RU86512U1

RU86512U1 - DEVICE FOR PRODUCTION OF PARTS BY THE METHOD OF LAYERED SYNTHESIS

Info

Publication number: RU86512U1
Application number: RU2008144479/22U
Authority: RU
Inventors: Олег Сергеевич Сироткин; Сергей Борисович Рыцев; Александр Викторович Власенков; Анатолий Иванович Тимофеев; Евгений Иванович Филиппов
Original assignee: Открытое акционерное общество Национальный институт авиационных технологий (ОАО НИАТ)
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2009-09-10

Abstract

1. Устройство для изготовления деталей методом послойного синтеза, выполненное в виде экспериментального стенда, содержащего жесткий каркас, лазерно-оптическую систему со спекающей лазерной оптической головкой, рабочую камеру с рабочим столом, контейнер с порошком и механизмом дозированной подачи порошка, детектор контроля нагрева спекаемого порошка, отличающееся тем, что лазерно-оптическая система содержит механизм вертикального перемещения оптической головки, головка жестко закреплена на штоке линейного сервопривода, а шток линейного сервопривода размещен в направляющей, жестко закрепленной с помощью кронштейна на экспериментальном стенде. ! 2. Устройство для изготовления деталей методом послойного синтеза по п.1, отличающееся тем, что рабочая камера выполнена с нагревательными тэнами.1. A device for the manufacture of parts by the method of layer-by-layer synthesis, made in the form of an experimental bench containing a rigid frame, a laser-optical system with a sintering laser optical head, a working chamber with a working table, a container with a powder and a dosed powder feeding mechanism, a detector for monitoring the heating of sintered powder characterized in that the laser-optical system contains a mechanism for the vertical movement of the optical head, the head is rigidly fixed to the rod of the linear servo, and the rod is linear th actuator is located in a guide rigidly fixed to a bracket on the test bench. ! 2. A device for manufacturing parts by the method of layer-by-layer synthesis according to claim 1, characterized in that the working chamber is made with heating elements.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель устройства относится к области, порошковой металлургии, производству изделий из металлических порошков с последовательным и повторным проведением процесса уплотнения и спекания, а именно к устройствам для изготовления сложных трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка с применением технологии лазерного послойного синтеза, и может найти применение в различных отраслях машино- и авиастроения.A useful model of the device relates to the field of powder metallurgy, the production of metal powder products with sequential and repeated conduction and sintering, and in particular to devices for the manufacture of complex labor-intensive parts from fine powder using the technology of laser layer synthesis, and can be used in various machine and aircraft industries.

Уровень техникиState of the art

Известны устройства с применением лазерной технологии, спекающие (сплавляющие) детали из порошков, и состоящие, в основном, из лазерно-оптической системы, рабочей камеры с вертикально подвижным столом, оборудованной механизмом дозированной подачи порошка и выравниванием его слоя, с системами вакуумирования, очистки и защиты газовой среды, а также с системами контроля температуры спекаемого слоя, охлаждения детали, с системой управления и программным обеспечением и т.д. (устройства моделей "Phenix 250", "МЗ Linear", "Trumaform LF").Known devices using laser technology, sintering (fusing) parts of powders, and consisting mainly of a laser-optical system, a working chamber with a vertically movable table, equipped with a mechanism for the dosed supply of powder and leveling its layer, with vacuum systems, cleaning and protection of the gaseous medium, as well as with systems for controlling the temperature of the sinter layer, cooling of the part, with a control system and software, etc. (devices of the "Phenix 250", "MZ Linear", "Trumaform LF" models).

В лазерно-оптических системах этих моделей применяется лазерный спекающий луч исключительно с минимальным диаметром светового пятна (с ручными способами настройки фокусного расстояния).In laser-optical systems of these models, a laser sintering beam is used exclusively with a minimum diameter of the light spot (with manual methods for adjusting the focal length).

Известны различные способы ручной настройки минимального диаметра лазерного луча. Например, патентом на изобретение РФ 2021881 С1, класс B22F 3/12, год 1994, предусматривается ручная настройка фокусного расстояния оптической системы посредством коррекции расстояния между собирательной линзой и мнимой фокальной точкой.Various methods are known for manually adjusting the minimum diameter of a laser beam. For example, patent for the invention of the Russian Federation 2021881 C1, class B22F 3/12, year 1994, provides for manual adjustment of the focal length of the optical system by correcting the distance between the collective lens and the imaginary focal point.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и техническому решению, является устройство по патенту РФ 2132761 С1, класс B22F 3/105, 1999 года, согласно которому настройка минимального диаметра луча обеспечена применением различных оптических элементов, в т.ч. телескопической оптической системы, а также светоделителя, оптических модуляторов, расширителя луча и т.д. для одновременного расфокусирования луча с целью обеспечения предварительного подогрева спекаемого порошка.Closest to the proposed device in terms of technical nature and technical solution is the device according to the patent of the Russian Federation 2132761 C1, class B22F 3/105, 1999, according to which the minimum beam diameter is set using various optical elements, including telescopic optical system, as well as a beam splitter, optical modulators, beam expander, etc. for simultaneous defocusing of the beam in order to ensure preheating of the sintered powder.

Недостатками всех выше упомянутых устройств является исключительное применение минимальных диаметров светового пятна спекающего луча, а также ручные способы их настройки при необходимости спекания больших площадей слоя порошка трудоемких деталей, что проявляется в значительных затратах времени и ресурса устройств на изготовление трудоемких деталей.The disadvantages of all the above-mentioned devices are the exclusive use of the minimum diameters of the light spot of the sintering beam, as well as the manual methods for setting them, if necessary, sintering large areas of the powder layer of labor-intensive parts, which is manifested in the significant expenditure of time and resource of devices for manufacturing labor-consuming parts.

Сущность полезной моделиUtility Model Essence

Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для изготовления деталей методом послойного синтеза, которое обеспечило бы повышение производительности изготовления трудоемких деталей посредством обеспечения возможности изменения диаметров светового пятна луча лазера в автоматическом режиме для каждого условного сечения деталей.The objective of this utility model is to create a device for the manufacture of parts by the method of layer-by-layer synthesis, which would provide an increase in the productivity of manufacturing labor-intensive parts by providing the ability to change the diameter of the light spot of the laser beam in automatic mode for each conditional section of the parts.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве для изготовления деталей методом послойного синтеза, выполненное в виде экспериментального стенда, содержащего лазерно-оптическую систему со спекающей лазерной оптической головкой, рабочую камеру с рабочим столом, контейнер с порошком и механизмом его дозированной подачи. Лазерно-оптическая система содержит дополнительный механизм вертикального перемещения оптической головки. Головка жестко закреплена на штоке линейного сервопривода. Шток линейного сервопривода размещен в направляющей, жестко закрепленной с помощью кронштейна на экспериментальном стенде. Управление перемещением головки лазера может происходить в как автоматическом, так и в ручном режиме.The problem is solved due to the fact that in the device for the manufacture of parts by the method of layer-by-layer synthesis, made in the form of an experimental stand containing a laser-optical system with a sintering laser optical head, a working chamber with a working table, a container with powder and a mechanism for its metered feeding. The laser-optical system contains an additional mechanism for the vertical movement of the optical head. The head is rigidly fixed to the linear servo rod. The linear servo rod is located in the guide, rigidly fixed with an arm to the experimental bench. Control of the movement of the laser head can occur in both automatic and manual mode.

Так же в устройстве для изготовления деталей методом послойного синтеза рабочая камера выполнена с нагревательными тэнами.Also in the device for the manufacture of parts by the method of layer-by-layer synthesis, the working chamber is made with heating elements.

Перечень фигур на чертежах.The list of figures in the drawings.

Полезная модель устройства поясняется чертежами, на которых:A useful model of the device is illustrated by drawings, in which:

Фиг.1 показывает устройство (экспериментальный стенд для спекания трудоемких деталей методом послойного синтеза).Figure 1 shows the device (experimental stand for sintering labor-intensive parts by the method of layer-by-layer synthesis).

Фиг.2 показывает область А фиг.1, на которой изображен механизм вертикального перемещения лазерной оптической головки в автоматическом режиме.Figure 2 shows the region A of figure 1, which shows the mechanism of vertical movement of the laser optical head in automatic mode.

Фиг.3 показывает схему образования минимального (фокусного) диаметра светового пятна спекающего лазерного луча с постоянным фокусным расстоянием оптической головки.Figure 3 shows a diagram of the formation of the minimum (focal) diameter of the light spot of a sintering laser beam with a constant focal length of the optical head.

Фиг.4 показывает схему образования большого (расфокусированного) диаметра светового пятна спекающего лазерного луча с постоянным фокусным расстоянием оптической головки.Figure 4 shows a diagram of the formation of a large (defocused) diameter of the light spot of a sintering laser beam with a constant focal length of the optical head.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

Устройство для изготовления деталей методом послойного синтеза, в виде экспериментального стенда (фиг.1) состоит из жесткого каркаса 1, на котором размещены контейнер 2 с порошком и механизмом дозированной подачи и выглаживания слоя порошка, механизм 3 вертикального перемещения лазерной оптической головки и каретки 4 с приводами горизонтального перемещения 5. Стенд также содержит оптоволоконный иттербериевый лазер 6, шкаф управления 7, рабочую камеру 8 (с системами вакуумирования, наддува защитного газа, очистки, охлаждения камеры, контроля фактической температуры спекаемого порошка), рабочий стола 9 с возможностью его вертикального перемещения, пульта 10 управления с режимами как ручного, так и автоматического управления стенда с программным обеспечением, защитного кожуха 11.A device for manufacturing parts by the method of layer-by-layer synthesis, in the form of an experimental stand (Fig. 1), consists of a rigid frame 1, on which a container 2 with powder and a mechanism for dosed feeding and smoothing a layer of powder are placed, a mechanism 3 for vertical movement of the laser optical head and carriage 4 s horizontal displacement drives 5. The stand also contains a fiber optic ytterbium laser 6, a control cabinet 7, a working chamber 8 (with vacuum systems, pressurization of the protective gas, cleaning, cooling the chamber, and control actual temperature of the sintered powder), a desktop 9 with the possibility of its vertical movement, a control panel 10 with both manual and automatic control modes of the stand with software, a protective casing 11.

На фиг.2 изображен механизм вертикального перемещения оптической лазерной головки, состоящий из оптической головки 12 иттербиевого волоконного лазера модели ЛС - 03-(мощностью 300 Вт). Головка жестко закреплена (с исключением возможного сдвига) на штоке линейного сервопривода 14 (с дискретностью задания перемещения - 1 мкм). Шток линейного сервопривода 14 перемещается по направляющей 13, жестко закрепленной (с исключением возможности сдвига) крепежными элементами на кронштейне 15 экспериментального стенда. Механизм вертикального перемещения оптической головки предназначен для создания различных диаметров светового пятна лазерного луча, без изменения фокусного расстояния, как в автоматическом так и в ручном режиме.Figure 2 shows the mechanism of vertical movement of the optical laser head, consisting of an optical head 12 of a ytterbium fiber laser model LS - 03- (300 W power). The head is rigidly fixed (with the exception of a possible shift) on the rod of the linear servo drive 14 (with a resolution of the movement task - 1 μm). The linear actuator rod 14 moves along the guide 13, rigidly fixed (with the exception of the possibility of shear) by fasteners on the bracket 15 of the experimental stand. The mechanism of vertical movement of the optical head is designed to create different diameters of the light spot of the laser beam, without changing the focal length, both in automatic and manual mode.

Работа устройства осуществляется следующим образом:The operation of the device is as follows:

спекающий луч с минимальным (фокусным) диаметром светового пятна предназначен для спекания из слоя порошка как линий контуров, так и сетки условного сечения трудоемких деталей. Спекающий луч с большим (расфокусированным) диаметром светового пятна предназначен для непосредственного спекания площадей и ячеек сетки и зон слоя порошка в соответствии с принятой технологией, в том числе, принятым порядком их спекания, обеспечивающим минимизацию поводок (коробление) изготавливаемой детали.a sintering beam with a minimum (focal) diameter of the light spot is intended for sintering from the powder layer both the contour lines and the mesh of the conventional section of labor-intensive parts. A sintering beam with a large (defocused) diameter of the light spot is intended for direct sintering of the areas and mesh cells and zones of the powder layer in accordance with the adopted technology, including the accepted procedure for sintering, to minimize the leash (warping) of the manufactured part.

В исходном положении (Фиг.3) плоскость 16 диаметра светового пятна на линзе оптической головки находится на расстоянии 17, равным фокусному расстоянию - 350 мм от плоскости рабочего стола 18, с диаметром 19 светового пятна спекающего луча - 50 мкм.In the initial position (Figure 3), the plane 16 of the diameter of the light spot on the lens of the optical head is at a distance of 17, equal to the focal length of 350 mm from the plane of the working table 18, with a diameter of 19 light spots of the sintering beam - 50 μm.

В соответствии с программным обеспечением в очищенную рабочую камеру 8 подается дозированная порция порошка с выравниванием его слоя, который предварительно подогревается тэнами с контролем температуры спекаемого порошка.In accordance with the software, a metered portion of the powder is fed into the cleaned working chamber 8 with the leveling of its layer, which is preheated with heating elements with temperature control of the sintered powder.

Далее происходит наполнение камеры защитным газом (аргоном) с давлением Р=1,3×10⁵ Па, включение лазера мощностью N1=100 Вт. Лазер спекает линии контуров данного сечения детали, сетки из ячеек (5×5 мм) и зон (25×25 мм) перемещением лазерного луча со скоростью V1-150 MM.Next, the chamber is filled with protective gas (argon) with a pressure of P = 1.3 × 10 ⁵ Pa, and a laser with a power of N1 = 100 W is turned on. The laser sinteres the lines of the contours of the given section of the part, the mesh of cells (5 × 5 mm) and zones (25 × 25 mm) by moving the laser beam at a speed of V1-150 MM.

Затем лазер выключают, происходит вертикальное перемещение вверх лазерной оптической головки (с целью увеличения диаметра 20 светового пятна до 100 мкм) (фиг.4).Then the laser is turned off, there is a vertical upward movement of the laser optical head (in order to increase the diameter of the light spot 20 to 100 μm) (figure 4).

Лазер включают для спекания площадей каждой ячейки и зоны слоя порошка с мощностью излучения N2=290 Вт, начальной скоростью перемещения спекающего луча V2=110 мм/с. Скорость перемещения корректируют в зависимости от колебаний фактической температуры Тф зон порошка, подлежащих спеканию. После окончания спекания данного слоя шток рабочего стола 19 опускают на величину, равную толщине слоя спеченного порошка.The laser is turned on for sintering the areas of each cell and zone of the powder layer with a radiation power of N2 = 290 W and an initial velocity of movement of the sintering beam of V2 = 110 mm / s. The speed of movement is adjusted depending on fluctuations in the actual temperature Tf of the powder zones to be sintered. After sintering of this layer, the rod of the working table 19 is lowered by an amount equal to the thickness of the layer of sintered powder.

Так же, после окончания спекания происходят очистка камеры и вертикальное перемещение вниз оптической головки 12 (с целью установления минимального диаметра Д1=50 мкм светового пятна лазерного луча) для повторения цикла спекания нового слоя порошка.Also, after the end of sintering, the chamber is cleaned and the optical head 12 is vertically moved downward (in order to establish the minimum diameter D1 = 50 μm of the light spot of the laser beam) to repeat the sintering cycle of the new powder layer.

После окончания спекания всей детали, происходит охлаждение детали, очистка и съем в позиции выдачи.After the sintering of the entire part is completed, the part is cooled, cleaned and removed in the delivery position.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить производительность процессов спекания трудоемких деталей из мелкодисперсного порошка, тем самым значительно сократить ресурсы устройств и временные затраты на изготовление деталей.The use of the invention allows to increase the productivity of sintering processes of labor-consuming parts from fine powder, thereby significantly reducing the resources of the devices and the time spent on the manufacture of parts.

Claims

1. Устройство для изготовления деталей методом послойного синтеза, выполненное в виде экспериментального стенда, содержащего жесткий каркас, лазерно-оптическую систему со спекающей лазерной оптической головкой, рабочую камеру с рабочим столом, контейнер с порошком и механизмом дозированной подачи порошка, детектор контроля нагрева спекаемого порошка, отличающееся тем, что лазерно-оптическая система содержит механизм вертикального перемещения оптической головки, головка жестко закреплена на штоке линейного сервопривода, а шток линейного сервопривода размещен в направляющей, жестко закрепленной с помощью кронштейна на экспериментальном стенде.1. A device for the manufacture of parts by the method of layer-by-layer synthesis, made in the form of an experimental bench containing a rigid frame, a laser-optical system with a sintering laser optical head, a working chamber with a working table, a container with a powder and a dosed powder feeding mechanism, a detector for monitoring the heating of sintered powder characterized in that the laser-optical system contains a mechanism for the vertical movement of the optical head, the head is rigidly fixed to the rod of the linear servo, and the rod is linear th actuator is located in a guide rigidly fixed to a bracket on the test bench.

2. Устройство для изготовления деталей методом послойного синтеза по п.1, отличающееся тем, что рабочая камера выполнена с нагревательными тэнами.

2. A device for manufacturing parts by the method of layer-by-layer synthesis according to claim 1, characterized in that the working chamber is made with heating elements.