Вольфрамовый нагреватель с экранами и способ его изготовления Российский патент 2025 года по МПК H05B3/00 

Изобретение относится к области электрического нагрева, в частности к нагревательным элементам и способу его изготовления.

Известен нагревательный прибор со стержнями из термостойкого материала А1, опубл. 01.07.1971], содержащий определенное количество нагревательных устройств, из вольфрамовых стержней, расположенных параллельно друг другу, зажатыми, по крайней мерс, на одном из их концов, между двумя стержнями, изготовленными из термостойкого металла, металлическими крепежными элементами, характеризующимися тем, что два крепежных элемента соединены между собой с помощью промежуточной пленки и в этом узле в области пленки по всей ее высоте просверлены углубления, по существу соответствующие диаметру стержней, что пленка удаляется, и что два крепежных элемента соединены друг с другом. Элементы могут быть прикреплены друг к другу путем соединения их вместе.

Недостатком данного нагревательного прибора является сборный корпус нагревателя, сложная технология изготовления с помощью дополнительных оснасток и отсутствие экранов, которое бы обеспечивало снижение трудозатратности изготовления.

Известна печь для плавки металла с использованием эффекта Джоуля [US4072814A, опубл. 07.02.1978], содержащая полый трубчатый корпус, который представляет собой нагревательный резистор, зажатый между двумя электродами, и отдельный тигель для металла, который установлен внутри трубчатого корпуса и вис прямого контакта с электродами. С целью дальнейшего повышения температуры плавления часть тепла, рассеянного снаружи нагревательного элемента, может быть возвращена. Для этой цели цилиндрический элемент окружен, с помощью цилиндрического теплового экрана, который действует как отражатель по отношению к стенкам оболочки, которые он защищает от слишком высокой температуры.

Недостатком печи для плавки металла с использованием эффекта Джоуля является, составной принцип нагревателя, собранного из отдельного вольфрамового цилиндра, отдельного экрана, которое бы обеспечивало снижение трудозатратности изготовления.

Наиболее близким но технической сущности является датчик с 3D-печатью для быстрого непрямого радиочастотного нагрева [US2021400777A1, опубл. 23.12.2021], включающий в себя: нагреватели, напечатанные на 3D-принтере, включающие, сплошные или сетчатые стенки, выполненные в форме полых цилиндров, пирамид, сфер, полусфер, эллипсоидов, параболоидов, тороидов или призм; плоских плоскостей; или других полых или сплошных трехмерных форм. Нагреватели, напечатанные на 3D-принтере, могут быть сформированы из любого подходящего исходного материала, такого как порошок вольфрама, графит, карбид кремния, порошок молибдена, порошок тантала, порошок рения или их сплавы, или могут быть сформированы таким образом, что некоторые части сенсоров сформированы из одного или нескольких материалов, в то время как другие части сформированы из разных материалов. При этом нагреватель может быть полым с двух сторон внутренней и внешней поверхностей стенки представляет собой поверхность стенки с рисунком, которая включает в себя одну или более канавок, каналов или полостей в ней.

Основным недостатком прототипа, содержащего нагреватель из вольфрама напечатанного на 3D-принтере, с поверхностью стенки с рисунком, является отсутствие дополнительных экранов и оптимизированного дизайна нагревателя для послойного синтеза таким образом, чтобы нормальные векторы всех нависающих плоскостей конструкции имели угол с осью построения не менее 45°, что позволили избежать добавление каких-либо поддерживающих структур, которое бы обеспечивало снижение трудозатратности изготовления.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в снижение трудозатратности изготовления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что вольфрамовый нагреватель с экранами, выполненный в форме многослойного полого цилиндра, центральный из которых является нагревателем, на концах которого имеются тоководы, остальные экранами, которые конструктивно соединены с одной стороны с центральным цилиндром;

способ изготовления вольфрамового нагревателя с экранами, характеризующийся тем, что проводят оптимизацию дизайна нагревателя для послойного анализа, слайсинг 3D-модели с разбиением на плоские слои конечной толщины, изготавливают нагреватель с экранами селективным лазерным плавлением (СЛП).

В частности, что цилиндры имеют глухие вырезы в области контактов и тепловых экранов.

В частности, что центральный цилиндр имеет сетчатый каркас в зоне нагрева для увеличения электрического сопротивления и снижения термических напряжений.

В частности, что в качестве материалов использовались порошок вольфрама фракцией 5-25 мкм и стальная подложка диаметром 50 мм.

В частности, что дизайн нагревателя был оптимизирован для послойного синтеза таким образом, чтобы нормальные векторы всех нависающих плоскостей конструкции имели угол с осью построения не менее 45°.

В частности, что слайсинг 3D-модели нагревателя был проведен в специализированном IIO Gliser.

В частности, что нагреватель с экранами был разделен на 2200 слоев толщиной 30 мкм, каждый слой имел шахматную стратегию сканирования с контурным проходом.

В частности, что расстояние между векторами сканирования составляло 60 мкм внутри шахматы с ребром 5 мм.

В частности, что мощность лазера и скорость сканирования имели значения 350 Вт и 400 мм/с соответственно.

В частности, что СЛП синтез осуществляли в инертной среде аргона, с содержанием кислорода <100 ppm.

В частности, что при СЛП синтезе диаметр пучка лазера и длина волны излучения составляли 80 мкм и 1070 им соответственно.

Изобретение поясняется чертежами, где

На фиг. 1 представлен вольфрамовый нагреватель с экранами вид сбоку с разрезом.

На фиг. 2 представлен вольфрамовый нагреватель с экранами вид сверху.

На фиг. 3 представлен вольфрамовый нагреватель с экранами общий вид.

На фиг. 4 представлен вольфрамовый нагреватель с экранами вид сбоку.

На фигурах обозначено: 1 - тупиковые прорези, 2 - центральный цилиндр, 3 - глухие вырезы, 4 - цилиндр (внутренний экран), 5 - цилиндр (средний экран), 6 - цилиндр (внешний экран), 7 - пластина, 8 - токовод, 9 - токовод, 10 - конический цилиндр.

Осуществление изобретения.

Вольфрамовый нагреватель в форме многослойного цилиндра, имеющих сквозные тупиковые прорези 1, центральный цилиндр 2 при этом с глухими вырезами 3, представляющий из себя сетчатый каркас и являющийся непосредственно нагревателем, 4, 5, 6 цилиндры (экраны) конструктивно соединены с центральным цилиндром 2 в нижней части пластиной 7 под углом, оканчивающейся по диаметру 6 цилиндра и продолжающего его, образуя токовод 8, в верхней части токовод 9 также образован внешней стенкой центрального цилиндра 1 и конически соединенным цилиндром 10, смонтированный к центральному цилиндру, может быть получен способом, характеризующимся тем, что нагреватель изготавливается методом селективного лазерного плавления (СЛП), характеризуется следующими технологическими режимами: защитная среда (аргон или вакуум), скорость движения лазера (или сканирования задаваемой площади поверхности лазерным лучом) 400 мм/с, мощность лазерного излучения 350 Вт, диаметр пятна лазера на зону поверхности в диапазоне 80-100 мкм, толщина единичного сплавляемого слоя 30 мкм, диаметр пучка лазера 80 мкм, волна излучения 1070 нм, в качестве материалов использовали порошок вольфрама фракцией 5-25 мкм, дизайн нагревателя был оптимизирован для послойного синтеза таким образом, чтобы нормальные векторы всех нависающих плоскостей конструкции имели угол с осью построения не менее 45°, что позволили избежать добавление каких-либо поддерживающих структур.

Вольфрамовый нагреватель используется следующим способом.

Перед применением вольфрамовый нагреватель соединяется тоководом 8 и тоководом 9 в соответствующие по размеру токоприемники, в центре вольфрамового нагревателя устанавливается образцы (не показаны), печь закрывается, вакуумируется, по тоководам подастся ток, который проходит по центральному цилиндру 2 и из-за сетчатого каркаса нагревает его, при этом цилиндры 4, 5, 6 не нагреваются за счет того, что они конструктивно соединены только одной частью, через тупиковые прорези 1 возможно наблюдение за нагревание образцов, через окно в печи, способ изготовление вольфрамового нагревателя характеризующимся тем, что нагреватель изготавливается методом селективного лазерного плавления (СЛП), характеризуется следующими технологическими режимами: защитная среда (аргон или вакуум), скорость движения лазера (или сканирования задаваемой площади поверхности лазерным лучом) 400 мм/с, мощность лазерного излучения 350 Вт, диаметр пятна лазера на зону поверхности в диапазоне 80-100 мкм, толщина единичного сплавляемого слоя 30 мкм, диаметр пучка лазера 80 мкм, волна излучения 1070 нм, в качестве материалов использовали порошок вольфрама фракцией 5-25 мкм, дизайн нагревателя был оптимизирован для послойного синтеза таким образом, чтобы нормальные векторы всех нависающих плоскостей конструкции имели угол с осью построения не менее 45°, что позволили избежать добавление каких-либо поддерживающих структур.

Пример использования изобретения.

В соответствии с заявленным способом был изготовлен вольфрамовый нагреватель с экранами для высокотемпературной вакуумной печи для исследования процессов смачивания и пропитывания. Для этого изначально был спроектирован и оптимизирован дизайн нагревателя для послойного синтеза таким образом, чтобы нормальные векторы всех нависающих плоскостей конструкции имели угол с осью построения не менее 45°. Данный подход позволил избежать добавление каких-либо поддерживающих структур, это уменьшает количество трудозатрат для изготовления дополни тельных оснасток и сводит к отсутствию дополнительных сборных частей изобретения, так как вольфрамовые нагреватели работают в области высоких температур и для возможности высокотемпературного нагрева используются экраны для отражения излученной энергии нагревателя. Слайсинг 3D-модели нагревателя был проведен в специализированном ПО Gliser. Деталь была разделена на 2200 слоев толщиной 30 мкм, каждый слой имел шахматную стратегию сканирования с контурным проходом. Расстояние между векторами сканирования составляло 60 мкм внутри шахматы с ребром 5 мм. Скорость сканирования имело значения 400 мм/с. Па основании полученных результатов механических испытаний была выбрана скорость сканирования 400 мм/с. Поскольку образцы со скоростью сканирования 300 и 400 мм/с не показали существенной разницы, рассматривалось более высокое значение из-за потенциально более низких остаточных напряжений и более высоких скоростей наращивания.

В качестве материалов использовался порошок вольфрама фракцией 5-25 мкм, а также стальная подложка диаметром 50 мм на которой происходила печать нагревателя с экранами.

Зачем нагреватель с экранами был изготовлен методом селективного лазерного плавления (СЛП) па установке AddSol D50. Диаметр пучка лазера и волна излучения составляли 80 мкм и 1070 нм соответственно. СЛП синтез осуществляли в инертной среде аргона, с содержанием кислорода <100 ppm для снижения окисления материала и изменения его свойств. Поскольку исходный порошок имеет относительно небольшой средний размер частиц, а толщина слоя примерно в два раза превышает шаг платформы, для построения пластины использовался постоянный шаг 30 мкм.

Варьирование режима позволило найти оптимальный режим (Р=350 Вт, V=400 мм/с, h=80 мкм), приводящий к относительной плотности 96,7% для вольфрамового материала, напечатанного на 3D-принтере.

Данный вольфрамовый нагреватель был использован для исследования смачивания и растекания при высоких температурах в вакуумной печи неоднократное количество раз для небольших объемов нагреваемого материала.

Таким образом, благодаря заявленному изобретению возможно снизить трудозатраности изготовления высокотемпературных нагревателей с экранами, состоящих из нескольких частей и изготавливать нагреватели сложной формы различных размеров.

Изобретение относится к области электрического нагрева, в частности к нагревательным элементам и способу его изготовления. Техническим результатом изобретения является снижение трудозатратности изготовления. Вольфрамовый содержит экраны, выполненные многослойными причем слои имеют форму полого цилиндра, центральный слой представляет собой сетчатый каркас с глухими вырезами, является нагревателем и имеет на концах тоководы. Каждый из тоководов образован цилиндром, соединенным конической поверхностью с внешней стенкой центрального цилиндра, а остальные слои являются экранами и в своей нижней части конструктивно соединены с центральным цилиндром пластиной, образующей токовод. Причем нагреватель выполнен селективным лазерным плавлением таким образом, что нормальные векторы всех конических поверхностей конструкции имеют угол с осью построения не менее 45^о. Способ включает слайсинг 3D-модели с разбиением на плоские слои конечной толщины и изготовление нагревателя с экранами послойно селективным лазерным плавлением таким образом, чтобы нормальные векторы всех конических поверхностей конструкции имели угол с осью построения не менее 45°. Послойное изготовление осуществляется на стальной подложке диаметром 50 мм с использованием в качестве защитной среды аргона или вакуума, при скорости сканирования задаваемой поверхности лазерным лучом 400 мм/с, мощности лазерного луча 350 Вт, диаметре пятна лазера в диапазоне 80-100 мкм, толщине единичного составляемого слоя 30 мкм, излучении с длиной волны 1070 нм, при диаметре пучка лазера 80 мкм, с использованием в качестве материалов порошка вольфрама фракцией 5-25 мкм. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вольфрамовый нагреватель с экранами, выполненный многослойным, в котором слои имеют форму полого цилиндра, причем центральный слой представляет собой сетчатый каркас с глухими вырезами, является нагревателем и имеет на концах тоководы, каждый из которых образован цилиндром, соединенным конической поверхностью с внешней стенкой центрального цилиндра, а остальные слои являются экранами и в своей нижней части конструктивно соединены с центральным цилиндром пластиной, образующей токовод, причем нагреватель выполнен селективным лазерным плавлением таким образом, что нормальные векторы всех конических поверхностей конструкции имеют угол с осью построения не менее 45°.

2. Вольфрамовый нагреватель с экранами по п. 1, отличающийся тем, что остальные слои, являющиеся экранами, имеют глухие вырезы в области контактов.

3. Способ изготовления вольфрамового нагревателя с экранами по п. 1, характеризующийся тем, что проводят слайсинг 3D-модели с разбиением на плоские слои конечной толщины и изготавливают нагреватель с экранами послойно селективным лазерным плавлением таким образом, чтобы нормальные вектора всех конических поверхностей конструкции имели угол с осью построения не менее 45°, на стальной подложке диаметром 50 мм с использованием в качестве защитной среды аргона или вакуума, при скорости сканирования задаваемой поверхности лазерным лучом 400 мм/с, мощности лазерного луча 350 Вт, диаметре пятна лазера в диапазоне 80-100 мкм, толщине единичного составляемого слоя 30 мкм, излучении с длиной волны 1070 нм, при диаметре пучка лазера 80 мкм, с использованием в качестве материалов порошка вольфрама фракцией 5-25 мкм.

4. Способ изготовления вольфрамового нагревателя с экранами по п. 3, отличающийся тем, что разбиение проводят на 2200 слоев толщиной 30 мкм, причем для каждого слоя применяют шахматную стратегию лазерного сканирования с контурным проходом.

5. Способ изготовления вольфрамового нагревателя с экранами по любому из пп. 3 или 4, отличающийся тем, что расстояние между векторами сканирования составляет 60 мкм внутри шахматы с ребром 5 мм.

6. Способ изготовления вольфрамового нагревателя с экранами по п. 3, отличающийся тем, что синтез селективным лазерным плавлением осуществляли в инертной среде аргона с содержанием кислорода <100 ppm.