WO2017052417A1 - Способ и устройство аддитивного изготовления деталей - Google Patents

Способ и устройство аддитивного изготовления деталей Download PDF

Info

Publication number
WO2017052417A1
WO2017052417A1 PCT/RU2016/000616 RU2016000616W WO2017052417A1 WO 2017052417 A1 WO2017052417 A1 WO 2017052417A1 RU 2016000616 W RU2016000616 W RU 2016000616W WO 2017052417 A1 WO2017052417 A1 WO 2017052417A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
granules
electromagnetic
substance
bath
melt bath
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2016/000616
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Анатолий Евгеньевич ВОЛКОВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Obschestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu "adirut"
Original Assignee
Obschestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu "adirut"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Obschestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu "adirut" filed Critical Obschestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostyu "adirut"
Priority to CN201680056127.2A priority Critical patent/CN108136500B/zh
Priority to US15/756,547 priority patent/US11358329B2/en
Priority to EP16849092.8A priority patent/EP3354377B1/en
Publication of WO2017052417A1 publication Critical patent/WO2017052417A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B23K15/0086—Welding welding for purposes other than joining, e.g. build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/188—Processes of additive manufacturing involving additional operations performed on the added layers, e.g. smoothing, grinding or thickness control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321—Feeding
    • B29C64/329—Feeding using hoppers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the proposed group of inventions relates to the field of additive production and can be used for the manufacture of any parts from metals, non-metals, as well as various compositions of materials.
  • selective laser or electron beam sintering SLS
  • EBM Electrode Beam Melting
  • Figa shows a diagram of the selective melting of powder (granules) 1, rolled on a plane in the form of rollers, which is selectively fused by beam 2 of photons or electrons to form a molten bath 3 of depth N.
  • the bath passes through the upper layer of granules and passes into the body of the part 4 to a depth of n, i.e., the upper layer of the granules fused with the lower layer of the granules, which were previously melted down and represent the upper plane of the part body.
  • the technology of direct deposition of material is adopted, where a layer is formed when the material is fed into the zone of the molten bath created on the body of the part.
  • this scheme is carried out by moving in accordance with the model of the nozzle, from which both the powder material and laser radiation or laser radiation is fed to the body of the part, and the powder material comes from the nozzle.
  • Figb shows a diagram of the direct deposition of granules 1, for which beam 2 preliminarily forms a molten bath 3 in the upper plane of the part 4 body.
  • Granules enter the melt bath, depth d, when immersed in which, the level of the bath rises from the bottom to height D covering the granule.
  • the subsequent melting of the upper planes of the granules, not immersed in the melt bath, is formed the common zone of the remelted metal, which is closed around the granules, while the volume of the granule can be completely melted, or can only be fused on its surface. Therefore, this scheme does not require the penetration of granules throughout the entire volume.
  • Figure 1c shows the direct sedimentation scheme, where granules with different temperatures inside T1 and outside 72 enter the melt bath, where 72> 71 This scheme provides for heating the granules when approaching the melt bath, thereby allowing the process to be made more productive.
  • the granule on the approach to the bath is melted on the surface while a solid sphere with a temperature of 73 remains inside, and on the surface a liquid shell with a temperature of 74.
  • the melted granule, falling into the bath melts the bath and the melt around the granules are combined into a single unit.
  • the advantage of this scheme is the ability to use powder or granules as micro or macro crystallizers.
  • the powder or granules take on thermal energy, which leads to the formation of a fine-crystalline structure in the zone of formation of the part body. As a result, it improves the mechanical properties of the entire molded product.
  • the principal difference from selective fusion is that overheating in the melt and the temperature gradient is reduced due to the material entering the melt bath.
  • the powder is immersed in the melt formed in the upper body layer of the part, welding together with it into a single whole.
  • the direct deposition of the material allows the use of coarser powder or granules not 20 + 30 microns, as in the case of selective melting, for example, 200 n - 300 microns. This allows you to simultaneously reduce costs in obtaining powder and increase the performance of additive equipment. Pellets obtained from the melt, are minislits with a very fine-grained or amorphous structure, which has high strength properties. Therefore, it is not advisable to completely melt the entire volume of granules. This leads to a large consumption of energy and a larger volume of the molten bath is formed, where a coarser structure is formed.
  • the direct deposition method has mastered the way in which powder material and laser radiation are fed simultaneously through a nozzle or from a separate nozzle, while the part or nozzle can be moved with an OO printer.
  • the task of the invention is to increase the efficiency of use and expansion of technical capabilities, by reducing capital investment of energy, reducing the production cycle, reducing the size of the equipment, increasing the accuracy and speed of receipt of the material to manufacture the part with adjusting its quantity, temperature, trajectory, fraction and increasing the strength of the part created additive method.
  • the carrier and regulating medium is not a gas directed by a nozzle, but an electromagnetic field controlling the speed and trajectory of the granule in a vacuum.
  • the proposed method for the deposition of a substance can be carried out in air or in any gas, but it is most advisable to use a vacuum that does not have a mechanical effect on the trajectory of the substance.
  • the mechanism for controlling the material and the beam is revealed on the basis of electrodynamics.
  • the method was proposed in 1923 by Otto Mukom (Germany). Using the interaction force induced in the metal current with the electromagnetic field that caused it. Due to this, you can raise the metal above the inductor and thus carry out the heating and melting of the metal in a suspended state.
  • ⁇ ⁇ / ⁇ , (1)
  • Electromagnetic pressure on the metal (Pa) with a pronounced surface effect of field penetration into the metal is expressed by the formula:
  • I is the amplitude of the magnetic field component on the metal surface, A / m.
  • t is the mass of metal dust, g; d - acceleration of gravity m / s 2 ; q is the eclectic charge of the dust particles, Pendant; E - electric field strength, V / m.
  • the claimed method consists in forming the body of a part by direct deposition of a substance in the form of metal granules or non-metal coming from the storage tank due to the gas flow directed by the nozzle into the molten bath produced by the thermal energy of the laser or electron beam followed by crystallization, characterized in that from the storage tank the substance in the form of granules enters the molten bath under the action of gravity and electromagnetic forces without the participation of gas sweat
  • the substance of the granules can move in a vacuum and as it approaches the melt bath, it can be heated or melted over the surface due to independent melting sources, which can serve as electromagnetic fields .
  • a substance approaching the molten bath can be melted from an irregularly shaped powder into spherical granules, while the outer part can crystallize during the precipitation of the granule into the molten bath, and the inner part can remain molten or, on the contrary, change the direction of the flight path granules at given coordinates can be produced by a variable electromagnetic field, which induces electromagnetic induction in the granule.
  • a constant or alternating electromagnetic field can control the flight path of a nonmetallic granule, where electromagnetic induction is not induced, which before a fall acquires a certain positive or negative charge, a bath of melt can be created due to several rays, and the flow of granules entering it can be of different chemical composition and diameter that enter the bath in accordance with a given program.
  • a device for additive manufacturing of parts by direct deposition of a substance in the form of granules contains a laser or electron beam heating source, a cumulative capacity of a substance, which directs the substance into the molten bath
  • the system and tracking sensors installed in the chamber, characterized in that the granules move in the chamber, falling into the melt bath from above from the accumulation tank, from where they are fed in a certain volume and at a certain speed due to rotation of the adjustable auger, passing through a system of electromagnetic devices that control the trajectory of the granules by electromagnetic fields, the coordinates of the trajectory with a certain frequency are monitored by sensors feeding cash through the switch to a computer, where after the signal processing in accordance with a predetermined program goes adjustment flight path by controlling the granules through electromagnetic device and adjusting the speed and volume flow of material through rotation of the adjustment screw.
  • an inductor is used in the form of an electromagnetic funnel installed at a certain distance from the table, which directs the granule into the molten bath in the melt bath and is moved by the mechanism in space according to a given computer program, in the electromagnetic field of the funnel installed over the bath melt and controlled by the program by moving mechanisms with given coordinates, not only the granule trajectory is controlled before falling into the melt bath, but also the control The cross section of the flow of granules.
  • a substance When using an electromagnetic deflecting circuit after a funnel, a substance can be placed in a melt bath at any angle with a change in flight path geometry over a given radius with the possibility of any change in direction, including a turn to the launch site, the material drop path is formed under the action of the electromagnetic field and tracked throughout the path movements by sensors, which, if necessary, can perform the functions of a radar, scanner, pyrometer and spectrometer.
  • the device can use an electromagnetic deflecting circuit without using an electromagnetic funnel, which, due to the electromagnetic field in a certain space, puts granules into the molten bath changing their falling trajectory along a given curve with the possibility of turning the trajectory to the starting point, the movement of the funnel and the contour is provided by a single mechanism, which in accordance with the program, moves them along given coordinates in the space of building the part body, together with electromagnetic
  • the funnel and the contour, through which the granules enter apply an electromagnetic funnel and a contour, through which the electron beam passes, fusing the melt bath, which move along given coordinates using a single mechanism, which allows you to precisely coordinate the melting point of the bath and the substance falling can be built up, and the substance in it can be deposited from above, from the side, from the bottom of the body of the part, allowing the formation of closed honeycomb structures without tilting the body of the part.
  • the device can use several loading containers, of which granules of different chemical composition and size come in the right volume and at the right time, the device does not use movements of the part body, it uses several rays that adjust the focus at a given height, where the part body is formed due to changes in the path of the granules and the beam under the action of the electromagnetic field without using mechanisms.
  • the supply of granules from the storage tank can be provided by vibrating the flow, due to the hourglass with a magnetic shutter, the inclination of the bunker and other similar mechanisms falling from the storage tank granules into the pipeline, where electromagnetic coils with different winding patterns are installed, which allows you to install a stable flow of granules by given trajectories in the volume of the pipeline and allowing to determine the number and speed of granules due to the fixation by the devices of the change in field strength in loop coils after distributor installed focusing and deflecting the inductor before and after are installed sensors that read all the parameters that characterize the movement and thermal state of granules, wherein the focusing inductor can focus, slow down, speed up and change the flow temperature of the pellets, and diverting to direct the required flow of granules into the melt bath or again into the storage bin.
  • Information about the flow of granules and the beam is recorded by sensors with a certain frequency from the moment of falling from the storage tank to the time of deposition in the melt bath, processed by a computer program with the same frequency introducing corrections to control all devices affecting the additive manufacturing process of the part for greater accuracy of control of the granules
  • electromagnetic devices are used, which are placed between the focusing and deflecting inductor, which may include an electromagnetic divider, circumferential electromagnetic funnels, collecting and accelerating - retarding inductor, where each electromagnetic device is equipped with tracking sensors.
  • Acquisition of a certain positive or negative charge by granules can be carried out by friction, irradiation or direct supply of electrons or protons to a substance.
  • Vertical and horizontal plates of capacitors arranged in a grid arrangement arranged in rows can be used to control a charged particle, where various strengths are created between two plates the design performs the functions of sorting and controlling the speeds and trajectories of the granules of the device, equipped with sensors of reduction of the speed of the additive manufacturing of parts is accelerated by conducting the deposition of the substance in several sectors or areas of deposition.
  • FIG. 2 shows the main proposed schemes for the formation of a body 4 parts during the direct deposition of granules 1 into the molten bath 3 created by beam 2, where the trajectory of the substance falling is formed under the action of an electromagnetic field and tracked throughout the motion path by sensors 5, which, if necessary, can function as a radar, scanner pyrometer, spectrometer and others.
  • FIG. 2a shows a diagram where one beam 2 is involved creating a melt bath 3 in the body 4 of the parts formed by the granules 1 due to falling from a certain height under the action of gravity and controlled by electromagnetic fields.
  • sensors 5 are installed, which with a certain frequency determine the coordinates of the granules at a certain point in time, its speed, direction, temperature and other necessary parameters, as well as the place of fixation of the granules in the body of the part.
  • the formation of the part in the 3D space of the part body is ensured by its rotation and movement down as the layers are formed. Due to this, the fall of the granules along the radius of rotation in a straight line with a change in direction of movement, from the center of rotation to the periphery and back. For example, granules are fed along the X axis along the rotation radius, along the Y axis, the body of the part is moved due to rotation around a axis of rotation by a certain angle, and along the Z axis along the rotation axis, the body goes up - lowering the body by a certain amount.
  • a mechanism for forming parts, working on the principle of a 3D printer is created. This mechanism is used in machining equipment, when creating a part, where, for example, along the X axis, lateral feed is used, along the Y axis the workpiece is rotated and along the Z axis longitudinal feed.
  • this body formation scheme allows granules to be directed along a straight line perpendicular to the plane of rotation, and the radiation from a certain side and at a certain angle, which makes it possible to limit the area of body formation to a certain sector of a circle.
  • the sector with respect to the entire cross-sectional area of the part may occupy only a few percent. This feature allows to form a part with high accuracy.
  • the proposed device scheme does not use movements of the body of the molded part.
  • several (two, three, four or more) rays 2 are used, which can adjust the focus at the height H, where the part body is being formed.
  • the scheme differs in that the part is formed in space by direct deposition of a substance that changes the trajectory of the fall of the granules, the focusing and the trajectory of the electron beam under the action of the electromagnetic field without using mechanisms.
  • the pattern of formation of the part is similar to the previous one, but it can additionally use heating or melting of the surface of a non-spherical powder or granules by a separate beam or rays on the approach of the substance to the molten bath.
  • This scheme allows the use of cheaper non-spherical powder, which after reflow takes a spherical shape.
  • the scheme allows you to adjust the temperature of the substance on the way to the melt bath. The granule falls into the bath, acquiring the desired temperature, while its surface can be melted, and the central part is not unmelted, and vice versa.
  • FIG. 2g for the initial development of the proposed scheme it is possible to use an electromagnetic funnel 6, which catches and directs the granules into the molten bath along its axis, that is, it makes a more accurate correction of the trajectory of the falling granules by adjusting the trajectory in the electromagnetic field of the funnel.
  • the trajectory of granules with a positive or negative charge it is possible to use a constant electromagnetic field.
  • the trajectory can be adjusted and the granules that have no charge but are conductive can be heated.
  • the intensity of the electromagnetic field it is possible to focus or de-focus the flow of granules passing along the axis of the electromagnetic funnel.
  • the scheme can be used in a modification where the electromagnetic deflecting circuit 7 installed immediately after the funnel can be directed into the molten bath of the granule, allowing the granules to be laid in the molten bath within a certain radius from the funnel axis.
  • the deflecting contour allows you to change the flight of the pellet, where the trajectory of the fall on the body of the part can go horizontally or in a curve with a turn to the starting point, that is, the contour can stack the substance into the melt bath at any angle the fall.
  • the combined use of the funnel and the contour improves the accuracy and increases the area of laying granules, and therefore the speed of formation of the part.
  • the deflection circuit allows you to more dynamically act on the granules, thereby increasing the speed of the circuit.
  • Fig. 2d When using an electromagnetic funnel, Fig. 2d, it is advisable to use a scheme similar to that shown in Fig. 2a, where the body of the part rotates around an axis and, as it grows, goes down, and the funnel with the contour moves in a straight line, that is, along a radius of rotation.
  • the movement of the funnel and the contour is provided by a mechanism that, in accordance with the program, moves them in a straight line, positioning in given coordinates.
  • the proposed mechanism the fusion of the bath and the deposition of the substance during the formation of the part occurs in a certain angular sector.
  • FIG. 2D shows a diagram of the device where the rotation of the part body is not used, and the mechanism for moving the part body along the vertical axis downwards or upwards as layers are being welded is used.
  • the electromagnetic funnel 6 and the electromagnetic deflecting circuit 7 move in the same plane parallel to the plane of formation of the upper layer along the X and Y axes by using a 2D printer.
  • the area of the circle in which the granules are deposited through the use of a deflection circuit is larger than the area of the fall of the granules, where only one electromagnetic funnel is used, therefore move the funnel and the contour along the sectional area of the part can be more smoothly and a smaller distance.
  • FIG. 2e a circuit similar to that shown in FIG. 2a, where rotation is also used with the part moving down as the layers grow.
  • a second electromagnetic funnel 8 is used, with a second electromagnetic deflecting circuit 9 fixed on it at the bottom of the second part.
  • the second electromagnetic funnel 8 focuses the beam 2 and directs it along the internal axis, and the second electromagnetic circuit 9 directs the beam to the right place where the bath melts.
  • This feature allows you to produce honeycomb hollow parts with closed cavities for this at a given point in time and in given coordinates of space you need to bend the trajectory of the fall of the beam and substance at a given angle.
  • the bath of the melt can be built-up not only on top of the body of the part, but also from the side and from the bottom, that is, the bath can be built up on the body of the part horizontally from above, vertically from the side and horizontally from the bottom.
  • Closed cavities having the form close to the shell of the ball, require fusing the bath and applying a substance from different directions of space.
  • the ability of the method to direct the trajectory of matter and the beam to the right place in space, regardless of the effect of gravitational forces, under the action of electromagnetic fields without using mechanisms, provides great technological advantages.
  • the second electromagnetic funnel 8 and the second electromagnetic circuit 9 are fixed with an electromagnetic funnel 6 and an electromagnetic circuit 7 and move at a stationary distance. This feature allows you to very accurately coordinate the place of fusion of the bath of the melt beam and the trajectory of the fall of granules into it.
  • an additional beam 2 can be used, directed to the electromagnetic funnel 6 or to the path of the substance. Passing through the trajectory of the substance and the axis of the funnel, the beam heats the surface of the granules and the molten bath.
  • This device is especially effective when creating a new additive equipment using the method of simultaneous control of the beam and substance due to the electromagnetic field.
  • FIG. 3 For the implementation of the proposed method of additive manufacturing of parts based on electrodynamics, a device is proposed as shown in FIG. 3.
  • the device comprises a vacuum chamber 10, where an electron-beam gun 11 is placed with a focusing electromagnetic lens 12 and a deflecting electromagnetic lens 13 of beam 2, which in given coordinates on the upper plane of the body 4 parts in the construction zone fuses the melt bath 3 where the powder enters, in the form of spherical granules 1, falling with a certain speed from the loading bunker 14.
  • the granules from the bunker are pushed out by the screw 15, which can rotate at a given speed.
  • By adjusting the rotational speed it is possible to ensure a certain amount of pellet feed per second.
  • Pellets directed from the drive fall into the distributor 16, in the form of a pipe.
  • induction electromagnetic coils 17,18,19 are installed on the distributor.
  • the coils have a different winding pattern, for example, the coil 17 has winding around the axis of the pipe, which allows the granules to be focused on the center of the pipe.
  • the second coil 18 across the axis, which allows you to deflect the granules along the pipe section.
  • the third coil 19 is wound at an angle to the axis of the pipe, which allows you to distribute the granules at an angle to the section of the pipe. Due to the interaction of the induced current in the metal of the granules with the coil field that caused it, mechanical forces appear that put pressure on the metal of the granules, which distribute them along given trajectories in the pipeline volume.
  • the entry of granules into the zone of action of the induction coils causes a change in the field strength in the electromagnetic circuit, which is fixed by the instruments, due to which it is possible to determine the approximate amount and speed of the incoming powder.
  • the field strength of the coil and the speed of rotation of the auger drive at the expense of a specific program can be controlled by a computer through a switch using feedback. When a signal is removed from an induction coil to receive a certain amount of substance into it, it goes to the switch and then to the computer, which according to the program determines whether the amount of incoming powder is according to a given program.
  • the signal goes through the switch to the devices for controlling the speed of rotation of the auger and the field strength of the coils, achieving a predetermined amount of matter in the distributor.
  • the flow of granules is stabilized in speed, direction and quantity, entering the zone of action of the focusing inductor 20 and the deflecting inductor 21.
  • sensors 5 are installed, which more accurately read all parameters characterizing the movement and thermal state of the granules, the collected information goes through the switch to the computer, is processed, and the control signal is again fed to the focusing inductor 20 and the deflecting inductor 21 through the switch.
  • the focusing inductor 20 may speed up or slow down the granules, focus the trajectory along the axis and change the temperature, and the deflecting inductor 21 directs the granules into electr magnetic funnel 6 or electromagnetic trap 22, from which the granules can again get into the hopper 14.
  • This scheme allows you to precisely control the quantity, speed, trajectory, temperature and other parameters of the granules entering the electromagnetic funnel 6.
  • the mechanism moves the funnel along the X axis on a certain segment of a straight line lines, receiving at a certain moment a signal from a computer about coordinates.
  • tracking sensors 5 are installed, which fix the coordinates of the granules in space until the moment of deposition in the melt bath.
  • Information about the granules is recorded by sensors 5 with a certain frequency per second, from the place of the fall from the bunker to the place of deposition in the melt bath. Information is processed by a computer program that makes adjustments with the same frequency through control signals to all devices that affect the additive manufacturing process of the part.
  • the beam 2 is controlled in accordance with the program in a similar way, through the focusing electromagnetic lens 12 and the deflecting electromagnetic lens 13.
  • the rotation of the table 23 performs the change of coordinates along the Y axis in accordance with the program.
  • the table is mounted on the rod 24, which can be lowered or raised in accordance with the control program, by changing the coordinates along the Z axis.
  • the substance is deposited in a vacuum, which is created through the nipple 25. If necessary, it is possible to precipitate the substance in any gas.
  • FIG. 4 shows an example of such a device, where in the area between the focusing inductor 20 and the deflecting inductor 21 devices are installed that allow for a more precise influence on the trajectory and other parameters of the granules 1.
  • This complex of devices more accurately determines the various parameters of the granules.
  • the granules, entering and leaving the focusing inductor 20, are read by the necessary parameters by sensors 5 and then sent to inductor-splitter 26, which divides the flow into several flows of granules caught by circumferential funnels 27, which are installed around the splitter.
  • each stream of granules Before and after the funnels of the sensors determine the parameters each stream of granules, allowing you to more accurately track the individual parameters of flows.
  • each stream enters the second deflecting inductor 28, which sorts the granules, directing one part to the bunker, and the other part to the melt bath.
  • the more established circumferential funnels with deflecting inductors the more accurately you can adjust the process of feeding the substance to the formation of the part body.
  • a specified number of granules enters the collecting inductor 29, after which the third deflecting inductor 30 is installed, the task of which is to more accurately sort the number of granules entering the part.
  • the final sorted flow of granules enters the accelerator-retardant inductor 31, where the granule acquires a given flight speed and enters the output deflecting inductor 21.
  • FIG. 4 shows that each device is equipped with sensors 5, the number of which in this area has been increased from two to ten.
  • the number of control inductors and tracking sensors for a specific additive machine is selected on the basis of economic considerations and the problem being solved for the accuracy of manufacturing a part.
  • these devices When dropped into the molten bath, these devices make it possible to turn the flow of granules into a solid line of a given cross section similar to a solid wire, as well as a discontinuous line of granules, where the area and length of the solid sections consisting of granules, as well as the distances between the granules are given.
  • control schemes are intended for metals and non-metals, where in the granule it is possible to induce currents around which an electromagnetic field occurs.
  • a nonmetallic particle in the form of a granule can be charged by friction, irradiation, or by direct supply of electrons or protons to a particle.
  • FIG. 5a the granules 1 fall between the vertical plates of the deflecting capacitors 32, which can represent two vertical planes of the plates assembled in a mesh structure and be arranged in rows, creating different strengths between the two plates.
  • a device is created from capacitor plates in the form of a grid, which covers the entire area through which granules.
  • the granule, passing through the plates can, under the action of an electromagnetic field, deflect its trajectory horizontally to given coordinates.
  • the parameters of the trajectory of falling of the charged granules are monitored by sensors.
  • the granules in a certain amount are sent to the side or to precipitate into the molten bath.
  • the flow of granules collected from the entire area enters the accelerating - decelerating series of horizontal capacitors 33 located in the central part.
  • the horizontal capacitor 33 is assembled from several annular plates with a hole, the plane of which is perpendicular to the trajectory of the falling granules. Between every two plates, it is possible to create different field strengths by connecting them to different poles, thereby accelerating or slowing the rate of falling of the granules.
  • the flow of pellets, stabilized by the fall rate passes through the deflecting coil 34, which guides the pellets along specified coordinates.
  • FIG. 56 shows a circuit that uses only the rows of deflecting capacitors 32, consisting of vertical plates alternating with rows of decelerating-accelerating horizontal capacitors 33, consisting of horizontal plates, to change the direction of the trajectory and the rate of falling of the granules.
  • the device diagrams shown in FIG. 4 and FIG. 5 may be of various configurations due to the use of various combinations and combinations of the presented schemes.
  • FIG. 6 shows a diagram of a device for the production of conventional or composite parts.
  • the scheme of the device is similar to the scheme shown in Fig.Z, but allows the use of a substance from different materials, where it is possible the simultaneous or sequential deposition of granules of different fractions and different chemical composition.
  • the device contains several electron beam guns 11 several loading bunkers 14 with an autonomous control system supply of granules, which at the right time and in the right quantity are delivered to the given coordinates on the body of the part 4.
  • a system of a focusing inductor 20 and a deflecting inductor 21 is used, where the granules go, which then enter the electromagnetic funnel 6 with the deflecting electromagnetic circuit 7 and into the molten bath 3.
  • the bath can be created by one or several rays depending on the complexity of the part, speed and the mass of the deposited material.
  • the additional beam (or rays) allows on the flight to the bath to melt or heat the granules to a predetermined temperature.
  • the additional beam allows to melt or melt the granules deposited on the surface of the part, expanding the technological capabilities of the equipment.
  • the speed of additive manufacturing in the plant shown in FIG. 6 can be increased if one conducts the formation of a part during the deposition of a substance along several radii at once, that is, in different angular sectors on an area of a circle.
  • FIG. 1 + 6 diagrams of the device reveal the principle of operation of the method and show the high possibilities of creating various equipment for the manufacture of parts.
  • the proposed device allows with high speed to carry out additive manufacturing of parts. For example, if the granules fall from a height of two meters into the molten bath, they will acquire a speed of 6.26 m / s by gravity. Assume that, taking into account the braking and curvature of the trajectory of the granules in an electromagnetic field, the fall rate will drop to 4.5 m / s. Let us assume that the area of deposition of the material in the molten bath is 1 mm 2 , which drops in a continuous flow, therefore in one second the body of the part will increase its volume by 4.5 cm 3 . For the deposition of this volume, in a second it is necessary to melt the corresponding volume of the molten bath.
  • the volume of the bath will be half the volume of the deposited substance 2.25 cm 3 . If titanium is used as a substance, it is known that for melting by an electron beam with a power of one MW, 12 kg can be melted per minute. Therefore, to create a molten bath of 2.25 cm 3 per second, a beam power of 50.6 kW is required.
  • the rate of increase in mass of titanium parts per second will be 20.25 grams, per minute - 1215 grams, per hour - 72.9 kg. This is a fairly high speed of additive manufacturing of parts, which exceeds the speed of manufacturing parts due to mechanical processing.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области аддитивного производства деталей, которые формируют путем прямого осаждения вещества в виде гранул металла или неметалла, поступающего из накопительной емкости в ванну расплава, производимую за счет тепловой энергии лазерного или электронного луча с последующей кристаллизацией. Гранулы поступают в ванну расплава без участия газового потока, изменяя свою траекторию и скорость движения в полете под действием электромагнитного поля. Гранулы перемещаются в камере, падая в ванну расплава сверху из накопительной емкости, откуда подаются с определенной скоростью за счет вращения регулируемого шнека, проходя через систему электромагнитных устройств, которые управляют траекторией гранул электромагнитными полями. Координаты траектории отслеживаются датчиками, подающими сигнал на компьютер, где идет корректировка траектории полета гранул путем управления через электромагнитные устройства, скорости и объема подачи вещества через регулировку вращения шнека. Изобретение повышает эффективность производственного цикла, уменьшает габариты оборудования, увеличивает точность и скорость поступления материала на изготовление детали с регулировкой его количества, температуры, траектории, фракции и повышение прочности детали.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АДДИТИВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемая группа изобретений относится к области аддитивного производства и может быть использовано для изготовления любых деталей из металлов, неметаллов, а так же различных композиций материалов. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[1]. В качестве аналога предлагаемого изобретения принято селективное лазерное или электронно-лучевое спекание (Selective Laser Sintering, SLS) или (Electron Beam Melting, EBM), где объект формируется из плавкого порошкового материала (пластик, металл, керамика) путем его плавления под действием лазерного или электронного излучения.
На Фиг.1а показана схема селективного плавления порошка (гранул) 1 , раскатанного по плоскости в виде валиков, который выборочно сплавляется лучом 2 из фотонов или электронов с образованием ванны расплава 3 глубиной N. Ванна проходит сквозь верхний слой гранул и проходит в тело детали 4 на глубину п, то есть верхний слой гранул сплавляется с нижним слоем гранул, которые ранее были переплавлены и представляют верхнюю плоскость тела детали.
Несмотря на значительные преимущества селективного спекания, существует много проблем, связанных с получением требуемых свойств деталей. [2]. Данные многих научно-исследовательских работ показывают низкую технологическую прочность выращиваемых деталей, особенно на основе никеля. Это трещинообразование, порообразование и наличие дефектов, которые связаны с особенностями разрушения наплавленных слоев при охлаждении металла.
Поэтому в качестве прототипа предлагаемого изобретения принята технология прямого осаждения материала, где слой формируется при подаче материала в зону ванны расплава, созданную на теле детали. На сегодня, данная схема осуществляется за счёт перемещения в соответствии с моделью сопла, из которого подается как порошковый материал, так и лазерное излучение или лазерное излучение подаётся на тело детали, а порошковый материал поступает из сопла.
На Фиг.1б показана схема прямого осаждения гранул 1 , для которых луч 2 предварительно образует ванну расплава 3 в верхней плоскости тела детали 4. Гранулы поступают в ванну расплава, глубиной d, при погружении в которую, уровень ванны поднимается от донной части на высоту D, охватывая гранулу. При последующем оплавлении верхних плоскостей гранул, не погруженных в ванну расплава, образуется общая зона переплавленного металла, которая смыкается вокруг гранул, при этом объем гранулы может быть полностью сплавлен, либо может быть сплавлен только по ее поверхности. Поэтому данная схема не требует обязательного проплавления гранул по всему объему.
На Фиг.1 в показана схема прямого осаждения, где в ванну расплава поступают гранулы имеющие различную температуру внутри Т1 и снаружи 72, где 72 > 71 Данная схема предусматривает подогрев гранул на подлете к ванне расплава, тем самым позволяя сделать процесс более производительным.
На фиг.1 г гранула на подлете к ванне оплавляется по поверхности при этом внутри остается твердая сфера с температурой 73, а на поверхности жидкая оболочка с температурой 74. Оплавленная гранула, попадая в ванну, легко с ней сплавляется при этом, расплав ванны и расплав вокруг гранулы объединяются в единое целое.
Преимуществом данной схемы является возможность использовать порошок или гранулы в качестве микро или макро кристаллизаторов. Поступая в ванну расплава, порошок или гранулы забирают на себя тепловую энергию, что приводит к формированию мелкокристаллической структуры в зоне формирования тела детали. Как следствие, это повышает механические свойства всего формируемого изделия. Принципиальным отличием от селективного сплавления является то, что перегрев в расплаве и температурный градиент снижается за счёт поступления материала в ванну расплава. По данной схеме порошок погружается в расплав образованный в верхнем слое тела детали, свариваясь с ним в единое целое. Схема прямого осаждения материала позволяет использовать более крупный порошок или гранулы не 20 + 30 мкм, как при селективном плавлении, а например, 200 н- 300 мкм. Это позволяет одновременно снизить затраты при получении порошка и увеличить производительность аддитивного оборудования. Гранулы, полученные из расплава, представляют собой минислитки с очень мелкозернистой или аморфной структурой, которая имеет высокие прочностные показатели. Поэтому не целесообразно полностью переплавлять весь объём гранул. Это приводит к большому расходу энергии и образуется больший объем ванны расплава, где формируется более крупнозернистая структура.
[3]. На данный момент времени по схеме прямого осаждения освоен способ, где одновременно через сопло или из отдельного сопла подается порошковый материал и лазерное излучение, при этом деталь или сопло может перемещаться ЗО-принтером.
При всех достоинствах этого варианта исполнения, имеются определенные недостатки, основным из которых является подача материал в ванну расплава через сопло за счет газового потока. По этой причине количество порошка в зону расплава поступает с избытком, где часть порошка сплавляется с расплавом, а часть отскакивает в сторону. Материал направляется в ванну расплава без возможности точной регулировки количества поставляемого порошка, его скорости, направления траектории каждой гранулы, температуры, а так же обеспечения сортировки порошка по химическому составу и по величине гранул.
В качестве среды для перемещения гранул целесообразно использовать вакуум, который не оказывает на вещество механического воздействия.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности использования и расширение технических возможностей, за счёт снижения капиталовложений энергозатрат, сокращения производственного цикла, уменьшения габаритов оборудования, увеличения точности и скорости поступления материала на изготовление детали с регулировкой его количества, температуры, траектории, фракции и повышения прочности детали созданной аддитивным методом. Данные преимущества достигаются за счет применения электромагнитных полей используемых для управления в пространстве лучом и веществом, которые формируют деталь.
Для более точного построения деталей с меньшим расходом энергии и материала, необходимо пересмотреть механизм осаждения, где в качестве несущей и регулирующей среды будет не газ направляемый соплом, а электромагнитное поле, управляющее скоростью и траекторией движения гранулы в вакууме.
Предлагаемый способ по осаждению вещества может производиться на воздухе или в любом газе, но наиболее целесообразно использовать вакуум, который не оказывает механического воздействия на траекторию вещества.
Использование вместо лазера электронного луча позволяет увеличить точность и скорость наплавления ванны расплава, при этом управление траекторией электронов и траекторий гранул будет осуществляться за счет электромагнитного поля в вакууме. В качестве механизма воздействия на траекторию гранулы целесообразно использовать электромагнитное поле, которое используется для изменения траектории в пространстве электронного луча.
Механизм управления материалом и лучом раскрывается на основе электродинамики. [4] Метод предложен в 1923 г. Отто Муком (Германия). Используя силы взаимодействия индуктированного в металле тока с вызвавшим его электромагнитным полем. За счет этого можно поднять металл над индуктором и таким образом осуществлять нагрев и плавку металла во взвешенном состоянии.
Глубина проникновения поля в металл приближенно может быть определена по формуле:
Δ = ρ/μπί, ( 1 ) где f — частота поля, Гц; р — удельное электрическое сопротивление Ом*м; μ — магнитная проницаемость металла, Г/м.
В поверхностном слое металла вследствие взаимодействия индуктированного тока с вызвавшим его полем возникают механические силы, оказывающие давление на металл. Результирующая электромагнитных сил, действующая со стороны поля, может быть направлена противоположно силе гравитации и при достаточно большой мощности, подводимой к металлу, может обеспечить удержание куска металла во взвешенном состоянии. Электромагнитное давление на металл (Па) при ярко выраженном поверхностном эффекте проникновения поля в металл выражается формулой:
σ = μΗ2/4, (2)
где И — амплитуда напряженности магнитной составляющей поля на поверхности металла, А/м.
В опытах Иоффе для определения элементарного электрического заряда были использованы металлические порошки, которые перемещались под действием изменения напряжения между пластинами конденсатора.
[5] Для того чтобы порошок металла перемещать, его освещали ультрафиолетовым светом, чтобы порошок приобрел положительный или отрицательный заряд:
тд = qE,
где т - масса металлической пылинки, г; д — ускорение силы тяжести м/с2; q - эклектический заряд пылинки, Кулон; Е - напряженность электрического поля, В/м.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ заключается в формировании тела детали путём прямого осаждения вещества в виде гранул металла или неметалла, поступающего из накопительной ёмкости за счёт газового потока, направляемого соплом в ванну расплава, производимую за счёт тепловой энергии лазерного или электронного луча с последующей кристаллизацией, отличающийся тем, что из накопительной ёмкости вещество в виде гранул поступает в ванну расплава под действием сил тяжести и электромагнитных сил без участия газового потока, изменяя свою траекторию и скорость движения в полёте по заданной программе под действием электромагнитного поля, вещество гранул может перемещаться в вакууме и на подлёте к ванне расплава, может подогреваться или оплавляться по поверхности за счёт независимых источников плавления, которыми могут служить электромагнитные поля или лучи.
Вещество на подлете к ванне расплава может переплавляться из порошка неправильной формы в гранулы сферической формы, при этом наружная часть при осаждении гранулы в ванну расплава может кристаллизироваться, а внутренняя может оставаться расплавленной или наоборот, изменение направления траектории полёта гранулы по заданным координатам может производиться за счет переменного электромагнитного поля, которое наводит в грануле электромагнитную индукцию.
Постоянное или переменное электромагнитное поле могут управлять траекторией полёта неметаллической гранулы, где не наводится электромагнитная индукция, которая перед падением приобретает определённый положительный или отрицательный заряд, ванна расплава может создаваться за счёт нескольких лучей, а поступающий в неё поток гранул может быть различного химического состава и диаметра, которые поступают в ванну в соответствии с заданной программой.
Устройство для аддитивного изготовления деталей путем прямого осаждения вещества в виде гранул содержит лазерный или электронно-лучевой источник нагрева, накопительную ёмкость вещества, направляющий вещество в ванну расплава
к трубопровод и сопло, опорный стол для закрепления и формирования тела детали, систему и датчики слежения установленные в камере отличающееся тем, что гранулы перемещаются в камере, падая в ванну расплава сверху из накопительной емкости, откуда подаются в определенном объеме и с определённой скоростью за счёт вращения регулируемого шнека, проходя через систему электромагнитных устройств, которые управляют траекторией гранул электромагнитными полями, координаты траектории с определенной частотой отслеживаются датчиками подающими сигнал через коммутатор на компьютер, где после обработки сигнала в соответствии с заданной программой идёт корректировка траектории полёта гранул путем управления через электромагнитные устройства и корректировку скорости и объема подачи вещества через регулировку вращения шнека.
Вместо сопла используется индуктор в виде электромагнитной воронки установленной на определенном расстоянии от стола, которая направляет в электромагнитном поле в ванну расплава гранулы и перемещается механизмом в пространстве по заданной компьютерной программе, в электромагнитном поле воронки установленной над ванной расплава и управляемой по программе механизмами перемещения в соответствие с заданными координатами производиться не только управление траекторией гранулы перед падением в ванну расплава, но и производиться регулировка площади сечения потока гранул. При использовании после воронки электромагнитного отклоняющего контура вещество может укладываться в ванну расплава под любым углом с изменением по геометрии траектории полета на заданный радиус с возможностью любого изменения направления, включая разворот к месту старта, траектория падения вещества формируется под действием электромагнитного поля и отслеживается на всей траектории движения датчиками, которые при необходимости могут выполнить функции радара, сканера, пирометра и спектрометра. Устройство может использовать электромагнитный отклоняющий контур без использования электромагнитной воронки, позволяющий за счет электромагнитного поля в определенном пространстве укладывать в ванну расплава гранулы изменяя их траекторию падения по заданной кривой с возможностью разворота траектории к месту старта, перемещение воронки и контура обеспечивается за счет единого механизма, который в соответствие с программой перемещает их по заданным координатам в пространстве построения тела детали, совместно с электромагнитными воронкой и контуром, через которые поступают гранулы, применяются электромагнитные воронка и контур, через которые пропускается электронный луч, наплавляющий ванну расплава, которые перемещаются по заданным координатам с помощью единого механизма, что позволяет точно координировать место плавления ванны и падения вещества, при этом ванна расплава может наплавляться, а вещество в нее осаживаться сверху, сбоку, снизу тела детали, позволяя формировать замкнутые сотовые конструкции без наклона тела детали.
За счёт вращения опорного стола и перемещения его вдоль оси вращения вверх или вниз, падение гранул и наплавление ванны возможно производить по прямой линии вдоль радиуса вращения, создавая формирование тела детали в заданном объеме, где гранулы подаются перпендикулярно плоскости вращения, а излучение под углом позволяя ограничивать зону формирования тела в определенном секторе окружности.
Устройство может использовать несколько загрузочных ёмкостей, из которых в нужном объёме и в нужный момент времени поступают гранулы различного химического состава и размера, устройство не использует перемещения тела детали, при этом используется несколько лучей, регулирующих фокусировку на заданной высоте, где формируется тело детали за счет изменения траектории падения гранул и луча под действием электромагнитного поля без использования механизмов.
Подача гранул из накопительной емкости может обеспечиваться за счет вибролотка, за счет песочных часов с магнитным затвором, наклона бункера и других подобных механизмов, падающие из накопительной емкости гранулы попадают в трубопровод, где установлены электромагнитные катушки с различной схемой намотки, что позволяет устанавливать стабилизированный поток гранул по заданным траекториям в объеме трубопровода и позволяя определить количество и скорость гранул за счет фиксации приборами изменения напряженности поля в электромагнитном контуре катушек, после распределителя устанавливается фокусирующий и отклоняющий индуктор перед и после которых установлены датчики, считывающие все параметры, характеризирующие движение и тепловое состояние гранул, где фокусирующий индуктор может сфокусировать, замедлить, ускорить и изменить температуру потока гранул, а отклоняющий направить необходимый поток гранул в ванну расплава или снова в накопительный бункер.
Информация о потоке гранул и луче фиксируется датчиками с определенной частотой от момента падения из накопительной емкости до момента осаждения в ванну расплава, обрабатывается компьютерной программой с той же частотой внося коррективы на управление всеми устройствами, влияющими на аддитивный процесс изготовления детали, для большей точности управления гранулами используется большее количество фокусирующих, отклоняющих, тормозящих, ускоряющих и сортирующих вещество электромагнитных устройств, которые ставятся между фокусирующим и отклоняющим индуктором, куда может входить электромагнитный рассекатель, окружные электромагнитные воронки, собирающий и ускоряющее - замедляющий индуктор, где каждое электромагнитное устройство снабжено датчиками слежения.
Приобретение гранулами определенного положительного или отрицательного заряда может осуществляться за счет трения, облучения или прямого подвода к веществу электронов или протонов, для управления заряженной частицей можно применять вертикальные и горизонтальные пластины конденсаторов, собранных в сетчатую конструкцию располагаемую рядами, где между двумя пластинами создается различная напряженность, конструкция выполняет функции сортировочного и управляющего скоростями и траекториями гранул устройства, снабженного датчиками слежения, скорость аддитивного изготовления детали ускоряется за счет ведения осаждения вещества сразу по нескольким секторам или участкам осаждения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявляемый способ аддитивного изготовления деталей и устройство для его осуществления связаны между собой единым изобретательским замыслом и иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.
На Фиг. 2 показаны основные предлагаемые схемы формирования тела 4 детали при прямом осаждении гранул 1 в ванну расплава 3 созданную лучом 2, где траектория падения вещества формируется под действием электромагнитного поля и отслеживается на всей траектории движения датчиками 5, которые при необходимости могут выполнять функции радара, сканера, пирометра, спектрометра и другие.
На Фиг. 2а показана схема, где задействован один луч 2 создающий ванну расплава 3 в теле 4 детали образованной гранулами 1 за счет падения с определенной высоты под действием сил гравитации и управляемых электромагнитными полями. На пути траектории движения гранул установлены датчики 5, которые с определенной частотой определяют координаты гранулы в определенный момент времени, ее скорость, направление, температуру и другие необходимые параметры, а так же место фиксации гранулы в теле детали.
Формирование в 3D пространстве тела детали обеспечивается за счет его вращения и перемещения вниз по мере формирования слоев. За счет этого, падение гранул производиться вдоль радиуса вращения по прямой с изменением направления движения, от центра вращения к периферии и обратно. Например, по оси X подаются гранулы вдоль радиуса вращения, по оси У осуществляется перемещение тела детали за счет поворота вокруг оси вращения на определенный угол, а по оси Z вдоль оси вращения идет подъем - опускание тела на определенную величину. Тем самым, создается механизм формирования детали, работающий по принципу 3D принтера. Этот механизм используется в механообрабатывающем оборудовании, при создании детали, где например, по оси X используют поперечную подачу, по оси Y поворот детали и по оси Z продольную подачу.
В предлагаемом изобретении данная схема формирования тела позволяет направлять гранулы вдоль прямой линии перпендикулярно плоскости вращения, а излучение с определенной стороны и под определенным углом, что позволяет ограничивать зону формирования тела определенным сектором окружности. Сектор относительно всей площади сечения детали может занимать всего несколько процентов. Эта особенность позволяет с высокой точностью формировать деталь.
На Фиг. 26 предлагаемая схема устройства не использует перемещения тела формируемой детали. Для качественного и всестороннего плавления ванны используется несколько (два, три, четыре и более) лучей 2, которые могут регулировать фокусировку на высоте Н, где ведется формирование тела детали.
Схема отличается тем, что деталь формируется в пространстве путем прямого осаждения вещества, изменяющего траекторию падения гранул, фокусировку и траекторию электронного луча под действием электромагнитного поля без использования механизмов.
На Фиг. 2в схема формирования детали аналогична предшествующей, но дополнительно может использовать подогрев или оплавление поверхности не сферического порошка или гранул отдельным лучом или лучами на подлете вещества к ванне расплава.
Эта схема позволяет использовать более дешевый несферический порошок, который после оплавления принимает сферическую форму. Схема позволяет регулировать температуру вещества на подлете к ванне расплава. Гранула падает в ванну, приобретая заданную температуру, при этом ее поверхность может быть расплавлена, а центральная часть быть не нерасплавленная и наоборот. На Фиг. 2г для начальной отработки предлагаемой схемы возможно применение электромагнитной воронки 6, которая улавливает и по своей оси направляет гранулы в ванну расплава, то есть производит более точную корректировку траектории падения гранул за счет корректировки траектории в электромагнитном поле воронки.
Для корректировки траектории гранул, имеющих положительный или отрицательный заряд, возможно, использовать постоянное электромагнитное поле. В переменном поле может производиться корректировка траектории и нагрев гранул, не имеющих заряда, но проводящих ток. Изменением напряженности электромагнитного поля возможно производить фокусировку или разфокусировку потока гранул проходящих по оси электромагнитной воронки. Схема может применяться в модификации, где в ванну расплава гранулы может направлять электромагнитный отклоняющий контур 7 установленный сразу после воронки, позволяющий в определенном радиусе от оси воронки укладывать в ванну расплава гранулы. Для создания особых деталей, состоящих из замкнутых сотовых полостей, отклоняющий контур позволяет изменять полет гранулы, где траектория падения на тело детали может идти по горизонтали или по кривой с разворотом к месту старта, то есть, контур может укладывать в ванну расплава вещество под любым углом падения. Совместное использование воронки и контура повышает точность и увеличивает площадь укладки гранул, а следовательно скорость формирования детали. Отклоняющий контур позволяет более динамично воздействовать на гранулы, тем самым повышая быстродействие схемы.
При использовании электромагнитной воронки, Фиг.2г целесообразно применять схему аналогичную изображенной на Фиг.2а, где тело детали вращается вокруг оси и по мере его нарастания опускается вниз, а воронка с контуром перемещается по прямой линии, то есть по радиусу вращения. Перемещение воронки и контура обеспечивается за счет механизма, который в соответствии с программой перемещает их по прямой линии, позиционируя в заданных координатах. С использованием предлагаемого механизма наплавление ванны и осаждение вещества при формировании детали происходит в определенном угловом секторе.
На Фиг. 2д предлагается схема устройства, где вращение тела детали не используется, при этом используется механизм перемещения тела детали по вертикальной оси вниз или вверх по мере наплавления слоев.
Для качественного проплавления ванны может применяться несколько лучей 2, при этом электромагнитная воронка 6 и электромагнитный отклоняющий контур 7 перемещаются в одной плоскости параллельно плоскости формирования верхнего слоя по оси X и У, за счет использования 2D принтера. Площадь окружности в которой осаждаются гранулы за счет использования отклоняющего контура, больше площади падения гранул, где используется только одна электромагнитная воронка, поэтому перемещать воронку и контур вдоль площади сечения детали можно более плавно и на меньшее расстояние.
На Фиг. 2е используется схема, аналогичная изображенной на Фиг. 2а, где также используется вращение с перемещением детали вниз по мере нарастания слоев.
Для более точной настройки на место плавления ванны лучом, применяется вторая электромагнитная воронка 8, с закрепленным на ней в нижней части вторым электромагнитным отклоняющим контуром 9. Вторая электромагнитная воронка 8 фокусирует луч 2 и направляет его по внутренней оси, а второй электромагнитный контур 9 направляет луч в нужное место, где наплавляется ванна расплава. Это позволяет направлять электронный луч по более сложной траектории по отношению к телу детали, как по касательной, так и по искривленной траектории, включая разворот траектории к месту возникновения луча. Данная особенность позволяет производить сотовые пустотелые детали с замкнутыми полостями для этого в заданный момент времени и в заданных координатах пространства нужно изгибать траекторию падения луча и вещества под заданным углом. При этом ванна расплава может наплавляться не только сверху тела детали, но и с боку и снизу, то есть ванна может наплавляться на теле детали по горизонтали сверху, по вертикали сбоку и по горизонтали снизу. Замкнутые полости, имея форму близкую к оболочке шара, требуют наплавления ванны и нанесения вещества с разных направлений пространства. Возможность способа направлять траекторию вещества и луча в нужное место пространства, невзирая на действие сил гравитации, под действием электромагнитных полей без использования механизмов, дает большие технологические преимущества.
Вторая электромагнитная воронка 8 и второй электромагнитный контур 9 закреплены с электромагнитной воронкой 6 и электромагнитным контуром 7 и перемещаются на стационарном расстоянии. Эта особенность позволяет очень точно согласовать место наплавления ванны расплава лучом и траекторию падения в нее гранул.
Для подогрева гранул 1 и разогрева ванны 3, можно использовать дополнительный луч 2, направленный в электромагнитную воронку 6 или на траекторию движения вещества. Проходя через траекторию вещества и ось воронки, луч подогревает поверхность гранул и ванну расплава. Данное устройство особенно эффективно при создании нового аддитивного оборудования использующего метод одновременного управления лучом и веществом за счет электромагнитного поля.
При необходимости возможно применять наклон детали в пространстве или наклон оси вращения детали. Основные схемы осаждения, показанные на Фиг. 2, могут сочетаться в различных комбинациях при создании различных модификаций оборудования. Для осуществления заявляемого способа аддитивного изготовления деталей на основе электродинамики предлагается устройство, изображенное на Фиг. 3. Устройство содержит вакуумную камеру 10, где размещается электронно-лучевая пушка 11 с фокусирующей электромагнитной линзой 12 и отклоняющей электромагнитной линзой 13 луча 2, который в заданных координатах на верхней плоскости тела 4 детали в зоне построения наплавляет ванну расплава 3, куда поступает порошок, в виде сферических гранул 1, падая с определенной скоростью из загрузочного бункера 14. Гранулы из бункера выталкиваются шнеком 15, который может вращаться с заданной скоростью. Регулируя скорость вращения можно обеспечить в секунду определенный объем подачи гранул. Подачу гранул возможно обеспечить различными механизмами, например подавая их из бункера за счет вибролотка, по типу песочных часов, где в узкой части можно установить магнитный затвор, который может тормозить поток вещества или ускорять, а так же возможно применить другие схемы подачи. Гранулы, направленные из накопителя, попадают в распределитель 16, в виде трубы. Для того, чтобы из бункера поступал порошок в определенном количестве с определенной скоростью, на распределителе установлены индукционные электромагнитные катушки 17,18,19. Катушки имеют различную схему намотки, например, катушка 17 имеет намотку вокруг оси трубы, что позволяет фокусировать гранулы по центру трубы. Вторая катушка 18 поперек оси, что позволяет отклонять гранулы по сечению трубы. Третья катушка 19 намотана под углом к оси трубы, что позволяет распределять гранулы, под углом к сечению трубы. Вследствие взаимодействия индуктированного тока в металле гранул с вызвавшем его полем катушек возникают механические силы, оказывающие давление на металл гранул, распределяющие их по заданным траекториям в объеме трубопровода.
Поступление гранул в зону действия индукционных катушек вызывает изменение напряженности поля в электромагнитном контуре, которое фиксируется приборами, за счет этого возможно определить примерное количество и скорость поступающего порошка. Напряженность поля катушки и скорость вращения привода шнека за счет определенной программы могут управляться компьютером через коммутатор с использованием обратной связи. Когда сигнал снимается с индукционной катушки о поступлении в нее определенного количества вещества, он поступает на коммутатор и далее на компьютер, который согласно программе определяет соответствие количества поступающего порошка по заданной программе. После сравнения сигнал поступает через коммутатор на устройства управления скоростью вращения шнека и напряженностью поля катушек, добиваясь заданного поступления объема вещества в распределитель. После этого в соответствии с программой устанавливается стабилизированный по скорости, направлению и количеству поток гранул, поступая в зону действия фокусирующего индуктора 20 и отклоняющего индуктора 21. При выходе из распределителя 16 установлены датчики 5, которые более точно считывают все параметры характеризующие движение и тепловое состояние гранул, собранная информация через коммутатор поступает на компьютер, обрабатывается, и сигнал управления снова через коммутатор подается на фокусирующий индуктор 20 и отклоняющий индуктор 21. Под действием сигнала управления фокусирующий индуктор 20 может ускорить или замедлить гранулы, сфокусировать по оси траекторию и изменить температуру, а отклоняющий индуктор 21 направляет гранулы в электромагнитную воронку 6 или электромагнитный уловитель 22, из которого гранулы могут снова попадать в бункер 14. Данная схема позволяет точно регулировать количество, скорость, траекторию, температуру и другие параметры гранул поступающих в электромагнитную воронку 6. Механизм перемещает воронку по оси X на определенном отрезке прямой линии, получая в определенный момент сигнал с компьютера о координатах. Перед и после электромагнитной воронки 6 установлены датчики слежения 5, которые фиксируют координаты гранул в пространстве до момента осаждения в ванну расплава. Информация о гранулах фиксируется датчиками 5 с определенной частотой в секунду, от места падения из бункера до места осаждения в ванну расплава. Информация обрабатывается компьютерной программой, которая вносит коррективы с той же частотой через сигналы управления на все устройства, влияющие на аддитивный процесс изготовления детали. Луч 2 управляется в соответствие с программой по аналогичной схеме, через фокусирующую электромагнитную линзу 12 и отклоняющую электромагнитную линзу 13. Поворот стола 23 осуществляет изменение координат по оси Y в соответствие с программой. Стол установлен на шток 24, который может опускаться или подниматься в соответствии с программой управления, осуществляя изменение координат по оси Z. Осаждение вещества производиться в вакууме, который создается через патрубок 25. При необходимости возможно производить осаждение вещества в любом газе.
Для большей точности определения и управления гранулами можно прибегнуть к использованию большего количества фокусирующих, отклоняющих, тормозящих, ускоряющих и сортирующих вещество устройств. На Фиг. 4 показан пример подобного устройства, где на участке между фокусирующим индуктором 20 и отклоняющим индуктором 21 установлены устройства, позволяющие более точно влиять на траекторию и другие параметры гранул 1. Этот комплекс устройств более точно определяет различные параметры гранул. Гранулы, входя и выходя из фокусирующего индуктора 20, считываются по необходимым параметрам датчиками 5 и далее направляются на индуктор-рассекатель 26, который делит поток на несколько потоков гранул, улавливаемых окружными воронками 27, которые установлены вокруг рассекателя. Перед окружными воронками и после их датчики определяют параметры каждого потока гранул, позволяя более точно отслеживать отдельные параметры потоков. Далее каждый поток попадает во вторые отклоняющие индуктора 28, которые сортируют гранулы, направляя одну часть в бункер, а другую часть в ванну расплава. Чем больше установлено окружных воронок с отклоняющими индукторами, тем более точно можно регулировать процесс подачи вещества на формирование тела детали. После отклоняющих индукторов заданное количество гранул поступает в собирающий индуктор 29, после которого установлен третий отклоняющий индуктор 30, задача которого более точно отсортировать количество гранул поступающих на изготовление детали.
Окончательный отсортированный поток гранул поступает в ускорительно- замедлительный индуктор 31 , где гранула приобретает заданную скорость полета и на выходе попадает в отклоняющий индуктор 21.
Данный пример, показывает, что система, собранная из фокусирующего и отклоняющего индуктора 20 и 21 , может быть более сложной за счет ввода дополнительных подобных устройств. Но данное усложнение позволяет многократно повысить точность отслеживания и перемещения веществ в электромагнитном поле. На Фиг. 4 показано, что каждое устройство снабжено датчиками 5, количество которых на этом участке увеличено с двух до десяти. Количество индукторов управления и датчиков слежения для конкретной аддитивной машины подбирается исходя из экономических соображений и решаемой задачи по точности изготовления детали. Эти устройства позволяют при падении в ванну расплава превратить поток гранул как в сплошную линию заданного сечения подобную сплошной проволоке, так и прерывистую линию из гранул, где задана площадь и длина сплошных участков состоящих из гранул, а так же расстояния между участками гранул.
Вышеперечисленные схемы управления предназначены для металлов и неметаллов, где в грануле, возможно, навести токи, вокруг которых возникает электромагнитное поле. Для управления потоком гранул из неметаллов, где это сделать сложно, необходимо применять схему, которая так же позволяет управлять их траекторией в электромагнитном поле. Для этого необходимо чтобы нейтральная гранула приобрела положительный или отрицательный заряд. Неметаллическая частица в виде гранулы может быть заряжена за счет, трения, облучения или за счет прямого подвода к частице электронов или протонов.
Для управления заряженной частицей можно применить устройство, показанное на Фиг. 5. На Фиг. 5а гранулы 1 падают между вертикальными пластинами отклоняющих конденсаторов 32, которые могут представлять две вертикальные плоскости пластин собранных в сетчатую конструкцию и располагаться рядами, создавая между двумя пластинами различную напряженность. В итоге создается устройство из пластин конденсаторов в виде сетки, которая перекрывает всю площадь, через которую падают гранулы. Гранула, проходя через пластины, может под действием электромагнитного поля отклонять по горизонтали свою траекторию в заданные координаты. На входе и выходе из ряда конденсаторов параметры траектории падения заряженных гранул отслеживают датчики. После выхода из рядной системы вертикальных конденсаторов, которые выполняют функции сортировочного и отклоняющего траекторию устройства, гранулы в определенном количестве направляются в сторону или на осаждение в ванну расплава. После вертикальных отклоняющих конденсаторов поток гранул, собранный со всей площади, поступает в ускоряющий - тормозящий ряд горизонтальных конденсаторов 33, расположенных в центральной части. Горизонтальный конденсатор 33 собран из нескольких кольцевых пластин с отверстием, плоскость которых перпендикулярна траектории падения гранул. Между каждыми двумя пластинами возможно создавать различную напряженность поля, подключая их к различным полюсам, тем самым можно ускорять или замедлять скорость падения гранул. Далее стабилизированный по скорости падения поток гранул проходит через отклоняющую катушку 34, которая направляет гранулы по заданным координатам.
На Фиг. 56 показана схема, использующая для изменения направления траектории и скорости падения гранул только ряды отклоняющих конденсаторов 32, состоящих из вертикальных пластин, чередующихся с рядами тормозяще-ускоряющих горизонтальных конденсаторов 33, состоящих из горизонтальных пластин.
Таким образом, на траекторию движения и скорость перемещения возможно воздействовать, используя как переменное, так и постоянное электромагнитное поле.
Схемы устройств, изображенные на Фиг. 4 и Фиг. 5, могут быть различной конфигурации за счет использования различных сочетаний и комбинаций представленных схем.
Для того, чтобы расширить возможности способа прямого осаждения материала в электромагнитном поле, можно снабдить оборудование сразу несколькими бункерами из которых поступает материал одинаковой или различной фракции и одного или различного химического состава. Использование нескольких источников подачи материала в ванну расплава, позволит повысить точность дозирования, скорость подачи, но главное это позволит создавать композиционные детали, сочетая подачу различных материалов.
На Фиг. 6 показана схема устройства для производства обычных или композиционных деталей. Схема устройства подобна схеме изображенной на Фиг.З, но позволяет использовать вещество из различных материалов, где возможно одновременное или последовательное осаждение гранул различной фракции и различного химического состава. Устройство содержит несколько электронно-лучевых пушек 11 несколько загрузочных бункеров 14 с автономной системой регулирования подачи гранул, которые в нужный момент времени и в нужном количестве поступают в заданные координаты на теле детали 4. На Фиг. 6 в качестве примера используется система фокусирующего индуктора 20 и отклоняющего индуктора 21 , куда поступают гранулы, которые далее поступают в электромагнитную воронку 6 с отклоняющим электромагнитным контуром 7 и в ванну расплава 3. Ванна может создаваться одним или несколькими лучами в зависимости от сложности детали, скорости и массы осаждаемого материала. Дополнительный луч (или лучи) позволяет на полете к ванне оплавлять или подогревать гранулы до заданной температуры. Дополнительный луч позволяет расплавлять или оплавлять гранулы, осажденные на поверхность детали, расширяя технологические возможности оборудования.
Скорость аддитивного изготовления на установке, показанной на Фиг. 6 можно повысить, если вести формирование детали при осаждении вещества сразу по нескольким радиусам, то есть в различных угловых секторах на площади окружности.
Все воздействия на вещество и луч осуществляются электромагнитными полями, что позволяет контролировать процесс формирования детали с максимально возможной скоростью. Показанные на Фиг. 1 + 6 схемы устройства раскрывают принцип действия способа и показывают высокие возможности создания различного по модификации оборудования для изготовления деталей.
Предлагаемое устройство позволяет с высокой скоростью осуществлять аддитивное изготовление деталей. Например, если гранулы падают с высоты два метра в ванну расплава, они приобретут под действием силы тяжести скорость 6,26 м/сек. Допустим, что с учетом торможения и искривления траектории полета гранул в электромагнитном поле скорость падения снизиться до 4,5 м/сек. Примем, что площадь осаждения материала в ванну расплава составляет 1 мм2, который падает сплошным потоком, следовательно за одну секунду тело детали увеличит свой объем на 4,5 см3. Для осаждения этого объема, за секунду необходимо наплавить соответствующий объем ванны расплава. Допустим, объем ванны будет составлять половину объема осаждаемого вещества 2,25 см3. Если в качестве вещества будет использован титан, то известно, что для расплавления электронным лучом мощностью один МВт, в минуту можно расплавить 12 кг. Следовательно, для создания ванны расплава объемом 2,25 см3 за секунду потребуется мощность луча 50,6 кВт.
Скорость нарастания массы детали из титана в секунду составит 20,25 грамм, в минуту - 1215 грамм, в час - 72,9 кг. Это достаточно высокая скорость аддитивного изготовления детали, которая превосходит скорость изготовления деталей за счет механической обработки.
На данный момент времени современная техника позволяет обрабатывать сигнал компьютером, проходящий через коммутатор с частотой 10000 Гц. Это позволяет очень точно контролировать полет гранулы, выпущенной с двух метров и движущейся со средней скоростью 2,25 м/сек. Время в полете занимает 0,9 сек, следовательно полет будет отслежен с периодом по времени 8,8 ' 10"5 сек, при этом траекторию полета гранулы можно будет зафиксировать в среднем на отрезке длины равном 0,18 мм. Для современного компьютерного оборудования полет гранулы будет практически "застывшим" во времени, что позволяет очень точно производить наведение и корректировку траектории, а следовательно производить более точное и скоростное аддитивное формирование детали с осаждением вещества управляемого магнитным полем.
Принцип управления веществом и лучом в вакууме или газовой среде за счет электромагнитных полей открывает для развития аддитивной технологии значительные перспективы, которые не доступны аналогам.
ЛИТЕРАТУРА
[1]. Довбыш В.М., Забеднов П.М., Зеленко М.А. - Статья. Аддитивные технологии и изделия из металла, [Электронный ресурс], Режим доступа:
http://nami.ru/uploads/docs/centr technology docs/55a62fc89524bAT metall.pdf
[2]. Кулиш Александр Михайлович, Студент 4курса, кафедра «Лазерные технологии в машиностроении» Московский государственный технический университет им Н.Э. Баумана - Статья. Использование аддитивных технологий для получения деталей машиностроения, Всероссийская научно-техническая конференция студентов Студенческая научная весна 2015: Машиностроительные технологии.
[3]. Григорьянц А.Г., Мисюров А.И. - Возможности и перспективы применения лазерной наплавки. Технология машиностроения, 2005, N°10 с. 52-56.
[4]. Фогель А.А. - Индукционный метод удерживания жидких металлов во взвешенном состоянии/Под ред. А.Н. Шамова - 2-е изд., испр. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд- ние, 1989. (стр. 167; 174 - 181).
[5]. Кабардин О.Ф. - Физика: Справ. Материалы: Учеб. пособие для учащихся. - 4-е изд. - М.: Просвещение: АО "Учеб. лит.", 1996. (стр. 3; 5 - 11).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ аддитивного изготовления деталей, заключающийся в том, что тело детали формируется путём прямого осаждения вещества в виде гранул металла или неметалла поступающего из накопительной ёмкости за счёт газового потока, направляемого соплом в ванну расплава, производимую за счёт тепловой энергии лазерного или электронного луча с последующей кристаллизацией, отличающийся тем, что из накопительной ёмкости вещество в виде гранул поступает в ванну расплава под действием сил тяжести и электромагнитных сил без участия газового потока, изменяя свою траекторию и скорость движения в полёте по заданной программе под действием электромагнитного поля.
Способ по п.1, отличающийся тем, что вещество гранул может перемещаться в вакууме и на подлёте к ванне расплава, может подогреваться или оплавляться по поверхности за счёт независимых источников плавления, которыми могут служить электромагнитные поля или лучи.
Способ по п.1 , отличающийся тем что, вещество на подлете к ванне расплава, может переплавляться из порошка неправильной формы в гранулы сферической формы, при этом наружная часть при осаждении гранулы в ванну расплава может кристаллизироваться, а внутренняя может оставаться расплавленной или наоборот.
Способ по п.1 , отличающийся тем, что изменение направления траектории полёта гранулы по заданным координатам может производиться за счет переменного электромагнитного поля, которое наводит в грануле электромагнитную индукцию. Способ по п.1 , отличающийся тем, что постоянное или переменное электромагнитное поле могут управлять траекторией полёта неметаллической гранулы, где не наводится электромагнитная индукция, которая перед падением приобретает определённый положительный или отрицательный заряд.
Способ по п.1 , отличающийся тем, что ванна расплава может создаваться за счёт нескольких лучей, а поступающий в неё поток гранул может быть различного химического состава и диаметра, которые поступают в ванну в соответствии с заданной программой.
Устройство для аддитивного изготовления деталей путем прямого осаждения вещества в виде гранул содержит лазерный или электронно-лучевой источник нагрева, накопительную ёмкость вещества, направляющий вещество в ванну расплава трубопровод и сопло, опорный стол для закрепления и формирования тела детали, систему и датчики слежения, установленные в камере, отличающееся тем, что гранулы перемещаются в камере, падая в ванну расплава сверху из накопительной емкости, откуда подаются в определенном объеме и с определённой скоростью за счёт вращения регулируемого шнека, проходя через систему электромагнитных устройств, которые управляют траекторией гранул электромагнитными полями, координаты траектории с определенной частотой отслеживаются датчиками подающими сигнал через коммутатор на компьютер, где после обработки сигнала в соответствии с заданной программой идёт корректировка траектории полёта гранул путем управления через электромагнитные устройства и корректировку скорости и объема подачи вещества через регулировку вращения шнека.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что вместо сопла используется индуктор в виде электромагнитной воронки установленной на определенном расстоянии от стола, которая направляет в электромагнитном поле в ванну расплава гранулы и перемещается механизмом в пространстве по заданной компьютерной программе.
9. Устройство по п.7 отличающееся тем, что в электромагнитном поле воронки установленной над ванной расплава и управляемой по программе механизмами перемещения в соответствие с заданными координатами производиться не только управление траекторией гранулы перед падением в ванну расплава, но и производиться регулировка площади сечения потока гранул.
10. Устройство по п.7 отличающейся тем, что при использовании после воронки электромагнитного отклоняющего контура вещество может укладываться в ванну расплава под любым углом с изменением по геометрии траектории полета на заданный радиус с возможностью любого изменения направления, включая разворот к месту старта.
11. Устройство по п. 7 отличающееся тем, что траектория падения вещества формируется под действием электромагнитного поля и отслеживается на всей траектории движения датчиками, которые при необходимости могут выполнить функции радара, сканера, пирометра и спектрометра.
12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что может использовать электромагнитный отклоняющий контур без использования электромагнитной воронки, позволяющий за счет электромагнитного поля в определенном пространстве укладывать в ванну расплава гранулы изменяя их траекторию падения по заданной кривой с возможностью разворота траектории к месту старта.
13. Устройство по п.7, отличающееся тем, что перемещение воронки и контура обеспечивается за счет единого механизма, который в соответствие с программой перемещает их по заданным координатам в пространстве построения тела детали.
14. Устройство по п.7, отличающееся тем, что совместно с электромагнитными воронкой и контуром, через которые поступают гранулы, применяются электромагнитные воронка и контур, через которые пропускается электронный луч, наплавляющий ванну расплава, которые перемещаются по заданным координатам с помощью единого механизма, что позволяет точно координировать место плавления ванны и падения вещества, при этом ванна расплава может наплавляться, а вещество в нее осаживаться сверху, сбоку, снизу тела детали, позволяя формировать замкнутые сотовые конструкции без наклона тела детали.
15. Устройство по п.7, отличающееся тем, что за счёт вращения опорного стола и перемещения его вдоль оси вращения вверх или вниз, падение гранул и наплавление ванны возможно производить по прямой линии вдоль радиуса вращения, создавая формирование тела детали в заданном объеме, где гранулы подаются перпендикулярно плоскости вращения, а излучение под углом позволяя ограничивать зону формирования тела в определенном секторе окружности.
16. Устройство по п.7, отличающееся тем, что может использовать несколько загрузочных ёмкостей, из которых в нужном объёме и в нужный момент времени поступают гранулы различного химического состава и размера.
17. Устройство по п.7, отличающееся тем, что не использует перемещения тела детали, при этом используется несколько лучей, регулирующих фокусировку на заданной высоте, где формируется тело детали за счет изменения траектории падения гранул и луча под действием электромагнитного поля без использования механизмов.
18. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подача гранул из накопительной емкости может обеспечиваться за счет вибролотка, за счет песочных часов с магнитным затвором, наклона бункера и других подобных механизмов.
19. Устройство по п.7, отличающееся тем, что падающие из накопительной емкости гранулы попадают в трубопровод, где установлены электромагнитные катушки с различной схемой намотки, что позволяет устанавливать стабилизированный поток гранул по заданным траекториям в объеме трубопровода и позволяя определить количество и скорость гранул за счет фиксации приборами изменения напряженности поля в электромагнитном контуре катушек.
20. Устройство по п.7, отличающееся тем, что после распределителя устанавливается фокусирующий и отклоняющий индуктор перед и после которых установлены датчики, считывающие все параметры, характеризирующие движение и тепловое состояние гранул, где фокусирующий индуктор может сфокусировать, замедлить, ускорить и изменить температуру потока гранул, а отклоняющий направить необходимый поток гранул в ванну расплава или снова в накопительный бункер.
21. Устройство по п.7, отличающееся тем, что информация о потоке гранул и луче фиксируется датчиками с определенной частотой от момента падения из накопительной емкости до момента осаждения в ванну расплава, обрабатывается компьютерной программой с той же частотой внося коррективы на управление всеми устройствами влияющими на аддитивный процесс изготовления детали.
22. Устройство по п.7, отличающееся тем, что для большей точности управления гранулами используется большее количество фокусирующих, отклоняющих, тормозящих, ускоряющих и сортирующих вещество электромагнитных устройств, которые ставятся между фокусирующим и отклоняющим индуктором, куда может входить электромагнитный рассекатель, окружные электромагнитные воронки, собирающий и ускоряющее - замедляющий индуктор, где каждое электромагнитное устройство снабжено датчиками слежения.
23. Устройство по п.7, отличающееся тем, что приобретение гранулами определенного положительного или отрицательного заряда может осуществляться за счет трения, облучения или прямого подвода к веществу электронов или протонов.
24. Устройство по п.7, отличающееся тем, что для управления заряженной частицей можно применять вертикальные и горизонтальные пластины конденсаторов, собранных в сетчатую конструкцию располагаемую рядами, где между двумя пластинами создается различная напряженность, конструкция выполняет функции сортировочного и управляющего скоростями и траекториями гранул устройства, снабженного датчиками слежения.
25. Устройство по п.7, отличающееся тем, что скорость аддитивного изготовления детали ускоряется за счет ведения осаждения вещества сразу по нескольким секторам или участкам осаждения.
PCT/RU2016/000616 2015-09-25 2016-09-08 Способ и устройство аддитивного изготовления деталей Ceased WO2017052417A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201680056127.2A CN108136500B (zh) 2015-09-25 2016-09-08 用于部件的增材制造的方法和装置
US15/756,547 US11358329B2 (en) 2015-09-25 2016-09-08 Method and device for the additive manufacturing of components
EP16849092.8A EP3354377B1 (en) 2015-09-25 2016-09-08 Method and device for the additive manufacturing of components

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141052 2015-09-25
RU2015141052A RU2627527C2 (ru) 2015-09-25 2015-09-25 Способ и устройство аддитивного изготовления деталей методом прямого осаждения материала, управляемого в электромагнитном поле

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017052417A1 true WO2017052417A1 (ru) 2017-03-30

Family

ID=58386769

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000616 Ceased WO2017052417A1 (ru) 2015-09-25 2016-09-08 Способ и устройство аддитивного изготовления деталей

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11358329B2 (ru)
EP (1) EP3354377B1 (ru)
CN (1) CN108136500B (ru)
RU (1) RU2627527C2 (ru)
WO (1) WO2017052417A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110883336A (zh) * 2019-12-03 2020-03-17 昆明理工大学 一种合金棒材高通量连续制备装置

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2725465C2 (ru) * 2018-02-01 2020-07-02 Александр Сергеевич Кривенко 3d принтер
RU2691017C1 (ru) * 2018-02-01 2019-06-07 Александр Сергеевич Кривенко Способ 3d печати секционированной проволокой
US10502701B2 (en) * 2018-03-30 2019-12-10 General Electric Company Method and system using x-ray pinhole camera for in-situ monitoring of electron beam manufacturing process
EP3581297A1 (de) 2018-06-12 2019-12-18 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum bestimmen von bauvorschriften für ein additives fertigungsverfahren, verfahren zum erstellen einer datenbank mit korrekturmassnahmen für die prozessführung eines additiven fertigungsverfahrens, speicherformat für bauanweisungen und computer-programmprodukt
CA3103691C (en) 2018-06-19 2021-09-28 Metakine Inc. Self-replicating fused deposition modeling printer using granules
RU2672989C1 (ru) * 2018-07-20 2018-11-22 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Способ изготовления полого диска газотурбинного двигателя
RU2704358C1 (ru) * 2018-12-26 2019-10-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц и устройство для его осуществления
RU196137U1 (ru) * 2018-12-27 2020-02-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Быстросъемный корпус механизма дозирования порошка аддитивной машины
CN109971140B (zh) * 2019-03-20 2021-12-31 福建师范大学 一种具有三维导热网链复合材料的制备方法及其装置
RU2722961C1 (ru) * 2019-12-23 2020-06-05 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Устройство для получения наночастиц при аддитивном изготовлении объемных микроразмерных структур
RU2730008C1 (ru) * 2019-12-23 2020-08-14 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц
RU2729254C1 (ru) * 2019-12-23 2020-08-05 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Устройство для аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц
RU2723341C1 (ru) * 2019-12-30 2020-06-09 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц
JP2023517279A (ja) * 2020-02-04 2023-04-25 １１８８５１１ カナダ エルティーディー． 電磁力を使用した被加工物に対する操作の実行
IT202000004678A1 (it) 2020-03-05 2021-09-05 Milano Politecnico Sistema per la deposizione di microparticelle
CN111496251A (zh) * 2020-03-30 2020-08-07 昆明七零五所科技发展有限责任公司 一种无需支撑的金属选区熔融直接成型3d打印方法
CN112906142B (zh) * 2020-07-28 2022-07-15 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种适用于极轻质量投放模型的设计及加工方法
US20230321730A1 (en) * 2020-08-18 2023-10-12 Hewlett-Packard Development Company, L.P Non-uniform electric fields to compact metal powder build material
US12269091B2 (en) * 2020-11-30 2025-04-08 Lawrence Livermore National Security, Llc System and method for multimaterial powder bed patterning for use in additive manufacturing
CN112792357B (zh) * 2020-12-17 2022-09-06 杭州德迪智能科技有限公司 3d打印设备
CN113909630B (zh) * 2021-09-29 2022-07-26 南京英尼格玛工业自动化技术有限公司 一种加强筋金属结构件分区打印填充的电弧增材制造方法
CN119477861B (zh) * 2024-11-08 2026-03-24 上海交通大学 基于机器视觉的熔池行为可视化方法及系统
CN120516948B (zh) * 2025-07-16 2026-01-23 广州华立学院 用于增材制造中颗粒熔融成型工艺送料方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU779441A1 (ru) * 1978-07-31 1980-11-15 Институт Механики Металлополимерных Систем Ан Белорусской Сср Дозирующий питатель
RU2132761C1 (ru) * 1993-10-20 1999-07-10 Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн Устройство и способ лазерного спекания
US6149072A (en) * 1998-04-23 2000-11-21 Arizona State University Droplet selection systems and methods for freeform fabrication of three-dimensional objects
RU2228243C2 (ru) * 1998-06-30 2004-05-10 Джиоти МАЗУМДЕР Способ и устройство для лазерной наплавки
WO2005089090A2 (en) * 2003-10-14 2005-09-29 North Dakota State University Direct write and freeform fabrication apparatus and method
RU139624U1 (ru) * 2013-01-29 2014-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Нанотехнологии проводников" Установка изготовления изделия путем лазерного спекания

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4724299A (en) * 1987-04-15 1988-02-09 Quantum Laser Corporation Laser spray nozzle and method
US6476343B2 (en) * 1996-07-08 2002-11-05 Sandia Corporation Energy-beam-driven rapid fabrication system
WO2011123195A1 (en) * 2010-03-31 2011-10-06 Sciaky, Inc. Raster methodology, apparatus and system for electron beam layer manufacturing using closed loop control
FR2998818B1 (fr) * 2012-11-30 2020-01-31 Association Pour La Recherche Et Le Developpement De Methodes Et Processus Industriels "Armines" Procede de fabrication d'une piece par fusion de poudre les particules de poudre arrivant froides dans le bain
CN105188993A (zh) * 2013-03-15 2015-12-23 麦特法布公司 用于增材制造装置的料盒和方法
US10434572B2 (en) * 2013-12-19 2019-10-08 Arcam Ab Method for additive manufacturing

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU779441A1 (ru) * 1978-07-31 1980-11-15 Институт Механики Металлополимерных Систем Ан Белорусской Сср Дозирующий питатель
RU2132761C1 (ru) * 1993-10-20 1999-07-10 Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн Устройство и способ лазерного спекания
US6149072A (en) * 1998-04-23 2000-11-21 Arizona State University Droplet selection systems and methods for freeform fabrication of three-dimensional objects
RU2228243C2 (ru) * 1998-06-30 2004-05-10 Джиоти МАЗУМДЕР Способ и устройство для лазерной наплавки
WO2005089090A2 (en) * 2003-10-14 2005-09-29 North Dakota State University Direct write and freeform fabrication apparatus and method
RU139624U1 (ru) * 2013-01-29 2014-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Нанотехнологии проводников" Установка изготовления изделия путем лазерного спекания

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3354377A4 *
ZLENKO M.A. ET AL., ADDITIVNYE TEKHNOLOGII V MASHINOSTROENII, 2013, St. Petersburg, pages 58, 133, XP009510061 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110883336A (zh) * 2019-12-03 2020-03-17 昆明理工大学 一种合金棒材高通量连续制备装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3354377B1 (en) 2020-04-08
RU2015141052A (ru) 2017-03-30
CN108136500B (zh) 2019-11-08
US11358329B2 (en) 2022-06-14
EP3354377A1 (en) 2018-08-01
US20180290381A1 (en) 2018-10-11
CN108136500A (zh) 2018-06-08
RU2627527C2 (ru) 2017-08-08
EP3354377A4 (en) 2019-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2627527C2 (ru) Способ и устройство аддитивного изготовления деталей методом прямого осаждения материала, управляемого в электромагнитном поле
US10695977B2 (en) Apparatus and method for adjusting and controlling the stacking-up layer manufacturing
US10926336B2 (en) Machine and method for powder-based additive manufacturing
RU2630096C2 (ru) Способ и устройство для производства с помощью аддитивных технологий
EP4119269B1 (en) Three-dimensional powder bed fusion additive manufacturing apparatus and threedimensional powder bed fusion additive manufacturing method
US20170021456A1 (en) Process for forming a component by means of additive manufacturing, and powder dispensing device for carrying out such a process
DK3142980T3 (en) METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING ARTIFICALLY BROKEN OR CRUSHED SAND USING HEAT TREATMENT USING SAND IN THE FORM OF FINE SAND AND / OR ROUND SAND AS BASIC MATERIAL
CN106563804A (zh) 激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺及设备
US10434545B2 (en) Particle separator for an additive manufacturing system and method of operation
CN106694883B (zh) 一种同步铺粉式金属激光3d打印的送粉装置
JP6919714B2 (ja) 三次元造形装置及び三次元造形方法
US4218410A (en) Method for the production of high-purity metal powder by means of electron beam heating
KR102020650B1 (ko) 가스 분무 금속 분말용 연속 회수 시스템
CN104259461B (zh) 基于同轴送丝的激光三维制造方法与同轴送丝装置
US20170216918A1 (en) Methods and systems for fabrication using multi-material and precision alloy droplet jetting
US10675683B2 (en) Laminar vertical powder flow for additive manufacturing
KR20150063400A (ko) 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 노즐
JP2022144439A (ja) 三次元積層造形装置および三次元積層造形方法
CN115284408B (zh) 一种月壤静电同轴送粉装置及方法
Li et al. Interaction of laser beam, powder stream and molten pool in laser deposition processing with coaxial nozzle
Prasad et al. Wire additive metal transfer for the development of high-frequency induction heating-based directed energy deposition process
CN113853292B (zh) 用于增材式制造三维构件的方法以及相应的设备
CN115365516B (zh) 定点送粉装置、选区激光熔化成型设备及方法
US20230420183A1 (en) System And Method For Producing Rare Earth Magnets From A Metal Powder Using Recycled Materials And Additive Manufacturing
Kovalchuk et al. New possibilities of additive manufacturing using xBeam 3D Metal Printing technology

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16849092

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15756547

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016849092

Country of ref document: EP