной обработки. Устройство для селективного лазерного плавления порошковых материалов содержит пространственную раму, установленные в ней источник лазерного излучения, связанный с последним узел передачи лазерного излучения к сканатору, бункер и нагреваемую рабочую камеру, открытый конец которой выполнен с возможностью подачи порошкового материала из бункера с помощью разравнивающего ножа, установленного на линейном приводе разравнивания. Нагреваемая рабочая камера выполнена с механизмом опускания изготавливаемой заготовки, корпус нагреваемой рабочей камеры выполнен из кварцевого стекла. Устройство снабжено высокоскоростной видеокамерой и источником света, закрепленными на пространственной раме и направленными в зону лазерной обработки, нагревательным элементом в виде никель-хромовой нити, намотанной на корпус нагреваемой рабочей камеры, и охватывающим их теплоизолятором. Обеспечивается расширение эксплуатационных возможностей за счет повышения максимальной температуры подогрева и возможность диагностики процесса массопереноса в зоне плавления. 1 ил.

Устройство для селективного лазерного плавления порошковых материалов, содержащее пространственную раму, установленные в ней источник лазерного излучения, связанный с последним узел передачи лазерного излучения к сканатору, бункер и нагреваемую рабочую камеру, открытый конец которой выполнен с возможностью подачи порошкового материала из бункера с помощью разравнивающего ножа, установленного на линейном приводе разравнивания, при этом нагреваемая рабочая камера выполнена с механизмом опускания изготавливаемой заготовки, отличающееся тем, что корпус нагреваемой рабочей камеры выполнен из кварцевого стекла, а устройство снабжено высокоскоростной видеокамерой и источником света, закрепленными на пространственной раме и направленными в зону лазерной обработки, нагревательным элементом в виде никель-хромовой нити, намотанной на корпус нагреваемой рабочей камеры, и охватывающим их теплоизолятором.