[go: up one dir, main page]

RU2850236C1 - Device for producing articles from powder materials - Google Patents

Device for producing articles from powder materials

Info

Publication number
RU2850236C1
RU2850236C1 RU2025104120A RU2025104120A RU2850236C1 RU 2850236 C1 RU2850236 C1 RU 2850236C1 RU 2025104120 A RU2025104120 A RU 2025104120A RU 2025104120 A RU2025104120 A RU 2025104120A RU 2850236 C1 RU2850236 C1 RU 2850236C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
laser
laser head
layer
pyrometer
Prior art date
Application number
RU2025104120A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич Григорьев
Алексей Петрович Назаров
Татьяна Васильевна Тарасова
Евгений Александрович Гуцалюк
Марина Александровна Волосова
Андрей Владимирович Гусаров
Роман Сергеевич Хмыров
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГАОУ ВО "МГТУ СТАНКИН")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГАОУ ВО "МГТУ СТАНКИН") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГАОУ ВО "МГТУ СТАНКИН")
Application granted granted Critical
Publication of RU2850236C1 publication Critical patent/RU2850236C1/en

Links

Abstract

FIELD: powder metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly to devices for layer-by-layer synthesis of parts of complex spatial configuration from fine powder and can be used in mechanical engineering, for example, for the manufacture of corrosion-resistant, wear-resistant, heat-resistant articles, parts and assemblies. Device for producing articles from powder materials comprises a bearing frame, a sealed chamber mounted thereon, arranged therein powder material application means in form of double knife installed with possibility of horizontal reciprocating movement and article layer forming, heating elements arranged on double knife, pyrometer, a production hopper with heaters built into its walls, powder collection and supply hoppers and a movable laser head. Laser head is in the form of a housing at the input of which there is a laser optical fibre with an optically welded collimator and coaxially mounted laser beam expander and focusing lens. Laser head protective nozzle is secured at the end of lens output link. Device is equipped with an additional laser head made identical to the main one and arranged mirror-like opposite the latter. Pyrometer is installed through a bracket with its protective nozzle.
EFFECT: reliability of the product formation process due to the use of two independent laser beams and increased accuracy of the applied powder layers.
1 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии послойного синтеза деталей сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка методом селективного лазерного плавления и/или спекания (СЛП) по компьютерной 3-D модели, и может найти применение в различных отраслях машиностроения, например, для изготовления коррозионностойких, износостойких, жаростойких изделий, деталей и узлов.The invention relates to powder metallurgy, in particular to the technology of layer-by-layer synthesis of parts of complex spatial configuration from fine powder by selective laser melting and/or sintering (SLM) using a computer 3D model, and can find application in various branches of mechanical engineering, for example, for the manufacture of corrosion-resistant, wear-resistant, heat-resistant products, parts and assemblies.

Из уровня техники известно устройство послойного получения трехмерного объекта из порошкообразного материала, содержащее технологическую платформу для послойного размещения порошкообразного материала, модуль для нанесения и уплотнения слоев порошкового материала на платформу или на ранее упрочненный слой, содержащего нож, с возможностью его возвратно-поступательного перемещения вдоль платформы, лазерный узел, установленный с возможностью селективной обработки порошкового материала каждого слоя на платформе до формирования готового объекта (Патент РФ на изобретение №2370367, В29С 67/00, 2006 г.).A device for the layer-by-layer production of a three-dimensional object from a powdered material is known from the prior art, comprising a process platform for layer-by-layer placement of the powdered material, a module for applying and compacting layers of powdered material onto the platform or onto a previously hardened layer containing a knife, with the possibility of its reciprocating movement along the platform, a laser unit installed with the possibility of selective processing of the powder material of each layer on the platform until the formation of the finished object (Russian Federation Patent for Invention No. 2370367, B29C 67/00, 2006).

Известна установка для изготовления деталей методом послойного синтеза (патент РФ на изобретение №2487779, B22F 3/105, B23K 26/00, 2012 г.). Согласно патенту установка для изготовления деталей методом послойного синтеза содержит: герметичную камеру, рабочий стол, стол для спекания, механизм подачи порошка на рабочий стол, устройство для сбора избыточного порошка и устройство для выравнивания слоев порошков, включающее каретку с ножом, перемещаемую над поверхностью рабочего стола с помощью привода, отличающаяся тем, что каретка выполнена в виде корпусной детали прямоугольной формы и снабжена установленными на ее торцах Г-образными кронштейнами, размещенными в двух параллельных пазах, выполненных в рабочем столе по бокам его рабочей зоны, и корпусом разравнивающего ножа, установленным на ее передней кромке, при этом на концах Г-образных кронштейнов расположены ползуны, установленные на направляющих, закрепленных на нижней поверхности рабочего стола, а рабочий стол снабжен устройствами защиты пазов. Также установка отличается тем, что устройства защиты пазов выполнены в виде бесконечных лент, установленных на вращающихся барабанах, закрепленных на нижней поверхности рабочего стола, пропущенных над прорезями и закрепленных на торцах каретки, при этом вращающиеся барабаны снабжены устройствами их перемещения для регулировки натяжения лент.A device for manufacturing parts using the layer-by-layer synthesis method is known (RU Patent for Invention No. 2487779, B22F 3/105, B23K 26/00, 2012). According to the patent, an installation for manufacturing parts by the layer-by-layer synthesis method comprises: a sealed chamber, a work table, a sintering table, a mechanism for feeding powder to the work table, a device for collecting excess powder and a device for leveling layers of powders, including a carriage with a knife, moved above the surface of the work table by means of a drive, characterized in that the carriage is made in the form of a rectangular body part and is equipped with L-shaped brackets mounted on its ends, located in two parallel grooves made in the work table on the sides of its working area, and a leveling knife body mounted on its front edge, while at the ends of the L-shaped brackets are located sliders mounted on guides fixed to the lower surface of the work table, and the work table is equipped with groove protection devices. The installation also differs in that the groove protection devices are made in the form of endless belts mounted on rotating drums, secured to the lower surface of the work table, passed over the slots and secured to the ends of the carriage, while the rotating drums are equipped with devices for moving them to adjust the tension of the belts.

Известно устройство послойного получения изделий из порошкообразного материала компании Phenix Systems (патент США 7789037, опубл. 07.09.2010 г.).A device for the layer-by-layer production of products from powdered material is known from the company Phenix Systems (US patent 7789037, published 09/07/2010).

Недостатками известных (выше приведенных) технических решений являются:The disadvantages of the known (above mentioned) technical solutions are:

- отсутствие надежного и точного контроля теплового процесса локального переплавления порошкового материала лазерным лучом;- lack of reliable and precise control of the thermal process of local remelting of powder material by a laser beam;

- низкая производительность процесса формирования изделия, т.к. переплавление порошкового материала реализуется одним лазерным лучом;- low productivity of the product formation process, since the remelting of the powder material is carried out by a single laser beam;

- отсутствие системы контроля реального перемещения платформы построения изделия в условиях воздействия на нее высоких температур.- the lack of a system for monitoring the actual movement of the product construction platform under conditions of exposure to high temperatures.

Все эти недостатки приводят к потере точности наносимых слоев порошка и нестабильному нагреву (высокие градиенты температур) в различных локальных зонах переплавления по всему объему изготавливаемого изделия и образованию оплавленных выступов по границам локальных зон на стыках расплава и непереплавленного порошка, что в конечном итоге приводит к ухудшению физико-механических свойств сформированного изделия, а также появляется возможность непосредственного разрушения изделия в момент нанесения очередного слоя порошкового материала при зацеплении средства подачи и уплотнения порошкового материала в виде ножа за образовавшиеся выступы на поверхности предыдущего слоя.All these shortcomings lead to a loss of precision in the applied powder layers and unstable heating (high temperature gradients) in various local remelting zones throughout the volume of the manufactured product and the formation of molten protrusions along the boundaries of local zones at the junctions of the melt and unmelted powder, which ultimately leads to a deterioration in the physical and mechanical properties of the formed product, and also the possibility of direct destruction of the product at the moment of applying the next layer of powder material when the means for feeding and compacting the powder material in the form of a knife catches on the formed protrusions on the surface of the previous layer.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для получения изделий из порошковых материалов, содержащий силовую раму, установленную на ней герметичную камеру с размещенным в ней средством нанесения порошкообразного материала в виде установленного с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формования слоя изделия двойного ножа, пирометром, бункером изготовления со встроенными в его стенки нагревателями, бункеры сбора и бункеры подачи порошка с дозирующими валами в каждом, размещенными на двойном ноже кварцевыми галогенными нагревательными элементами и установленной в герметичной камере подвижной лазерной головой (Патент РФ №159233, опубл. 10.02.2016 г.).The closest in technical essence and the achieved result is a device for obtaining articles from powder materials, comprising a load-bearing frame, a sealed chamber mounted on it with a means for applying powdered material placed in it in the form of a double knife mounted with the possibility of horizontal reciprocating movement and forming a layer of the article, a pyrometer, a production bin with heaters built into its walls, collection bins and powder feed bins with metering shafts in each, quartz halogen heating elements placed on the double knife and a movable laser head installed in the sealed chamber (Patent of the Russian Federation No. 159233, published on 10.02.2016).

Недостатками известного технического решения являются:The disadvantages of the known technical solution are:

- низкая производительность процесса формирования изделия (детали), т.к. переплавление порошкового материала реализуется одним лазерным лучом;- low productivity of the product (part) formation process, since the remelting of the powder material is carried out by a single laser beam;

- отсутствие системы контроля реального перемещения платформы построения изделия в условиях воздействия на нее высоких температур.- the lack of a system for monitoring the actual movement of the product construction platform under conditions of exposure to high temperatures.

Все эти недостатки приводят к следующему:All these shortcomings lead to the following:

- высокой стоимости изготовления изделия;- high cost of manufacturing the product;

- потере точности наносимых слоев порошка, а также нестабильному нагреву (высокие градиенты температур) в различных локальных зонах переплавления по всему объему изготавливаемого изделия и образованию оплавленных выступов по границам локальных зон на стыках расплава и непереплавленного порошка, что в конечном итоге приводит к ухудшению физико-механических свойств сформированного изделия и появляется возможность непосредственного разрушения изделия в момент нанесения очередного слоя порошкового материала при зацеплении средства подачи и уплотнения порошкового материала в виде ножа за образовавшиеся выступы на поверхности предыдущего слоя.- loss of precision of the applied powder layers, as well as unstable heating (high temperature gradients) in various local remelting zones throughout the volume of the manufactured product and the formation of molten protrusions along the boundaries of local zones at the junctions of the melt and unmelted powder, which ultimately leads to deterioration of the physical and mechanical properties of the formed product and the possibility of direct destruction of the product at the moment of applying the next layer of powder material when the means for feeding and compacting the powder material in the form of a knife catches on the formed protrusions on the surface of the previous layer.

В основу заявленного изобретения был положен технический результат - кратное повышение производительности и надежности процесса формирования изделия за счет улучшенной конструкции настоящего изобретения, позволяющей применение двух независимых лазерных лучей при переплавлении порошкового материала, а также повышения точности наносимых слоев порошка.The claimed invention is based on the technical result of a multiple increase in the productivity and reliability of the product formation process due to the improved design of the present invention, which allows the use of two independent laser beams during the remelting of powder material, as well as an increase in the accuracy of the applied powder layers.

Технический результат достигается тем, что устройство для получения изделий из порошковых материалов, содержащее силовую раму, установленную на ней герметичную камеру с размещенным в ней средством нанесения порошкообразного материала в виде установленного с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формования слоя изделия двойного ножа, пирометром, бункером изготовления со встроенными в его стенки нагревателями, бункеры сбора и бункеры подачи порошка с дозирующими валами в каждом, размещенными на двойном ноже кварцевыми галогенными нагревательными элементами и установленной в герметичной камере подвижной лазерной головой, выполненной в виде корпуса, на входе в который расположено лазерное оптоволокно с оптически приваренным коллиматором и соосно установленными расширителем лазерного луча и фокусирующей линзой, расположенной в выходном звене лазерной головы, на торце которого закреплено защитное сопло лазерной головы, при этом устройство снабжено дополнительной лазерной головой, выполненной идентично основной и расположенной зеркально напротив последней, а пирометр установлен через кронштейн с его защитным соплом, оптическая ось пирометра направлена ортогонально заданному слою порошка и проходит через фокус отраженного сфокусированного лазерного луча, при этом корпуса основной и дополнительной лазерных голов и пирометры установлены на динамичных заднем прямом, переднем прямом, поперечном прямом электроприводах и электроприводе вертикального перемещения.The technical result is achieved in that a device for producing articles from powder materials, comprising a load-bearing frame, a sealed chamber mounted thereon with a means for applying powdered material placed therein in the form of a double knife mounted with the possibility of horizontal reciprocating movement and forming a layer of the article, a pyrometer, a production hopper with heaters built into its walls, collection hoppers and powder feed hoppers with metering shafts in each, quartz halogen heating elements placed on the double knife and a movable laser head installed in the sealed chamber, made in the form of a housing, at the entrance to which a laser optical fiber is located with an optically welded collimator and a coaxially mounted laser beam expander and a focusing lens located in the output link of the laser head, at the end of which a protective nozzle of the laser head is fixed, wherein the device is provided with an additional laser head, made identical to the main one and located mirror-like opposite the latter, and the pyrometer is installed through a bracket with its protective nozzle, the optical axis of the pyrometer is directed orthogonally to the specified powder layer and passes through the focus of the reflected focused laser beam, while the housings of the main and additional laser heads and pyrometers are mounted on dynamic rear direct, front direct, transverse direct electric drives and a vertical movement electric drive.

Изобретение поясняется графическими изображениями.The invention is explained with graphic images.

На фиг. 1 - аксонометрический вид устройства для получения изделий из порошковых материалов.Fig. 1 is an axonometric view of a device for producing products from powder materials.

На фиг. 2 - ортогональный вид сверху устройства для получения изделий из порошковых материалов.Fig. 2 is an orthogonal view from above of a device for producing products from powder materials.

На фиг. 3 - сечение А-А с фиг. 2.Fig. 3 is a section A-A from Fig. 2.

На фиг. 4 - сечение Б-Б с фиг. 3.Fig. 4 is a section B-B from Fig. 3.

На фиг. 5 - местный увеличенный вид В с фиг. 3.Fig. 5 is a local enlarged view B from Fig. 3.

На фиг. 6 - местный увеличенный вид Г с фиг. 3.Fig. 6 is a local enlarged view G from Fig. 3.

На фиг. 7 - вспомогательный вид Д с фиг. 3 (для наглядности следующие позиции условно не показаны: герметичная камера 2, бункеры подачи 11, 12, дозирующие валы 13, воронки подачи порошка 45; динамичный задний прямой электропривод (координата X1 и координата Х2) 30, динамичный передний прямой электропривод (координата X1 и координата Х2) 31, динамичный поперечный прямой электропривод (координата Y) 32, электропривод вертикального перемещения лазерной головы (координата Z1) 33, динамичный поперечный прямой электропривод (координата Y1) 72, электропривод вертикального перемещения лазерной головы (координата Z2) 71, воронка приема порошка 47).In Fig. 7 - auxiliary view D from Fig. 3 (for clarity, the following positions are not shown: sealed chamber 2, feed hoppers 11, 12, metering shafts 13, powder feed funnels 45; dynamic rear direct electric drive (coordinate X1 and coordinate X2) 30, dynamic front direct electric drive (coordinate X1 and coordinate X2) 31, dynamic transverse direct electric drive (coordinate Y) 32, electric drive for vertical movement of the laser head (coordinate Z1) 33, dynamic transverse direct electric drive (coordinate Y1) 72, electric drive for vertical movement of the laser head (coordinate Z2) 71, powder receiving funnel 47).

На фиг. 8 - сечение Е-Е с фиг. 7.In fig. 8 - section E-E from Fig. 7.

Устройство для получения изделий из порошковых материалов, содержит силовую раму 1, установленную на ней герметичную камеру 2 с размещенным в ней средством 3 нанесения порошкообразного материала в виде установленного с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формования слоя изделия двойного ножа 4, пирометром 5, бункером 6 изготовления со встроенными в его стенки 7 нагревателями 8, бункеры 9, 10 сбора и бункеры 11, 12 подачи порошка с дозирующими валами 13 в каждом, размещенными на двойном ноже 4 кварцевыми галогенными нагревательными элементами 14 и установленной в герметичной камере 2 подвижной лазерной головой 15. При этом лазерная голова 15 выполнена в виде корпуса 16, на входе 17 в который расположено лазерное оптоволокно 18 с оптически приваренным коллиматором 19 и соосно установленными расширителем 20 лазерного луча и фокусирующей линзой 21, расположенной в выходном звене 22 лазерной головы 15, на торце 23 которого закреплено защитное сопло 24 лазерной головы 15. Кроме того, устройство снабжено дополнительной лазерной головой 25, выполненной идентично основной (15) и расположенной зеркально напротив последней (15), а пирометр 5 установлен через кронштейн 26 с его защитным соплом 27, оптическая ось 28 пирометра 5 направлена ортогонально заданному слою порошка и проходит через фокус 29 отраженного сфокусированного лазерного луча, при этом корпуса 16 основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов и пирометр 5 установлены на динамичных заднем прямом, переднем прямом, поперечном прямом электроприводах 30, 31, 32 и электроприводе 33 вертикального перемещения.A device for producing articles from powder materials comprises a load frame 1, a sealed chamber 2 mounted on it with a means 3 for applying powdered material placed in it in the form of a double knife 4 mounted with the possibility of horizontal reciprocating movement and forming a layer of the article, a pyrometer 5, a hopper 6 for producing with heaters 8 built into its walls 7, hoppers 9, 10 for collecting and hoppers 11, 12 for feeding powder with metering shafts 13 in each, quartz halogen heating elements 14 placed on the double knife 4 and a movable laser head 15 installed in the sealed chamber 2. In this case, the laser head 15 is made in the form of a housing 16, at the input 17 of which a laser optical fiber 18 is located with an optically welded collimator 19 and a coaxially installed expander 20 of the laser beam and a focusing lens 21 located in output link 22 of laser head 15, on the end 23 of which a protective nozzle 24 of laser head 15 is fixed. In addition, the device is provided with an additional laser head 25, made identically to the main one (15) and located mirror-like opposite the latter (15), and the pyrometer 5 is installed through a bracket 26 with its protective nozzle 27, the optical axis 28 of the pyrometer 5 is directed orthogonally to a given layer of powder and passes through the focus 29 of the reflected focused laser beam, while the housings 16 of the main (15) and additional (25) laser heads and the pyrometer 5 are installed on dynamic rear direct, front direct, transverse direct electric drives 30, 31, 32 and an electric drive 33 for vertical movement.

Бункер 6 изготовления, который установлен к нижней плоскости 34 плиты 35 нанесения слоев порошка, содержит рабочий стол 36, расположенный на поршне 37, а на его верхней плоскости 38 установлен нагреватель 39 стола. На верхнюю плоскость 40 нагревателя 39 стола закреплена съемная подложка 41, образуя рабочую зону 42 изготовления деталей и изделий. Средство 3 нанесения порошкообразного материала перемещается за счет электропривода 43 средства 3 нанесения слоев порошкообразного материала, разравнивая наносимый порошок с помощью уплотняющих роликов 44. Воронки 45 подачи порошка установлены на нижней стенке 46 герметичной камеры 2 соосно бункерам 11, 12 подачи, а воронки 47 приема порошка установлены на верхней плоскости 48 средства 3 нанесения порошкообразного материала. На верхней стенке 49 герметичной камеры 2 установлены широкоугольная инфракрасная камера 50, четыре оптических видеокамер 51, четыре пирометра 52 и четыре триангуляционных лазерных датчика 53. На верхней плоскости 54 плиты 35 нанесения слоев порошка между бункером 6 изготовления и электроприводом 43 средства 3 нанесения слоев порошкообразного материала, а также на нижней плоскости 55 верхней стенки 49 герметичной камеры 2 расположены вдоль колодки 56 подачи защитного газа, которая подает нижние (57) и верхние (58) потоки защитного газа в соответствующие колодки 59 отвода защитного газа. Снаружи герметичной камеры 2 установлена дверь 60.The manufacturing hopper 6, which is installed to the lower plane 34 of the plate 35 for applying powder layers, contains a working table 36, located on the piston 37, and a table heater 39 is installed on its upper plane 38. A removable substrate 41 is fixed to the upper plane 40 of the table heater 39, forming a working area 42 for manufacturing parts and products. The means 3 for applying powdery material is moved by means of an electric drive 43 of the means 3 for applying layers of powdery material, leveling the applied powder with the help of compacting rollers 44. Funnels 45 for feeding powder are installed on the lower wall 46 of the sealed chamber 2 coaxially with the hoppers 11, 12 for feeding, and funnels 47 for receiving powder are installed on the upper plane 48 of the means 3 for applying powdery material. On the upper wall 49 of the sealed chamber 2, a wide-angle infrared camera 50, four optical video cameras 51, four pyrometers 52 and four triangulation laser sensors 53 are mounted. On the upper plane 54 of the plate 35 for applying powder layers between the production bin 6 and the electric drive 43, the means 3 for applying layers of powdery material, as well as on the lower plane 55 of the upper wall 49 of the sealed chamber 2, are located along the block 56 for supplying protective gas, which supplies the lower (57) and upper (58) flows of protective gas to the corresponding blocks 59 for removing protective gas. A door 60 is mounted outside the sealed chamber 2.

При работе устройства, лазерный луч 61 попадает в расширитель 20 лазерного луча и превращает его в расширенный лазерный луч 62, который проходит сквозь фокусирующую линзу 21 и превращается в сфокусированный лазерный луч 63. Далее, сфокусированный лазерный луч 63 попадает на отклоняющее неподвижное зеркало 64 и превращается в отраженный сфокусированный лазерный луч 29.When the device is in operation, the laser beam 61 enters the laser beam expander 20 and transforms it into an expanded laser beam 62, which passes through the focusing lens 21 and transforms into a focused laser beam 63. Next, the focused laser beam 63 enters the deflecting fixed mirror 64 and transforms into a reflected focused laser beam 29.

Для удобства обозначений перемещений введем систему координат, направив ось Z от рабочей зоны, где расстилаются слои порошка, к широкоугольной инфракрасной камере 50 (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 7). Дополнительные линейные движения перемещения вдоль каждой оси координат будем обозначать в соответствии с той осью координат, вдоль которой происходит перемещение с присвоением порядкового номера. Движения вращения вокруг оси Y - будем обозначать как координата В.For ease of designating displacements, we introduce a coordinate system with the Z-axis directed from the work zone, where the powder layers are spread, to the wide-angle infrared camera 50 (Fig. 3, Fig. 4, Fig. 7). Additional linear displacements along each coordinate axis will be designated according to the coordinate axis along which the displacement occurs, assigning a serial number. Rotational displacements around the Y-axis will be designated as coordinate B.

Силовая рама 1 (фиг. 3, фиг. 4) является несущим узлом для базирования всех основных элементов устройства.The power frame 1 (Fig. 3, Fig. 4) is a supporting unit for basing all the main elements of the device.

Герметичная камера 2 предназначена для создания замкнутого пространства (в совокупности с остальными узлами и деталями, описанными ниже), внутри которого создается и поддерживается защитная атмосфера из газа Азота или Аргона. Создание защитной атмосферы в герметичной камере 2 необходимо для защиты изготавливаемой детали от окисления. Герметичная камера 2 герметично установлена на верхней плоскости 54 плиты 35 нанесения слоев порошка.Sealed chamber 2 is designed to create a closed space (along with the other components and parts described below) within which a protective atmosphere of nitrogen or argon gas is created and maintained. Creating a protective atmosphere in sealed chamber 2 is necessary to protect the manufactured part from oxidation. Sealed chamber 2 is hermetically mounted on the upper surface 54 of powder application plate 35.

К нижней плоскости 34 плиты 35 нанесения слоев порошка герметично прилегают бункеры 9, 10 сбора, а также бункер 6 изготовления. Бункеры 9, 10 сбора предназначены для сбора излишков порошка.Collection bins 9 and 10, as well as a production bin 6, are hermetically sealed against the lower plane 34 of the powder application plate 35. Collection bins 9 and 10 are designed to collect excess powder.

Бункер 6 изготовления образует замкнутое пространство для изготавливаемой послойно детали (или нескольких деталей за один цикл) вместе с неподверженным лазерному излучению порошком. В боковые стенки 7 бункера 6 изготовления встроены нагреватели 8. Нагреватели 8 управляются программно от общей системы управления устройством и могут нагревать пространство внутри бункера 6 изготовления до температуры 600°С, а также поддерживать необходимые стабильные тепловые режимы. После окончания построения детали, бункер 6 изготовления медленно программно охлаждается. После охлаждения до температуры окружающей среды бункер 6 изготовления может удаляться из устройства для удобства извлечения из него изготовленной детали и очистки от неспеченного порошка. Создание стабильных горячих тепловых режимов внутри бункера 6 изготовления необходимо для минимизации градиентов температур внутри послойно изготавливаемой детали, что предотвращает термические деформации и коробление.The manufacturing bin 6 forms a closed space for the part being manufactured layer by layer (or several parts in a single cycle) along with powder unexposed to laser radiation. Heaters 8 are integrated into the side walls 7 of the manufacturing bin 6. These heaters are controlled by software from the device's central control system and can heat the space within the manufacturing bin 6 to a temperature of 600°C and maintain the required stable thermal conditions. After the part is completed, the manufacturing bin 6 is slowly cooled by software. After cooling to ambient temperature, the manufacturing bin 6 can be removed from the device for easy removal of the manufactured part and cleaning of unsintered powder. Creating stable, hot thermal conditions within the manufacturing bin 6 is necessary to minimize temperature gradients within the part being manufactured layer by layer, which prevents thermal deformation and warping.

При изготовлении детали внутри бункера 6 изготовления вертикально перемещается рабочий стол 36 (координата Z). Между наружным контуром рабочего стола 36 и внутренними стенками 7 бункера 6 изготовления расположены герметичные прокладки (на фигурах не показаны). Рабочий стол 36 имеет возможность точного вертикального перемещения за счет поршня 37, который в свою очередь перемещается благодаря электроприводу (на фигурах не показан). Нижняя плоскость 65 рабочего стола 36 имеет возможность сцепления-расцепления с поршнем 37. Перед изготовлением при установке чистого бункера 6 изготовления проводится сцепление рабочего стола 36 с поршнем 37, а при извлечении бункера 6 изготовления предварительно происходит расцепление рабочего стола 36 с поршнем 37. Таким образом, бункер 6 изготовления извлекается из устройства вместе с рабочим столом 36.During the manufacturing of a part, the working table 36 (Z coordinate) moves vertically within the manufacturing bin 6. Sealed gaskets (not shown in the figures) are located between the outer contour of the working table 36 and the inner walls 7 of the manufacturing bin 6. The working table 36 has the ability to precisely move vertically due to the piston 37, which in turn is moved by an electric drive (not shown in the figures). The lower plane 65 of the working table 36 has the ability to engage and disengage with the piston 37. Before manufacturing, when installing the clean manufacturing bin 6, the working table 36 is engaged with the piston 37, and when removing the manufacturing bin 6, the working table 36 is first disengaged from the piston 37. Thus, the manufacturing bin 6 is removed from the device together with the working table 36.

Перед началом изготовления новой детали в устройство устанавливается чистый и пустой бункер 6 изготовления и герметично поджимается к нижней плоскости 34 плиты 35 нанесения слоев порошка.Before starting the production of a new part, a clean and empty production bin 6 is installed in the device and hermetically pressed against the lower plane 34 of the powder layer application plate 35.

На верхней плоскости 38 рабочего стола 36 установлен нагреватель 39 стола, который управляется программно от общей системы управления устройством и может обеспечить нагрев рабочего стола до температуры 600°С, а также поддерживать необходимые стабильные тепловые режимы. Это необходимо для минимизации градиентов температур внутри послойно изготавливаемой детали, что предотвращает термические деформации и коробление.Mounted on the top plane 38 of the worktable 36 is a table heater 39, which is controlled by software from the device's central control system and can heat the worktable to a temperature of 600°C and maintain the required stable thermal conditions. This is necessary to minimize temperature gradients within the layer-by-layer manufactured part, preventing thermal deformation and warping.

На нагреватель 39 стола сверху плотно крепится съемная подложка 41. К верхней плоскости 66 съемной подложки 41 приплавляется (приваривается) первый слой порошка, поэтому при выборе материала съемной подложки 41 необходимо, чтобы он хорошо сплавлялся (сваривался) с материалом конкретного порошка, который применяется при изготовлении детали. После изготовления детали, она извлекается из бункера 6 изготовления вместе со съемной подложкой 41. Далее съемная подложка 41 отделяется от изготовленной детали.A removable backing plate 41 is securely attached to the top of the table heater 39. The first layer of powder is fused (welded) to the top surface 66 of the removable backing plate 41. Therefore, when selecting the material for the removable backing plate 41, it is necessary that it fuse (weld) well with the specific powder material used in the part's manufacture. After the part is manufactured, it is removed from the manufacturing bin 6 along with the removable backing plate 41. The removable backing plate 41 is then separated from the manufactured part.

К верхней стенке 49 герметичной камеры 2 снаружи герметично прилегают бункеры 11, 12 подачи. Бункер 11, 12 подачи при помощи дозирующих валов 13, имеющих возможность вращения вокруг своей оси (координаты В1 и В2) благодаря электроприводу (на фигурах не показан) через воронки 45 подачи порошка осуществляют подачи порций порошка в средство 3 нанесения порошкообразного материала.Feed hoppers 11, 12 are hermetically sealed against the top wall 49 of the sealed chamber 2 from the outside. Feed hoppers 11, 12, using metering shafts 13, which can rotate around their axis (coordinates B1 and B2) thanks to an electric drive (not shown in the figures), feed powder portions through powder feed funnels 45 into the powder material application device 3.

Средство 3 нанесения порошкообразного материала имеет возможность горизонтального перемещения (координата X) благодаря электроприводу 43 средства 3 нанесения слоев порошкообразного материала. Средство 3 нанесения порошкообразного материала предназначен для нанесения слоев порошка и состоит из двойного ножа 4 (фиг. 5), уплотняющих роликов 44 и двух кварцевых галогенных нагревательных элементов 14. Кварцевый галогенный нагревательный элемент 14 при пиковом нагреве может достигать температуры 2600°С и при помощи излучения по программе может нагревать нанесенный слой порошка до температуры 600°С. Уплотняющие ролики 44 предназначены для нанесения и разравнивания слоев порошка. Для приема порошка из бункеров 11, 12 подачи средство 3 нанесения порошкообразного материала имеет воронку 47 приема порошка.The means 3 for applying powder material has the ability to move horizontally (coordinate X) thanks to the electric drive 43 of the means 3 for applying layers of powder material. The means 3 for applying powder material is intended for applying layers of powder and consists of a double knife 4 (Fig. 5), compacting rollers 44 and two quartz halogen heating elements 14. The quartz halogen heating element 14 can reach a temperature of 2600°C at peak heating and, using radiation according to a program, can heat the applied powder layer to a temperature of 600°C. The compacting rollers 44 are intended for applying and leveling layers of powder. For receiving powder from feed bins 11, 12, the means 3 for applying powder material has a powder receiving funnel 47.

Средство 3 нанесения порошкообразного материала (фиг. 3) получает порции порошка от бункеров 11, 12 подачи через воронку 45 подачи порошка в момент, когда средство 3 нанесения порошкообразного материала находится под бункером 11 подачи или бункером 12 подачи соответственно (положение средство 3 нанесения порошкообразного материала показано пунктиром).The means 3 for applying powder material (Fig. 3) receives portions of powder from the feed bins 11, 12 through the powder feed funnel 45 at the moment when the means 3 for applying powder material is located under the feed bin 11 or the feed bin 12, respectively (the position of the means 3 for applying powder material is shown by the dotted line).

Средство 3 нанесения порошкообразного материала (фиг. 7, фиг. 8) имеет щель в двойном ноже 4 такой длины, которая позволяет на первых 25 слоях (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук) наносить слои порошка шириной Н, не позволяя порошку выступать за условные линии 67 ограничения по ширине нанесения слоев порошка. Ширина наносимых слоев порошка Н подобрана таким образом, чтобы на первых 25 слоях порошка края съемной подложки 41 были гарантированно свободны от порошка. Размеры краев съемной подложки 41, которые гарантированно свободны от порошка на первых 25 слоях, должны быть такими, чтобы обеспечить надежную работу четырех пирометров 52 и четырех триангуляционных лазерных датчиков 53. Другими словами, на первых 25 слоях (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук) четыре пирометра 52 и четыре триангуляционных лазерных датчика 53 должны фиксировать показания с чистой съемной подложки 41. Попадание частиц порошка в зоны измерений пирометров 52 и триангуляционных лазерных датчиков 53 приведет к потере адекватности измерений и поэтому не допускается. Отсутствие частиц порошка в зонах измерений пирометров 52 и триангуляционных лазерных датчиков 53 фиксируется четырьмя оптическими видеокамерами 51.The means 3 for applying powder material (Fig. 7, Fig. 8) has a slit in the double knife 4 of such a length that it allows for the application of powder layers of width H in the first 25 layers (a smaller number of layers is permitted, but not less than 10 pieces), without allowing the powder to protrude beyond the conventional lines 67 limiting the width of the powder layers applied. The width of the applied powder layers H is selected in such a way that the edges of the removable substrate 41 are guaranteed to be free of powder in the first 25 layers of powder. The dimensions of the edges of the removable substrate 41, which are guaranteed to be free of powder over the first 25 layers, must be such as to ensure the reliable operation of four pyrometers 52 and four triangulation laser sensors 53. In other words, over the first 25 layers (a smaller number of layers is permitted, but not less than 10 pieces), four pyrometers 52 and four triangulation laser sensors 53 must record readings from the clean removable substrate 41. The ingress of powder particles into the measurement zones of the pyrometers 52 and triangulation laser sensors 53 will lead to a loss of the adequacy of the measurements and is therefore not permitted. The absence of powder particles in the measurement zones of the pyrometers 52 and triangulation laser sensors 53 is recorded by four optical video cameras 51.

Общий контроль предварительного нагрева нанесенного слоя порошкового материала (до 600°С), обеспечивается широкоугольной инфракрасной камерой 50 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5), которая установлена на верхней стенке герметичной камеры 2.General control of the preliminary heating of the applied layer of powder material (up to 600°C) is provided by a wide-angle infrared camera 50 (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5), which is installed on the upper wall of the sealed chamber 2.

После разогрева каждого нанесенного слоя порошка до температуры снятия градиентных напряжений (максимально возможная температура нагрева до 600°С) осуществляется его лазерное локальное переплавление за счет двух независимых друг от друга основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов, что многократно повышает производительность процесса изготовления детали.After heating each applied layer of powder to the temperature of gradient stress relief (the maximum possible heating temperature is up to 600°C), it is locally laser remelted using two independent primary (15) and secondary (25) laser heads, which greatly increases the productivity of the part manufacturing process.

Основная (15) и дополнительная (25) лазерные головы расположены напротив друг друга зеркально, таким образом (фиг. 7), что основная лазерная голова 15 имеет зону 68 возможной лазерной обработки основной лазерной головы 15, а дополнительная лазерная голова 25 имеет зону 69 возможной лазерной обработки дополнительной лазерной головы 25. Дополнительно основная (15) и дополнительная (25) лазерные головы имеют область 70 взаимного пересечения зоны 68 возможной лазерной обработки основной лазерной головы 15 и зоны 69 возможной лазерной обработки дополнительной лазерной головы 25, наличие которой необходимо при изготовлении крупногабаритной детали, размеры которой покрывают зону 68 возможной лазерной обработки основной лазерной головы 15 и зону 69 возможной лазерной обработки дополнительной лазерной головы 25.The main (15) and additional (25) laser heads are located opposite each other in a mirror image, in such a way (Fig. 7) that the main laser head 15 has a zone 68 of possible laser processing of the main laser head 15, and the additional laser head 25 has a zone 69 of possible laser processing of the additional laser head 25. In addition, the main (15) and additional (25) laser heads have an area 70 of mutual intersection of the zone 68 of possible laser processing of the main laser head 15 and the zone 69 of possible laser processing of the additional laser head 25, the presence of which is necessary when manufacturing a large-sized part, the dimensions of which cover the zone 68 of possible laser processing of the main laser head 15 and the zone 69 of possible laser processing of the additional laser head 25.

Конструкции и принципы работы двух независимых друг от друга основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов идентичны друг другу.The design and operating principles of the two independent main (15) and additional (25) laser heads are identical to each other.

Основная лазерная голова 15 (расположенная с противоположной стороны) (фиг. 3, фиг. 4) установлена на электроприводе 33 вертикального перемещения лазерной головы (координата Z1). Электропривод 33 вертикального перемещения лазерной головы в свою очередь установлен на динамичном поперечном прямом электроприводе 32 (координата Y), который в свою очередь закреплен задним и передним концами на динамичном заднем прямом электроприводе 30 балке и динамичном переднем прямом электроприводе 31 балки соответственно (координата X1). Динамичный задний прямой электропривод 30 и динамичный передний прямой электропривод 31 работают синхронно, перемещая динамичный поперечный прямой электропривод 32.The main laser head 15 (located on the opposite side) (Fig. 3, Fig. 4) is mounted on an electric drive 33 for vertical movement of the laser head (coordinate Z1). The electric drive 33 for vertical movement of the laser head is, in turn, mounted on a dynamic transverse direct electric drive 32 (coordinate Y), which in turn is fixed at its rear and front ends on a dynamic rear direct electric drive 30 beam and a dynamic front direct electric drive 31 beam, respectively (coordinate X1). The dynamic rear direct electric drive 30 and the dynamic front direct electric drive 31 operate synchronously, moving the dynamic transverse direct electric drive 32.

Принцип работы динамичного заднего прямого электропривода 30, динамичного переднего прямого электропривода 31 и динамичного поперечного прямого электропривода 32 основан на применении линейных электромоторов, у которых один из элементов магнитной системы размокнут и имеет развернутую обмотку, создающую магнитное поле. Применение линейных электромоторов для реализации перемещений вдоль координаты X1 и координаты Y обусловлено высокой динамикой необходимой для перемещения основной лазерной головы 15 по данным координатам: скорости рабочих перемещений (с включенных лазером) до 1 м/с; скорости холостых ходов (с выключенным лазером) 3 м/с и более; времена торможения и набора скорости должны быть минимальными. Обеспечить данные высокие динамические характеристики при значительной массе основной лазерной головы 15 могут только современные прямые электропривода на основе линейных электромоторов.The operating principle of the dynamic rear direct electric drive 30, the dynamic front direct electric drive 31 and the dynamic transverse direct electric drive 32 is based on the use of linear electric motors, one of the elements of the magnetic system of which is open and has an unrolled winding that creates a magnetic field. The use of linear electric motors for implementing movements along the X1 coordinate and the Y coordinate is due to the high dynamics required for moving the main laser head 15 along these coordinates: the speed of working movements (with the laser on) up to 1 m/s; idle speed (with the laser off) 3 m/s or more; braking and acceleration times must be minimal. Only modern direct electric drives based on linear electric motors can ensure these high dynamic characteristics with a significant mass of the main laser head 15.

Электропривод 33 вертикального перемещения (координата Z1) необходим для точного позиционирования и периодической юстировки основной лазерной головы 15 относительно плоскости, в которой происходит обработка нанесенного слоя порошка отраженным сфокусированным лазерным лучом 29. Фокусное расстояние отраженного сфокусированного лазерного луча 29, выходящего из основной лазерной головы 15 периодически может изменяться из-за вносимых в процессе эксплуатации устройства погрешностей, а именно: накопления оптических погрешностей за счет загрязнения и термического расширения оптических приборов в основной лазерной голове 15, термические деформации элементов всего устройства и проч. Для компенсации данных погрешностей периодически необходимо проводить оптическую юстировку работы основной лазерной головы 15, чтобы ее фокусное расстояние точно попадало в плоскость, в которой происходит обработка нанесенного слоя порошка отраженным сфокусированным лазерным лучом 29.Electric drive 33 for vertical movement (coordinate Z1) is necessary for precise positioning and periodic adjustment of main laser head 15 relative to the plane in which the applied powder layer is processed by reflected focused laser beam 29. The focal length of reflected focused laser beam 29 emerging from main laser head 15 may periodically change due to errors introduced during operation of the device, namely: accumulation of optical errors due to contamination and thermal expansion of optical instruments in main laser head 15, thermal deformations of elements of the entire device, etc. To compensate for these errors, it is necessary to periodically perform optical adjustment of the operation of main laser head 15 so that its focal length precisely falls within the plane in which the applied powder layer is processed by reflected focused laser beam 29.

Дополнительная лазерная голова 25 установлена на электроприводе 71 вертикального перемещения дополнительной лазерной головы 25 (координата Z2). Электропривод 71 вертикального перемещения дополнительной лазерной головы 25 в свою очередь установлен на динамичном поперечном прямом электроприводе 72 дополнительной лазерной головы 25 (координата Y1), который в свою очередь закреплен задним и передним концами на динамичном заднем прямом электроприводе 30 балке и динамичном переднем прямом электроприводе 31 балке соответственно (координата Х2). Динамичный задний прямой электропривод 30 и динамичный передний прямой электропривод 31 работают синхронно, перемещая динамичный поперечный прямой электропривод 72 дополнительной лазерной головы 25. Динамичный поперечный прямой электропривод 72 дополнительной лазерной головы 25 имеет возможность независимого перемещения от динамичного поперечного прямого электропривода 32.The additional laser head 25 is mounted on the electric drive 71 for vertical movement of the additional laser head 25 (coordinate Z2). The electric drive 71 for vertical movement of the additional laser head 25 is, in turn, mounted on the dynamic transverse direct electric drive 72 of the additional laser head 25 (coordinate Y1), which in turn is fixed at its rear and front ends on the dynamic rear direct electric drive beam 30 and the dynamic front direct electric drive beam 31, respectively (coordinate X2). The dynamic rear direct electric drive 30 and the dynamic front direct electric drive 31 operate synchronously, moving the dynamic transverse direct electric drive 72 of the additional laser head 25. The dynamic transverse direct electric drive 72 of the additional laser head 25 has the ability to move independently from the dynamic transverse direct electric drive 32.

Применение линейных электромоторов для реализации перемещений вдоль координаты Х2 и координаты Y1 обусловлено высокой динамикой необходимой для перемещения дополнительной лазерной головы 25 по данным координатам: скорости рабочих перемещений (с включенных лазером) до 1 м/с; скорости холостых ходов (с выключенным лазером) 3 м/с и более; времена торможения и набора скорости должны быть минимальными. Обеспечить данные высокие динамические характеристики при значительной массе дополнительной лазерной головы 25 могут только современные прямые электропривода на основе линейных электромоторов.The use of linear electric motors for movement along the X2 and Y1 coordinates is driven by the high dynamics required to move the additional laser head 25 along these coordinates: operating speeds (with the laser on) up to 1 m/s; idle speeds (with the laser off) of 3 m/s or more; and minimal braking and acceleration times. Only modern direct electric drives based on linear electric motors can ensure these high dynamic characteristics with the significant mass of the additional laser head 25.

Электропривод вертикального перемещения лазерной головы 71 дополнительной лазерной головы 25 (координата Z2) необходим для точного позиционирования и периодической юстировки дополнительной лазерной головы 25 относительно плоскости, в которой происходит обработка нанесенного слоя порошка отраженным сфокусированный лазерным лучом 29. Фокусное расстояние отраженного сфокусированного лазерного луча 29, выходящего из дополнительной лазерной головы 25 периодически может изменяться из-за вносимых в процессе эксплуатации устройства погрешностей, а именно: накопления оптических погрешностей за счет загрязнения и термического расширения оптических приборов в дополнительной лазерной голове 25, термические деформации элементов всего устройства и проч. Для компенсации данных погрешностей периодически необходимо проводить оптическую юстировку работы дополнительной лазерной головы 25, чтобы ее фокусное расстояние точно попадало в плоскость, в которой происходит обработка нанесенного слоя порошка отраженным сфокусированный лазерным лучом 29.The electric drive for vertical movement of the laser head 71 of the additional laser head 25 (coordinate Z2) is necessary for precise positioning and periodic adjustment of the additional laser head 25 relative to the plane in which the applied powder layer is processed by the reflected focused laser beam 29. The focal length of the reflected focused laser beam 29 emerging from the additional laser head 25 may periodically change due to errors introduced during the operation of the device, namely: the accumulation of optical errors due to contamination and thermal expansion of the optical instruments in the additional laser head 25, thermal deformations of the elements of the entire device, etc. To compensate for these errors, it is necessary to periodically perform optical adjustment of the operation of the additional laser head 25 so that its focal length precisely falls within the plane in which the applied powder layer is processed by the reflected focused laser beam 29.

Основная лазерная голова 15 (фиг. 6) состоит из корпуса 16 лазерной головы на входе в который расположено лазерное оптоволокно 18 с оптически приваренным к нему коллиматором 19. Коллиматор - это оптическое устройство, которое преобразует транспортируемое от лазера (на фиг. не показан) лазерное излучение по оптоволокну 18 в плоскопараллельное лазерное излучение с низкой расходимостью.The main laser head 15 (Fig. 6) consists of a laser head housing 16, at the input of which a laser optical fiber 18 is located with a collimator 19 optically welded to it. The collimator is an optical device that converts the laser radiation transported from the laser (not shown in the Fig.) through the optical fiber 18 into plane-parallel laser radiation with low divergence.

Лазерный луч 61 на выходе из коллиматора 19 является плоскопараллельным, имеет малую расходимость и небольшой диаметр. Лазерный луч 61 далее попадает в расширитель 20 лазерного луча, который расширяет его до необходимого большего диаметра, превращая в расширенный лазерный луч 62. Расширенный лазерный луч 62 далее проходит сквозь фокусирующую линзу 21 и превращается в сфокусированный лазерный луч 63. После фокусирующей линзы 21 сфокусированный лазерный луч 63 попадает на отклоняющее неподвижное зеркало 64 и превращается в отраженный сфокусированный лазерный луч 29. Сумма расстояний F1 и F2 является фокусным расстоянием фокусирующей линзы 21. Фокусирующая линза 21 установлена в выходном звене лазерной головы 22. На торце 23 выходного звена 22 лазерной головы установлено защитное сопло 24 лазерной головы, реализующее поток защитного газа (Азот или Аргон), который защищает основную лазерную голову 15 от попадания грязи и пыли в оптический канал, а также от теплового нагрева, идущего из рабочей зоны обработки порошка отраженным сфокусированным лазерным лучом 29 и от всех нагревателей в устройстве (нагреватели 8, нагреватель 39 стола, кварцевые галогенные нагревательные элементы 14). Дополнительно основная лазерная голова 15 защищена от теплового нагрева водяным охлаждением (на фиг. не показано), расположенном в корпусе 16 лазерной головы.The laser beam 61 at the exit from the collimator 19 is plane-parallel, has a low divergence and a small diameter. The laser beam 61 then enters the laser beam expander 20, which expands it to the required larger diameter, converting it into an expanded laser beam 62. The expanded laser beam 62 then passes through the focusing lens 21 and is converted into a focused laser beam 63. After the focusing lens 21, the focused laser beam 63 enters the deflecting fixed mirror 64 and is converted into a reflected focused laser beam 29. The sum of the distances F1 and F2 is the focal length of the focusing lens 21. The focusing lens 21 is installed in the output link of the laser head 22. At the end 23 of the output link 22 of the laser head, a protective nozzle 24 of the laser head is installed, implementing a flow of protective gas (Nitrogen or Argon), which protects the main laser head 15 from dirt and dust getting into the optical channel, as well as from thermal heating coming from the working area of the powder processing reflected focused laser beam 29 and from all heaters in the device (heaters 8, table heater 39, quartz halogen heating elements 14). In addition, the main laser head 15 is protected from thermal heating by water cooling (not shown in the figure), located in the housing 16 of the laser head.

На корпусе 16 лазерной головы через кронштейн 26 установлен пирометр 5 таким образом, чтобы оптическая ось 28 пирометра была ортогональна нанесенному слою порошка и проходила через фокус 29 отраженного сфокусированного лазерного луча. Дополнительным условием расположения пирометра 5 является его расположение на расстоянии L от фокуса отраженного сфокусированного лазерного луча 29 до передней плоскости пирометра 5. Расстояние L должно соответствовать оптимальному расстоянию оптической системы пирометра 5, при котором его работа максимально точна. Для точного и надежного контроля процесса локального переплавления порошка отраженным сфокусированным лазерным лучом 29 пирометр 5 должен обладать следующими характеристиками: диаметр площади, с которой получаются данные о нагреве от 0,2 до 0,8 мм; физический принцип вычисления температур по соотношению интенсивности двух излучений (по соотношению энергий); отраженное лазерное излучение от переплавляемого порошка (как правило, с длиной волны λ=1,06 мкм) не должно влиять на детектор пирометра, т.е. не должно вносить погрешности в измерения; быстродействие пирометра (скорость замеров) должна быть не хуже 0,0001 с. On the body 16 of the laser head, a pyrometer 5 is mounted through a bracket 26 in such a way that the optical axis 28 of the pyrometer is orthogonal to the applied powder layer and passes through the focus 29 of the reflected focused laser beam. An additional condition for the location of the pyrometer 5 is its location at a distance L from the focus of the reflected focused laser beam 29 to the front plane of the pyrometer 5. The distance L must correspond to the optimal distance of the optical system of the pyrometer 5, at which its operation is most accurate. For accurate and reliable control of the process of local remelting of the powder by the reflected focused laser beam 29, the pyrometer 5 must have the following characteristics: the diameter of the area from which heating data is obtained from 0.2 to 0.8 mm; the physical principle of calculating temperatures by the intensity ratio of two radiations (by the energy ratio); The reflected laser radiation from the remelted powder (usually with a wavelength of λ=1.06 μm) should not affect the pyrometer detector, i.e. should not introduce errors in the measurements; the pyrometer response time (measurement speed) should be no worse than 0.0001 s.

За счет вышеописанных принципов установки пирометр 5, пирометр 5 всегда перемещается вместе с основной лазерной головой 15 и всегда оптимально направлен в локальную зону переплавления порошка. Это позволяет в режиме реального времени очень точно и надежно осуществлять тепловой контроль процесса локального переплавления порошкового материала отраженным сфокусированным лазерным лучом 29 и в случае необходимости производить корректировки технологических режимов переплавления (скорость перемещения по координатам X1, Х2, Y, Y1; мощность лазерного излучения и проч.).Due to the above-described installation principles of the pyrometer 5, the pyrometer 5 always moves in tandem with the main laser head 15 and is always optimally aimed at the local powder remelting zone. This allows for highly accurate and reliable real-time thermal monitoring of the local powder remelting process using the reflected focused laser beam 29 and, if necessary, adjustments to the remelting process modes (speed of movement along the X1, X2, Y, Y1 coordinates; laser power, etc.).

Пирометр 5 защищен от теплового нагрева, загрязнения и пыли специальной надетой снаружи корпуса водяной рубашкой охлаждения (на фиг. не показано), а также защитным соплом 27 пирометра, реализующим поток защитного газа (Азот или Аргон) перед оптической системой пирометра 5.The pyrometer 5 is protected from thermal heating, contamination and dust by a special water cooling jacket placed on the outside of the housing (not shown in the figure), as well as by a protective nozzle 27 of the pyrometer, which implements a flow of protective gas (Nitrogen or Argon) in front of the optical system of the pyrometer 5.

Для дополнительной защиты основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов и пирометров 5 от теплового нагрева, загрязнения и пыли идущих от рабочей зоны, в которой происходит нагрев порошка до 600°С и его переплавление двумя отраженными сфокусированными лазерными лучами 29, в устройстве организован дополнительный поток 57 защитного газа (фиг. 4) от колодки подачи 56 защитного газа до колодки отвода 59 защитного газа (расположены на плите 35 нанесения слоев порошка).For additional protection of the main (15) and additional (25) laser heads and pyrometers 5 from thermal heating, contamination and dust coming from the working area in which the powder is heated to 600°C and melted by two reflected focused laser beams 29, an additional flow 57 of protective gas (Fig. 4) is organized in the device from the supply block 56 of the protective gas to the outlet block 59 of the protective gas (located on the plate 35 for applying powder layers).

Перед нанесением первого слоя порошка на съемную подложку 41 происходит прогрев рабочей зоны устройства и выход в стабильно-нагретое состояние (при котором колебания температур в рабочей зоне минимальны) за счет всех нагревателей (нагреватель 39 стола, нагреватели 8, кварцевые галогенные нагревательные элементы 14). Выход рабочей зоны устройства в стабильно-нагретое состояние сопровождается тепловыми деформациями, которые могут привести к значительному отклонению необходимой толщины первого слоя порошка, а также при нанесении последующих слоев порошка, т.е. неправильному перемещению съемной подложки 41 вниз по координате Z. Для проверки правильности перемещения съемной подложки 41 на величину первого слоя порошка, а также при нанесении последующих слоев порошка, в верхней стенке 49 герметичной камеры 2 установлены четыре триангуляционных лазерных датчика 53 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 7, фиг. 8), которые фиксируют расстояние Т. Для обеспечения высокой точности и надежности измерения расстояния Т приняты следующие меры:Before applying the first layer of powder onto the removable substrate 41, the working area of the device is heated up and reaches a stable heated state (in which temperature fluctuations in the working area are minimal) due to all heaters (table heater 39, heaters 8, quartz halogen heating elements 14). The working area of the device reaches a stable heated state is accompanied by thermal deformations, which can lead to a significant deviation in the required thickness of the first layer of powder, as well as during the application of subsequent layers of powder, i.e., to an incorrect movement of the removable substrate 41 downwards along the Z coordinate. To check the correct movement of the removable substrate 41 by the value of the first layer of powder, as well as during the application of subsequent layers of powder, four triangulation laser sensors 53 (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 7, Fig. 8) are installed in the upper wall 49 of the sealed chamber 2, which record the distance T. To ensure high accuracy and reliability of the measurement of the distance T, the following measures are taken:

- применены четыре триангуляционных лазерных датчика 53 (значение Т вычисляется как среднее арифметическое);- four triangulation laser sensors 53 are used (the T value is calculated as the arithmetic mean);

- триангуляционные лазерные датчики 53 заранее откалиброваны на материале, из которого сделана съемная подложка 41 при определенной температуре ее нагрева (например, 600°С);- triangulation laser sensors 53 are pre-calibrated on the material from which the removable substrate 41 is made at a certain heating temperature (for example, 600°C);

- для точного подтверждения факта нагрева съемной подложки 41 до определенной температуры ее калибровки (например, 600°С) в верхней части герметичной камеры 2 установлены четыре пирометра 52;- to accurately confirm the fact of heating the removable substrate 41 to a certain temperature of its calibration (for example, 600°C), four pyrometers 52 are installed in the upper part of the sealed chamber 2;

- гарантировано отсутствие частиц порошка в зонах измерений пирометров 52 и триангуляционных лазерных датчиков 53, наличием четырех оптических видеокамер 51;- the absence of powder particles in the measurement zones of pyrometers 52 and triangulation laser sensors 53 is guaranteed by the presence of four optical video cameras 51;

- организован верхний поток 58 защитного газа (фиг. 4), который защищает пирометры 52, триангуляционные лазерные датчики 53 и оптические видеокамеры 51 от теплового нагрева, загрязнения и пыли, идущих от рабочей зоны (верхний поток 58 защитного газа реализован за счет колодки 56 подачи защитного газа и колодки 59 отвода защитного газа (расположены в верхней стенке 49 герметичной камеры 2)).- an upper flow 58 of protective gas is organized (Fig. 4), which protects the pyrometers 52, triangulation laser sensors 53 and optical video cameras 51 from thermal heating, contamination and dust coming from the working area (the upper flow 58 of protective gas is realized due to the block 56 for supplying protective gas and the block 59 for removing protective gas (located in the upper wall 49 of the sealed chamber 2)).

Для адекватного и точного измерения расстояния Т (фиг. 7, фиг. 8), оно должно замеряться от чистой верхней плоскости 66 съемной подложки 41. Попадание частиц порошка в зоны измерений пирометров 52 и триангуляционных лазерных датчиков 53 приведет к потере адекватности измерений и поэтому не допускается.For adequate and accurate measurement of the distance T (Fig. 7, Fig. 8), it must be measured from the clean upper plane 66 of the removable substrate 41. The entry of powder particles into the measurement zones of the pyrometers 52 and triangulation laser sensors 53 will lead to a loss of the adequacy of the measurements and is therefore not permitted.

Средство 3 нанесения порошкообразного материала позволяет наносить первый слой порошка 73 (или несколько последующих слоев) на ширину Н, не давая порошку выступать за условные линии 67 ограничения по ширине нанесения слоев порошка. Ширина наносимых слоев порошка Н должна выдерживаться для первых 25 слоев (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук) для накопления статистических данных по тепловым деформациям, которые потом благодаря программному обеспечению общей системы управления устройством пересчитываются в размеры компенсационных коррекций для перемещений съемной подложки 41 по координате Z. Ширина наносимых слоев порошка Н подобрана таким образом, что на первых 25 слоях порошка края съемной подложки 41 были гарантированно свободны от порошка. Другими словами, на первых 25 слоях (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук) четыре пирометра 52 и четыре триангуляционных лазерных датчика 53 должны фиксировать показания с чистой съемной подложки 41.The powder material application device 3 enables the application of the first powder layer 73 (or several subsequent layers) to a width H, without allowing the powder to extend beyond the conventional powder layer width limitation lines 67. The width of the applied powder layers H must be maintained for the first 25 layers (a smaller number of layers is permitted, but no less than 10) to accumulate statistical data on thermal deformations, which are then converted into compensation adjustments for the movements of the removable substrate 41 along the Z coordinate by the software of the general device control system. The width of the applied powder layers H is selected such that the edges of the removable substrate 41 are guaranteed to be free of powder during the first 25 powder layers. In other words, on the first 25 layers (a smaller number of layers is allowed, but not less than 10 pieces) four pyrometers 52 and four triangulation laser sensors 53 must record readings from a clean removable substrate 41.

Выше описанные меры и принципы работы позволяют вычислять с приемлемой точностью расстояние Т для первого слоя порошка, а также при нанесении последующих слоев порошка и в случае выхода размера Т за допустимое значение через алгоритмы управления общей системой управления устройством подается команда на корректирующее перемещение съемной подложки 41 по координате Z за счет электропривода координаты Z (на фигурах не показан). Таким образом, реализован контроль реального перемещения съемной подложки 41 по координате Z в условиях воздействия на нее высоких температур для первых 25 слоев (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук). Для 26 слоя (минимум для 11 слоя) и последующих слоев работа четырех пирометров 52 и четырех триангуляционных лазерных датчиков 53 прекращается и допускается выход частиц порошка за условные линии 67 ограничения по ширине нанесения слоев порошка. Размер компенсационной коррекции перемещения съемной подложки 41 по координате Z для всех слоев после 25 слоя (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук) становится постоянным и вычисляется как среднее арифметическое среди размеров компенсационной коррекции для первых 25 слоев (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук), что приводит в конечном итоге к повышению точности наносимых слоев порошка в условиях воздействия высоких температур.The above-described measures and operating principles enable the calculation of the distance T for the first powder layer with acceptable accuracy. Furthermore, when applying subsequent powder layers, if the dimension T exceeds the permissible value, a command is sent through the control algorithms of the device's general control system to correct the movement of the removable substrate 41 along the Z coordinate using the Z coordinate electric drive (not shown in the figures). Thus, control of the actual movement of the removable substrate 41 along the Z coordinate is implemented under conditions of exposure to high temperatures for the first 25 layers (a smaller number of layers is permitted, but not less than 10 pieces). For the 26th layer (minimum for the 11th layer) and subsequent layers, the operation of the four pyrometers 52 and four triangulation laser sensors 53 is stopped, and powder particles are allowed to extend beyond the imaginary lines 67 limiting the width of powder layers applied. The size of the compensatory correction for the movement of the removable substrate 41 along the Z coordinate for all layers after the 25th layer (a smaller number of layers is allowed, but not less than 10 pieces) becomes constant and is calculated as the arithmetic mean among the sizes of the compensatory correction for the first 25 layers (a smaller number of layers is allowed, but not less than 10 pieces), which ultimately leads to an increase in the accuracy of the applied powder layers under conditions of exposure to high temperatures.

Устройство для получения изделий из порошковых материалов работает следующим образом.The device for producing products from powder materials operates as follows.

В системе автоматического проектирования (САПР) создают трехмерную компьютерную 3D-модель детали/изделия и разбивают ее на поперечные сечения, которые служат основой для послойного изготовления детали. САПР выбирает оптимальную стратегию переплавления необходимых зон в каждом сечении.A computer-aided design (CAD) system creates a 3D computer model of a part/product and breaks it down into cross-sections, which serve as the basis for layer-by-layer fabrication. The CAD system selects the optimal remelting strategy for the required zones in each cross-section.

Устройство после предварительной подготовки представлено в собранном виде, а именно (фиг. 3, фиг. 4):The device after preliminary preparation is presented in assembled form, namely (Fig. 3, Fig. 4):

- чистый и пустой бункер изготовления 6 поджат герметично снизу к плите 35 нанесения слоев порошка;- a clean and empty bin of production 6 is pressed hermetically from below to the plate 35 for applying powder layers;

- рабочий стол 36 сцеплен с поршнем 37;- the working table 36 is coupled with the piston 37;

- на нагревателе 39 стола плотно установлена съемная подложка 41;- a removable backing 41 is tightly installed on the table heater 39;

- бункеры 11, 12 подачи прижаты герметично снаружи к верхней стенке 49 герметичной камеры 2;- feed bins 11, 12 are pressed hermetically from the outside to the upper wall 49 of the sealed chamber 2;

- бункеры сбора 9, 10 излишков прижаты герметично снизу к плите 35 нанесения слоев порошка;- bins 9, 10 for collecting excess are pressed hermetically from below to the plate 35 for applying powder layers;

- дверь 60 герметично закрыта (фиг. 1).- door 60 is hermetically closed (Fig. 1).

Запускается работа всех элементов охлаждения: колодки 56 подачи защитного газа (фиг. 3, фиг. 4); колодки 59 отвода защитного газа; защитные сопла 24 основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов; защитное сопло 27 пирометра; водяные охлаждения, встроенные в корпуса основной (15) и дополнительной (25) (на фиг. водяные охлаждения не показаны).All cooling elements are started: pads 56 for supplying protective gas (Fig. 3, Fig. 4); pads 59 for removing protective gas; protective nozzles 24 of the main (15) and additional (25) laser heads; protective nozzle 27 of the pyrometer; water cooling built into the housings of the main (15) and additional (25) (water cooling is not shown in the Fig.).

Нагреватель 39 стола и нагреватели 8 бункера 6 изготовления разогреваются до температур, необходимых для минимизации тепловых градиентов внутри послойно изготавливаемой детали (для предотвращения термических деформаций и коробления). Максимальная температура разогрева нагревателя 39 стола и нагревателей 8 до 600°С. Достигается необходимая чистота защитного газа (Азот или Аргон) внутри герметичной камеры 2.Table heater 39 and heaters 8 in production bin 6 are heated to temperatures necessary to minimize thermal gradients within the layer-by-layer manufactured part (to prevent thermal deformation and warping). The maximum heating temperature of table heater 39 and heaters 8 is 600°C. The required purity of the shielding gas (nitrogen or argon) is achieved within sealed chamber 2.

Устройство выдерживается в течение двух часов для равномерного нагрева всех его элементов и выравнивания всех тепловых процессов с целью исключения их термического искажения при работе, происходит прогрев рабочей зоны устройства и выход в стабильно-нагретое состояние. Съемная подложка 41 опускается на толщину наносимого первого слоя порошка (обычно ~ 40 мкм).The device is held for two hours to ensure uniform heating of all its components and the alignment of all thermal processes to prevent thermal distortion during operation. The device's working area is heated and reaches a stable, heated state. Removable substrate 41 is lowered to the thickness of the first powder layer being applied (typically ~40 µm).

Средство 3 нанесения порошкообразного материала без порошка совершает несколько имитационных проходов над рабочей зоной, включая кварцевые галогенные нагревательные элементы 14, таким образом, чтобы съемная подложка 41 не нагрелась более 600°С и чтобы не было нарушено стабильно-нагретое состояние рабочей зоны.The means 3 for applying powdered material without powder makes several imitation passes over the working area, including the quartz halogen heating elements 14, in such a way that the removable substrate 41 does not heat up more than 600°C and so that the stably heated state of the working area is not disturbed.

Средство 3 нанесения порошкообразного материала вместе с воронкой 47 приема порошка перемещается в крайнее положение под бункер 11 подачи (фиг. 3). Бункер 11 подачи дозирует с запасом необходимую порцию порошка в средство 3 нанесения порошкообразного материала через воронку 45 подачи порошка. Средство 3 нанесения порошкообразного материала перемещается в противоположное положение по ходу движения нанося, разравнивая и уплотняя при помощи уплотняющих роликов 44 на съемной подложке 41 первый слой порошка, а также сбрасывая излишки порошка в бункер 10 сбора. При перемещении средства 3 нанесения порошкообразного материала из крайнего положения в противоположное кварцевый галогенный нагревательный элемент 14 благодаря конструкции почти сразу же после нанесения слоя порошка перемещается над ним и проводит его точный нагрев до температуры необходимой для минимизации тепловых градиентов внутри послойно изготавливаемой детали (для предотвращения термических деформаций и коробления). Максимальная температура разогрева нанесенного слоя порошка до 600°С. Контроль нагрева нанесенного первого слоя порошка осуществляется широкоугольной инфракрасной камерой 50. Ширина первого нанесенного слоя порошка не превышает размера Н (фиг. 7, фиг. 8), частицы порошка не выходят за условные линии 67 ограничения по ширине нанесения слоев порошка, что подтверждается работой четырех оптических видеокамер 51.The powder material application device 3, together with the powder receiving funnel 47, moves to the extreme position under the feed hopper 11 (Fig. 3). The feed hopper 11 doses the required portion of powder with a reserve into the powder material application device 3 through the powder feeding funnel 45. The powder material application device 3 moves to the opposite position in the direction of movement, applying, leveling and compacting the first layer of powder using compacting rollers 44 on the removable substrate 41, and also dumping the excess powder into the collection hopper 10. When the powder material application device 3 moves from the extreme position to the opposite position, the quartz halogen heating element 14, due to its design, moves above the powder layer almost immediately after it is applied and precisely heats it to the temperature necessary to minimize thermal gradients inside the part being manufactured layer by layer (to prevent thermal deformations and warping). The maximum heating temperature of the applied powder layer is up to 600°C. The heating of the applied first powder layer is monitored by a wide-angle infrared camera 50. The width of the first applied powder layer does not exceed the size H (Fig. 7, Fig. 8), the powder particles do not extend beyond the conventional lines 67 limiting the width of the applied powder layers, which is confirmed by the operation of four optical video cameras 51.

Четыре триангуляционных лазерных датчика 53 при совместной работе с четырьмя пирометрами 52 (пирометры 52 подтверждают, что замер расстояния Т проводится при температуре калибровки триангуляционных лазерных датчиков 53) замеряют расстояние Т и в случае выхода его за допустимое значение через алгоритмы управления общей системой управления устройством подается команда на компенсационное корректирующее перемещение съемной подложки 41 по координате Z. В случае необходимости компенсационного корректирующего перемещения, его значение запоминается общей системой управления.Four triangulation laser sensors 53, working together with four pyrometers 52 (pyrometers 52 confirm that the measurement of distance T is carried out at the calibration temperature of triangulation laser sensors 53), measure the distance T and, if it goes beyond the permissible value, a command is sent through the control algorithms of the common control system of the device for compensatory corrective movement of the removable substrate 41 along the Z coordinate. If compensatory corrective movement is necessary, its value is stored by the common control system.

Средство 3 нанесения порошкообразного материала вместе с воронкой 47 приема порошка перемещается в противоположное положение точно под бункер 12 подачи (фиг. 3 показано пунктиром) и не мешает перемещениям основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов.The means 3 for applying powder material together with the powder receiving funnel 47 moves to the opposite position exactly under the feed hopper 12 (Fig. 3 shown by the dotted line) and does not interfere with the movements of the main (15) and additional (25) laser heads.

Основная (15) и дополнительная (25) лазерные головы перемещаются в положения начала обработки нанесенного слоя порошка двумя отраженными сфокусированными лазерными лучами 29 (фиг. 6). Далее происходит генерация двух независимых идентичных лазерных излучений с длиной волны λ=1,06 мкм в двух отдельно стоящих лазерах (на фиг. не показаны) и транспортировка этих двух лазерных излучений в основную (15) и дополнительную (25) лазерную голову по двум отдельным и независимым лазерным оптоволокнам 18 с приваренными к каждому оптоволокну 18 коллиматором 19. В каждой из основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов происходит следующее: лазерный луч 61, полученный на выходе из коллиматора 19 попадает в расширитель 20 лазерного луча, который расширяет его до необходимого большего диаметра, превращая в расширенный лазерный луч 62. Расширенный лазерный луч 62 далее проходит сквозь фокусирующую линзу 21 и превращается в сфокусированный лазерный луч 63. После фокусирующей линзы 21 сфокусированный лазерный луч 63 попадает на отклоняющее неподвижное зеркало 64 и создается отраженный сфокусированный лазерный луч 29.The main (15) and additional (25) laser heads move to the positions for starting to process the applied powder layer with two reflected focused laser beams 29 (Fig. 6). Next, two independent identical laser beams with a wavelength of λ=1.06 μm are generated in two separate lasers (not shown in the figure) and these two laser beams are transported to the main (15) and additional (25) laser head via two separate and independent laser optical fibers 18 with a collimator 19 welded to each optical fiber 18. In each of the main (15) and additional (25) laser heads, the following occurs: the laser beam 61 obtained at the output of the collimator 19 enters the laser beam expander 20, which expands it to the required larger diameter, converting it into an expanded laser beam 62. The expanded laser beam 62 then passes through the focusing lens 21 and is converted into a focused laser beam 63. After the focusing lens 21, the focused laser beam 63 hits the deflecting fixed mirror 64 and a reflected focused laser beam is created beam 29.

Взаимное зеркальное расположение напротив друг друга двух основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов, наличие синхронизированных динамичного заднего прямого электропривода 30 и динамичного переднего прямого электропривода 31 (перемещение X1 и Х2), наличие динамичного поперечного прямого электропривода 32 (перемещение Y), наличие динамичного поперечного прямого электропривода 72 (перемещение Y1) позволяют проводить переплавление порошка двумя независимыми отраженными сфокусированными лазерными лучами 29 в отдельных зонах нанесенного слоя в зависимости от формы изготавливаемой детали и приплавление (приваривание) порошка в первом слое к съемной подложке 41.The mutual mirror arrangement opposite each other of two main (15) and additional (25) laser heads, the presence of a synchronized dynamic rear direct electric drive 30 and a dynamic front direct electric drive 31 (movement X1 and X2), the presence of a dynamic transverse direct electric drive 32 (movement Y), the presence of a dynamic transverse direct electric drive 72 (movement Y1) make it possible to carry out remelting of powder with two independent reflected focused laser beams 29 in separate zones of the applied layer depending on the shape of the part being manufactured and melting (welding) of the powder in the first layer to the removable substrate 41.

Процесс локального переплавления порошкового материала двумя отраженными сфокусированными лазерными лучами 29 за счет перемещения основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов точно и надежно в режиме реального времени контролируется двумя пирометрами 5, каждый из которых всегда перемещаются вместе с основной (15) и дополнительной (25) лазерной головой и всегда оптимально направлен в локальную зону переплавления порошка сфокусированным лазерным лучом 29. В случае необходимости проводится корректировка технологических режимов переплавления (скорость перемещения по координатам X1, Х2, Y, Y1; мощность лазерного излучения и проч.).The process of local remelting of powder material by two reflected focused laser beams 29 due to the movement of the main (15) and additional (25) laser heads is accurately and reliably controlled in real time by two pyrometers 5, each of which always moves together with the main (15) and additional (25) laser head and is always optimally directed into the local zone of powder remelting by the focused laser beam 29. If necessary, the technological modes of remelting are adjusted (speed of movement along coordinates X1, X2, Y, Y1; laser radiation power, etc.).

Съемная подложка 41 опускается на толщину наносимого второго слоя порошка (обычно ~ 40 мкм). После средство 3 нанесения порошкообразного материала вместе с воронкой 47 приема порошка перемещается из противоположного положения (фиг. 3) в крайнее положение и по аналогии с нанесением первого слоя порошка реализует нанесение второго слоя порошка, не выходящего за размер Н (фиг. 7), что подтверждается работой четырех оптических видеокамер 51.The removable substrate 41 is lowered to the thickness of the second powder layer to be applied (usually ~40 µm). Afterwards, the powder material application device 3, together with the powder receiving funnel 47, moves from the opposite position (Fig. 3) to the extreme position and, similar to the application of the first powder layer, applies the second powder layer, not exceeding the dimension H (Fig. 7), which is confirmed by the operation of four optical video cameras 51.

Четыре триангуляционных лазерных датчика 53 при совместной работе с четырьмя пирометрами 52 замеряют расстояние Т для второго слоя порошка и в случае выхода его за допустимое значение через алгоритмы управления общей системой управления устройством подается команда на компенсационное корректирующее перемещение съемной подложки 41 по координате Z. В случае необходимости компенсационного корректирующего перемещения, его значение запоминается общей системой управления.Four triangulation laser sensors 53, working in conjunction with four pyrometers 52, measure the distance T for the second powder layer, and if it exceeds the permissible value, a command is sent through the control algorithms of the general control system of the device for compensatory corrective movement of the removable substrate 41 along the Z coordinate. If compensatory corrective movement is necessary, its value is stored by the general control system.

Реализуется процесс локального переплавления порошкового материала двумя отраженными сфокусированными лазерными лучами 29 за счет перемещения основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов. Второй слой порошка приплавляется (приваривается) к переплавленным локальным зонам порошка из первого слоя.The process of localized remelting of powder material is achieved by two reflected focused laser beams 29, driven by the movement of the primary (15) and secondary (25) laser heads. The second powder layer is fused (welded) to the localized remelted areas of the first layer's powder.

Далее наносится третий слой порошка и аналогичный процесс повторяется для 25 слоев (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук).Next, a third layer of powder is applied and a similar process is repeated for 25 layers (a smaller number of layers is allowed, but not less than 10 pieces).

После нанесения 26 слоя (минимально после 11 слоя) и для всех последующих слоев работа четырех пирометров 52 и четырех триангуляционных лазерных датчиков 53 прекращается и допускается выход частиц порошка за условные линии ограничения по ширине 67 нанесения слоев порошка. Размер компенсационной коррекции перемещения съемной подложки 41 по координате Z для всех слоев после 25 слоя (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук) становится постоянным и вычисляется как среднее арифметическое среди размеров компенсационной коррекции для первых 25 слоев (допускается меньшее количество слоев, но не менее 10 штук).After applying the 26th layer (minimum after the 11th layer) and for all subsequent layers, the operation of the four pyrometers 52 and four triangulation laser sensors 53 ceases, and powder particles are allowed to extend beyond the conventional width limiting lines 67 of powder layer application. The size of the compensatory correction for the movement of the removable substrate 41 along the Z coordinate for all layers after the 25th layer (a smaller number of layers is allowed, but not less than 10 pieces) becomes constant and is calculated as the arithmetic mean of the compensatory correction sizes for the first 25 layers (a smaller number of layers is allowed, but not less than 10 pieces).

Далее процесс нанесение новых слоев порошка и их локального переплавления двумя отраженными сфокусированными лазерными лучами 29 за счет перемещения основной (15) и дополнительной (25) лазерных голов реализуется до полного изготовления детали. После окончания построения всей детали она очень медленно, вместе с объемом неспеченного порошка, в который она погружена (скорость охлаждения порядка 7°С в час), остывает в устройстве при помощи программного управления нагревателями 8 и нагревателем 39 стола.The process of applying new layers of powder and locally remelting them with two reflected focused laser beams 29, driven by the movement of the primary (15) and secondary (25) laser heads, continues until the part is fully fabricated. Once the entire part is complete, it, along with the volume of green powder in which it is immersed (cooling rate approximately 7°C per hour), cools very slowly in the device using software control of heaters 8 and table heater 39.

После полного остывания детали вместе с неспеченным порошком рабочий стол 36 расцепляется с поршнем 37. Бункер 6 изготовления удаляется из устройства и перемещается в станцию очистки, где деталь подвергается освобождению вместе со съемной подложкой 41 и очистке от неспеченного порошка. Далее деталь отделяют от съемной подложкой 41.After the part and its unsintered powder have completely cooled, worktable 36 is disengaged from piston 37. Production hopper 6 is removed from the device and moved to a cleaning station, where the part is released along with removable substrate 41 and cleaned of unsintered powder. The part is then separated from removable substrate 41.

При этом всю последовательность технологических процессов осуществляют в автоматическом режиме в технологически регламентированных условиях посредством специальных программно-аппаратных средств благодаря общей системе управления устройством.In this case, the entire sequence of technological processes is carried out automatically under technologically regulated conditions using special software and hardware thanks to the general control system of the device.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - создание сложнопрофильных, высокопрочных, теплостойких, биосовместимых и др. деталей/изделий методом методом селективного лазерного плавления и/или спекания (СЛП).Thus, the claimed set of essential features, reflected in the independent claim of the invention, ensures the achievement of the claimed technical result - the creation of complex-shaped, high-strength, heat-resistant, biocompatible and other parts/products by the method of selective laser melting and/or sintering (SLM).

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.An analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the features specified in the formula are essential and interconnected with each other to form a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the state of the art and sufficient to obtain the required synergistic (super-sum) technical result.

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

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для послойного спекания деталей сложной пространственной конфигурации из мелкодисперсного порошка с использованием лазерного излучения по данным трехмерной компьютерной модели;- an object embodying the declared technical solution, when implemented, is intended for layer-by-layer sintering of parts of complex spatial configuration from fine powder using laser radiation based on data from a three-dimensional computer model;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form in which it is characterized in the formula, the possibility of its implementation using the means and methods described above in the application or known from the state of the art on the priority date has been confirmed;

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

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

Claims (1)

Устройство для получения изделий из порошковых материалов, содержащее силовую раму, установленную на ней герметичную камеру с размещенным в ней средством нанесения порошкообразного материала в виде установленного с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения и формования слоя изделия двойного ножа, пирометром, бункером изготовления со встроенными в его стенки нагревателями, бункеры сбора и бункеры подачи порошка с дозирующими валами в каждом, размещенными на двойном ноже кварцевыми галогенными нагревательными элементами и установленной в герметичной камере подвижной лазерной головой, отличающееся тем, что лазерная голова выполнена в виде корпуса, на входе в который расположено лазерное оптоволокно с оптически приваренным коллиматором и соосно установленными расширителем лазерного луча и фокусирующей линзой, расположенной в выходном звене лазерной головы, на торце которого закреплено защитное сопло лазерной головы, при этом устройство снабжено дополнительной лазерной головой, выполненной идентично основной и расположенной зеркально напротив последней, а пирометр установлен через кронштейн с его защитным соплом, оптическая ось пирометра направлена ортогонально заданному слою порошка и проходит через фокус отраженного сфокусированного лазерного луча, при этом корпуса основной и дополнительной лазерных голов и пирометры установлены на динамичных заднем прямом, переднем прямом, поперечном прямом электроприводах и электроприводе вертикального перемещения.A device for producing articles from powder materials, comprising a load-bearing frame, a sealed chamber mounted thereon with a means for applying powdered material placed therein in the form of a double knife mounted with the possibility of horizontal reciprocating movement and forming a layer of the article, a pyrometer, a production hopper with heaters built into its walls, collection hoppers and powder feed hoppers with metering shafts in each, quartz halogen heating elements placed on the double knife and a movable laser head installed in the sealed chamber, characterized in that the laser head is made in the form of a housing, at the input of which a laser optical fiber is located with an optically welded collimator and a coaxially mounted laser beam expander and a focusing lens located in the output link of the laser head, at the end of which a protective nozzle of the laser head is fixed, wherein the device is provided with an additional laser head, made identical to the main one and located mirror-like opposite the latter, and the pyrometer is installed through a bracket with its protective nozzle, the optical axis of the pyrometer is directed orthogonally to the specified powder layer and passes through the focus of the reflected focused laser beam, while the housings of the main and additional laser heads and pyrometers are mounted on dynamic rear direct, front direct, transverse direct electric drives and a vertical movement electric drive.
RU2025104120A 2025-02-24 Device for producing articles from powder materials RU2850236C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2850236C1 true RU2850236C1 (en) 2025-11-06

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN204724851U (en) * 2015-06-11 2015-10-28 广东奥基德信机电有限公司 A kind of double excitation constituency sinters and melts 3D printing device that is nonmetal, metal
RU159233U1 (en) * 2015-09-29 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") DEVICE FOR LASER PROCESSING OF MATERIALS
RU2632745C2 (en) * 2015-08-10 2017-10-09 Владимир Валентинович Павлов Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use
EP3845336A1 (en) * 2020-01-02 2021-07-07 The Boeing Company Systems and methods for inspecting additively manufactured components
US20230158739A1 (en) * 2017-04-20 2023-05-25 Xjet Ltd. System and method of making printed articles
EP3634757B1 (en) * 2017-06-06 2023-08-02 Aurora Labs Limited 3d printing method and apparatus
RU2801360C1 (en) * 2022-07-19 2023-08-08 Общество с ограниченной ответственностью "Московский центр лазерных технологий" Installation for manufacturing parts by selective laser melting

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN204724851U (en) * 2015-06-11 2015-10-28 广东奥基德信机电有限公司 A kind of double excitation constituency sinters and melts 3D printing device that is nonmetal, metal
RU2632745C2 (en) * 2015-08-10 2017-10-09 Владимир Валентинович Павлов Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use
RU159233U1 (en) * 2015-09-29 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") DEVICE FOR LASER PROCESSING OF MATERIALS
US20230158739A1 (en) * 2017-04-20 2023-05-25 Xjet Ltd. System and method of making printed articles
EP3634757B1 (en) * 2017-06-06 2023-08-02 Aurora Labs Limited 3d printing method and apparatus
EP3845336A1 (en) * 2020-01-02 2021-07-07 The Boeing Company Systems and methods for inspecting additively manufactured components
RU2801360C1 (en) * 2022-07-19 2023-08-08 Общество с ограниченной ответственностью "Московский центр лазерных технологий" Installation for manufacturing parts by selective laser melting
RU2824771C1 (en) * 2023-09-20 2024-08-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Plant for selective laser melting of metal powder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4556160B2 (en) Method and system for monitoring and controlling the height of the cladding layer in real time using image capturing and image processing in laser cladding and laser metal processing technology
KR100796465B1 (en) Apparatus and method for manufacturing three-dimensional objects
EP2032345B1 (en) Procedure and apparatus for in-situ monitoring and feedback control of selective laser powder processing
RU2639110C2 (en) Method of manufacture of three-dimensional product, device for manufacture of three-dimensional product and method of manufacture of such device
CN111168998B (en) Weld puddle monitoring system and method for detecting errors in a multi-laser additive manufacturing process
Hu et al. Improving solid freeform fabrication by laser-based additive manufacturing
Craeghs et al. Online quality control of selective laser melting
US10898971B2 (en) Three-dimensional deposition device and three-dimensional deposition method
CN111168062B (en) Melt Pool Monitoring System and Method for Detecting Errors in Additive Manufacturing Processes
KR100419369B1 (en) Real-time Monitoring and Controlling Method of a Height of Deposit in Laser Cladding and Laser-aided Direct Metal Manufacturing by using Image Photographing and Image Processing and System thereof
US20190184494A1 (en) Systems and methods for global thermal control of additive manufacturing
US20170242424A1 (en) Laser power monitoring in additive manufacturing
BRPI9912231B1 (en) "System for automatically controlling layering of a material on a substrate and method of manufacturing an article"
RU2393056C1 (en) Method of sintering parts from powders
EP3650204B1 (en) Apparatus for additively manufacturing three-dimensional objects
Boddu et al. Control of laser cladding for rapid prototyping--a review
RU2850236C1 (en) Device for producing articles from powder materials
RU2849855C1 (en) Device for producing articles from powder materials
RU2825246C1 (en) Device for production of articles from powder materials
RU152433U1 (en) DEVICE FOR PRODUCING PRODUCTS FROM POWDERED MATERIALS
RU165868U1 (en) DEVICE FOR PRODUCTION OF POWDER MATERIALS
Shin et al. Enhanced geometric accuracy in directed energy deposition via closed-loop melt pool height control using real-time thermal imaging
RU154761U1 (en) DEVICE FOR PRODUCING PRODUCTS FROM POWDERED MATERIALS
RU2795149C1 (en) Device for producing products by selective laser melting
RU2801703C1 (en) Device for selective laser sintering of products from fine polymer powder