способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения градиентных материалов из порошков, включающий последовательное нанесение на изделие слоев порошка из различных материалов и программируемое селективное спекание или плавление заданной области каждого слоя, отличающийся тем, что перед нанесением следующего слоя порошка изделие перемещают вверх относительно уровня поверхности порошка на толщину наносимого слоя, очищают поверхность изделия и понижают уровень поверхности порошка на толщину наносимого слоя без изменения положения изделия.

2. Устройство для получения градиентных материалов из порошков, содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель и роллер засыпки и укладки порошка, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено платформой для крепления спекаемого изделия, размещенной в рабочем бункере с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении относительно поршня, перемещающего слой порошка, вращающейся турелью с закрепленными в ней бункерами-питателями и дополнительным роллером для очистки изделия, выполненным с возможностью его горизонтального перемещения, причем платформа выполнена в виде решетки, прозрачной для порошка при ее вертикальном перемещении, диаметр поршней, на которых закреплена платформа, меньше шага решетки, а роллер очистки выполнен с возможностью перемещения параллельно или перпендикулярно оси перемещения роллера засыпки и укладки порошка.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано при получении градиентных материалов из порошков лазерным излучением и в лазерной стереолитографии с применением порошковых материалов.

Известен способ получения градиентных материалов [1], состоящий в последовательном нанесении слоев из различных порошков и их селективном спекании. Однако данный способ не позволяет получить спеченные области из различных порошков, лежащие в одной плоскости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения градиентных материалов [2], состоящий в последовательном нанесении слоев из различных порошков и их селективном спекании. Недостатком данного способа является невозможность получения вертикальной границы раздела областей изделия из различных порошков, то есть получить в одном слое области изделия из различных порошков.

Задачей данного изобретения является разработка способа получения градиентных материалов и изделий из них, позволяющего получить спеченные области из различных порошков, лежащие в одной горизонтальной плоскости - в одном слое. Для решения поставленной задачи предложен способ получения градиентных материалов из порошков, состоящий в последовательном нанесении слоев из различных материалов и программируемом селективном спекании или плавлении заданной области каждого слоя.

Новым, по мнению авторов, является то, что перед нанесением последующего слоя изделие перемещают вверх относительно поверхности порошка на толщину наносимого слоя, очищают поверхность изделия и понижают уровень поверхности порошка на толщину наносимого слоя, не меняя положения изделия относительно уровня поверхности порошка. Сущность изобретения поясняется схемой чертежом. По окончании спекания очередного слоя изделие 7, закрепленное на решетке 8, приподнимается над поверхностью порошка А на толщину следующего спекаемого слоя. Поверхность изделия очищают от остатков порошка А роллером очистки 4 и опускают слой порошка поршнем 9 на толщину следующего спекаемого слоя, не меняя положения изделия относительно поверхности слоя порошка. В результате изделие возвращают в прежнее положение, наносят слой порошка Б и спекают его по программе. Такой способ селективного спекания позволяет получить криволинейные в пространстве границы раздела областей изделия, спеченных из различных порошков, и таким образом изготовить объемное изделие из градиентного материала.

Известно устройство для послойного лазерного спекания изделий из порошковых материалов [3], содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с фокусирующей системой и системой сканирования луча, рабочий бункер, поршень, перемещающий слой порошка и изделие, бункер-питатель, роллер засыпки и укладки порошка. Недостатком данного устройства является то, что с помощью данного устройства невозможно получить спеченные области из различных порошков, лежащие в одной горизонтальной плоскости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является представленное в [2] устройство для послойного спекания изделий из порошковых материалов, содержащее рабочую камеру, лазер с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер, заполненный порошком, поршень, перемещающий слой порошка и изделие, бункер-питатель, роллер засыпки и укладки порошка.

Недостатком данного устройства является то, что, используя его, невозможно получить изделия, имеющие спеченные области из различных порошков, лежащие в одной горизонтальной плоскости - в одном слое. Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для получения градиентных материалов, которое позволит реализовать предложенный способ получения градиентных материалов и получить спеченные области из различных порошков, лежащие в одной горизонтальной плоскости - в одном слое.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для получения градиентных материалов из порошков, содержащее рабочую камеру, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель, роллер засыпки и укладки порошка.

Новым, по мнению автора, является то, что устройство дополнительно снабжено платформой для крепления спекаемого изделия, размещенной в рабочем бункере, с возможностью ее перемещения в вертикальном направлении относительно поршня, перемещающего слой порошка, вращающейся турелью с закрепленными в ней бункерами-питателями, а также дополнительным роллером, причем платформа выполнена в виде решетки, прозрачной для порошка при ее вертикальном перемещении, диаметр поршней, на которых закреплена платформа, меньше шага решетки, а роллер очистки выполнен с возможностью перемещения параллельно или перпендикулярно оси перемещения роллера засыпки и укладки порошка. Сущность изобретения поясняется чертежом.

Устройство содержит рабочую камеру 3, лазер 1, систему сканирования и фокусировки луча 2, рабочую камеру 3, роллер очистки 4, бункер сбора порошка 5, рабочий бункер 6, платформу 8 с закрепленным на ней спекаемым изделием 7, поршень 9, перемещающий слой порошка, приводы вертикального перемещения 10, турель 12 с установленными на ней бункерами-питателями 11, привод вращения турели 13, роллер засыпки и укладки порошка 14. Устройство работает следующим образом. На платформе 8, находящейся в некотором исходном положении после селективного спекания предыдущего слоя, закреплено изделие 7. Рабочий бункер 6 заполнен порошком типа А до верхнего уровня спекаемого изделия 7 - плоскости спекания - с помощью роллера засыпки и укладки порошка 14. Перед нанесением следующего слоя из порошка типа Б турель 12 поворачивается при помощи привода 13 и в рабочее положение устанавливается бункер-питатель 11 с порошком типа Б. Платформа 8 перемещается вверх относительно поршня 9 на толщину спекаемого слоя и деталь высовывается из слоя порошка. Платформа прозрачна для порошка и не увлекает его за собой. Роллер очистки перемещается в горизонтальной плоскости над поверхностью порошка в бункере 6 и сбрасывает остатки порошка типа А с изделия и его излишки выше уровня спекания в бункер сбора порошка 5. Поршень 9 с помощью привода опускается на толщину спекаемого слоя, а поршень в бункере-питателе 11 поднимается вверх на толщину спекаемого слоя. С помощью роллера засыпки и укладки порошка 14 слой порошка тип Б перемещается из бункера-питателя в рабочий бункер и укладывается вровень с плоскостью спекания. Производится программное селективное спекание слоя порошка типа Б.

Периодическое поднимание и опускание платформы относительно поршня позволяет получить спеченные области из различных порошков, лежащие в одной плоскости, получить криволинейные в пространстве границы раздела областей изделия, спеченных из различных порошков, и таким образом изготовить объемное изделие из градиентного материала любой сложности.

Список литературы

1. Wang, Chunchau, Hu, Yiadong. Cu/Fe Powder Gradient Material Sintering by Laser Processing // Proceedings SPIE. Vol.3550. Pp.60-64.1998.

2. I.Yadroitcev, Ph.Bernard, B.Laget, I.Smurov. Application of Laser Assisted Technology for Fabrication of Functionally Graded Coatings and Objects for ITER Components. // Journal of Nuclear Materials. V.362. № 2-3. P.189-196. 2006.

3. С.Г.Баев, В.П.Бессмельцев, B.M. Крылов и др. "Разработка прототипа рабочей станции для изготовления трехмерных моделей методами послойного лазерного спекания и/или абляции" // Оптическая техника. № 1. С.15-17.