RU2803179C1 - Device for selective laser melting of powder materials - Google Patents

Abstract

FIELD: laser additive technologies.

SUBSTANCE: invention relates to devices for selective laser melting of powder materials. It can be used to obtain products that are prone to cracking during laser processing. The device for selective laser melting of powder materials comprises a space frame, a laser radiation source installed in it, a unit for laser radiation transmission to the scanner connected to the latter, a hopper and a heated working chamber, the open end of which is configured to supply powder material from the hopper using a levelling knife mounted on a linear levelling drive. The heated working chamber is made with a mechanism for lowering the manufactured workpiece, the body of the heated working chamber is made of quartz glass. The device is equipped with a high-speed video camera and a light source mounted on a spatial frame and directed to the laser processing zone, a heating element in the form of a nickel-chromium thread wound around the body of the heated working chamber, and a heat insulator covering them.

EFFECT: expansion of operational capabilities by increasing the maximum heating temperature and the possibility of diagnosing the mass transfer process in the melting zone.

1 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to the field of laser additive technologies and is intended for the production of products by heating in a heated working chamber the substrate and materials that are prone to cracking during laser processing, as well as for diagnosing the mass transfer process in the melting zone.

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.).A device is known for producing products from fragile powder materials, made with the upper layers of the product heated by induction currents, transferring their heat to the resulting product (US Patent No. US 10464170 B2, published 11/05/2019).

Недостатком данного устройства является большая трудоемкость изготовления нагревательной системы, возможность нагрева только тех материалов, которые индуцируются переменным магнитным полем, техническая сложность и малый КПД.The disadvantage of this device is the high complexity of manufacturing the heating system, the ability to heat only those materials that are induced by an alternating magnetic field, technical complexity and low efficiency.

Другим недостатком данного устройства является отсутствие приборов диагностики для корректировки технологических процессов плавления.Another disadvantage of this device is the lack of diagnostic devices for adjusting melting processes.

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/).The closest in technical essence to the proposed invention is a device for selective laser melting (SLM) of powder materials, selected as a prototype, containing a spatial frame, a laser radiation source installed in it, a laser radiation transmission unit connected to the latter to the scanner, a hopper and a heated working chamber , the open end of which is configured to supply powder material from the hopper using a leveling knife mounted on a linear leveling drive, while the heated working chamber is made with a mechanism for lowering the workpiece being manufactured (https://aconity3d.com/products/aconity-one/) .

Недостатком известного устройства, в том числе технической проблемой, является ограниченный диапазон обрабатываемых порошковых материалов.A disadvantage of the known device, including a technical problem, is the limited range of processed powder materials.

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.The claimed invention was based on a technical result - expansion of operational capabilities by increasing the maximum heating temperature, which ensures an expansion of the range of processed powder materials, as well as optimization of processing parameters by diagnosing the mass transfer process in the melting zone.

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.The technical result is achieved by the fact that in a device for selective laser melting of powder materials, containing a spatial frame, a laser radiation source installed in it, a unit for transmitting laser radiation to the scanner connected to the latter, a hopper and a heated working chamber, the open end of which is configured to supply powder material from the hopper using a leveling knife mounted on a linear leveling drive, while the heated working chamber is made with a mechanism for lowering the workpiece being manufactured, the body of the heated working chamber is made of quartz glass, and the device is equipped with a high-speed video camera and a light source mounted on a spatial frame and directed into the laser processing zone, a heating element in the form of a nickel-chromium thread wound around the body of the heated working chamber, and a heat insulator covering them.

Изобретение поясняется графическим изображением.The invention is illustrated graphically.

На чертеже схематично изображено устройство для селективного лазерного плавления порошковых материалов.The drawing schematically shows a device for selective laser melting of powder materials.

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.A device for selective laser melting of powder materials contains a spatial frame 1, a laser radiation source 2 installed in it, a laser radiation transmission unit 3 connected to the latter to the scanner 4, a hopper 5 and a heated working chamber 6, the open end of which is configured to supply powder material 7 from the hopper 8 using a leveling knife 9 mounted on a linear leveling drive 10, while the heated working chamber 6 is made with a mechanism for lowering the workpiece being manufactured 11, in the claimed device the body of the heated working chamber 6 is made of quartz glass, and the device is equipped with a high-speed video camera 12 and a light source 13 fixed to the space frame, a heating element in the form of a nickel-chromium thread 14 wound on the body of the heated working chamber, and a heat insulator 15 covering them.

Устройство для селективного лазерного плавления порошковых материалов работает следующим образом.A device for selective laser melting of powder materials operates as follows.

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.Before manufacturing a part by selective laser melting, powder material 7 is poured into hopper 8, and a substrate is installed into the heated working chamber 6 to produce the product layer-by-layer. The powder from the hopper 5 is supplied to the open end of the heated working chamber, after which it is leveled using a leveling knife 9, which is driven by a linear leveling drive 10. Then the required temperature of the heated working chamber 6 is set and the heating element in the form of a nickel-chromium thread 14 is turned on. The remaining parts of the device are protected from unwanted thermal effects by a heat insulator 15. After heating to a given temperature, the laser radiation source 2, the scanner 4, and the laser radiation transmission unit 3 connected to the laser radiation source 2 are turned on. Then the laser radiation source 2 switches to emission mode and at this time The scanner 4 deflects the laser beam in accordance with the specified processing program; after completing the processing of the layer, the workpiece is lowered using the lowering mechanism of the workpiece being manufactured 11. To adjust the technological modes of the melting process, a high-speed video camera 12 and a light source 13 are used, with which video of the processing process is recorded, according to which, after diagnosing mass transfer, optimizes processing modes.

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.The use of a heater in the form of a nickel-chromium filament in this device makes it possible to simplify the design compared to devices with induction heaters, which are more difficult to design and manufacture, and as a result, require highly qualified personnel for their development and operation. Increasing the preheating temperature, achieved by changing the type of heater, allows the processing of a larger range of powder materials, since the tendency for such materials to crack is explained by thermal shock due to localized heating by the laser. As the preheating temperature increases, the temperature gradient during laser processing will decrease, and as a result, the material that requires a high preheating temperature will no longer crack.

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.The use of a high-speed video camera in this device makes it possible to optimize technological modes by analyzing the captured video materials of laser processing, and the light source allows you to shoot video at a short shutter speed associated with a high number of frames per second.

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.Thus, the declared set of essential features reflected in the claims of the invention ensures the achievement of the declared technical result - simplifying the design of the heated working chamber and increasing the maximum preheating temperature by changing the type of heater from induction to heating using an eclectic current passing through a nickel-chromium filament heating, as well as optimization of processing parameters after diagnosing mass transfer in the melting zone using a high-speed video camera.

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.Analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the features specified in the formula are essential and interrelated to form a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art and sufficient to obtain the required synergistic (over-total) technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates that the following set of conditions are met when using the claimed technical solution:

- 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.- an object embodying the claimed technical solution, when implemented, is intended to carry out the process of selective laser melting of brittle powder materials without cracking the material due to preheating of the material being processed, as well as optimizing processing parameters by diagnosing mass transfer in the melting zone using filming from a high-speed video camera.

- 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;- for the declared object in the form as it is characterized in the formula, the possibility of its implementation has been confirmed using the means and methods described above in the application or known from the prior art at the priority date;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- an object that embodies the declared technical solution, when implemented, is capable of achieving the technical result envisaged by the applicant.

Следовательно, по мнению заявителя, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Consequently, in the opinion of the applicant, the claimed object meets the patentability criteria of “novelty”, “inventive step” and “industrial applicability” under current legislation.

Claims (1)

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.A device for selective laser melting of powder materials, containing a spatial frame, a laser radiation source installed in it, a unit for transmitting laser radiation to the scanner connected to the latter, a hopper and a heated working chamber, the open end of which is configured to supply powder material from the hopper using a leveling knife installed on a linear leveling drive, while the heated working chamber is made with a mechanism for lowering the workpiece being manufactured, characterized in that the body of the heated working chamber is made of quartz glass, and the device is equipped with a high-speed video camera and a light source, mounted on a spatial frame and directed towards the laser zone processing, a heating element in the form of a nickel-chromium thread wound around the body of the heated working chamber, and a heat insulator covering them.