Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2564604C1 - Method of three-dimensional printing of products - Google Patents

Method of three-dimensional printing of products Download PDF

Info

Publication number
RU2564604C1
RU2564604C1 RU2014126793/12A RU2014126793A RU2564604C1 RU 2564604 C1 RU2564604 C1 RU 2564604C1 RU 2014126793/12 A RU2014126793/12 A RU 2014126793/12A RU 2014126793 A RU2014126793 A RU 2014126793A RU 2564604 C1 RU2564604 C1 RU 2564604C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
product
plasma spraying
products
dimensional printing
Prior art date
Application number
RU2014126793/12A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Максим Юрьевич Турчин
Михаил Анатольевич Чашкин
Игорь Наилевич Минниханов
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Группа "Магнезит"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Группа "Магнезит" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Группа "Магнезит"
Priority to RU2014126793/12A priority Critical patent/RU2564604C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2564604C1 publication Critical patent/RU2564604C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

FIELD: printing industry.
SUBSTANCE: method of three-dimensional printing of products comprises creation of 3D-model of the product, division of the product model into layers in cross-section, applying a layer of powder material by plasma spraying, sequential reproduction of the respective layers in the cross section before formation of the product. Each layer is formed in the following sequence: a) application of the powder material by continuous plasma spraying, b) application of the powder material discretely in the form of a matrix of coarse grains, and the coarse grains of each subsequent layer are applied offset with respect to the previous one, along the contour of the cross section of each layer the powder material is applied by microplasma spraying, the last layer is completed by the continuous plasma spraying of powder material to form a flat and smooth outer surface.
EFFECT: creation of products with high strength by the method of three-dimensional printing using plasma spraying of powder materials, as well as with the ability to manufacture products of compound geometric shape.
4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к способам трехмерной печати плазменным напылением изделий различного назначения.The invention relates to methods for three-dimensional printing by plasma spraying of products for various purposes.

Из уровня техники широко известна технология плазменного напыления, в частности, для получения новых материалов, покрытий, для восстановления изношенных деталей, а также для трехмерной печати изделий.The technology of plasma spraying is widely known from the prior art, in particular for the production of new materials, coatings, for the restoration of worn parts, as well as for three-dimensional printing of products.

Известен способ трехмерной печати изделий, в котором изделие может быть сформировано последовательным нанесением множества отдельных слоев с помощью плазменного напыления порошкообразного материала. В качестве материала используются металлические или керамические порошки, а также их смеси. Причем формирование отдельных слоев осуществляют двумя различными методами: слои большей толщины - посредством плазменного напыления, слои меньшей толщины - наплавкой лазерным лучом. Все слои формируются один на другом (US 6744005, МПК B23K 10/00, 11.10.1999 г.).A known method of three-dimensional printing of products, in which the product can be formed by sequentially applying many separate layers using plasma spraying of a powdery material. The material used is metal or ceramic powders, as well as mixtures thereof. Moreover, the formation of individual layers is carried out by two different methods: layers of a greater thickness - by means of plasma spraying, layers of a smaller thickness - by welding with a laser beam. All layers are formed one on top of the other (US 6744005, IPC B23K 10/00, 10/11/1999).

Известен также способ трехмерной печати изделий, включающий создание трехмерной модели на компьютере, деление модели на двухмерные слои, нанесение двухмерных слоев порошкового материала до образования изделия. Один из способов нанесения слоев из порошкообразного материала - способ плазменного напыления. Известное техническое решение предусматривает использование целого технологического комплекса производства изделий: плазменное напыление, лазерную наплавку для участков с повышенными требованиями к геометрической точности, фрезерную установку для механической обработки изделий, инструменты для нарезки резьбы, средства автоматического оптического контроля процесса, а также средства для трехмерного сканирования объекта-прототипа для его последующего тиражирования. (US 7020539, МПК G06F 19/00, 28.03.2006 г.).There is also a method of three-dimensional printing of products, including creating a three-dimensional model on a computer, dividing the model into two-dimensional layers, applying two-dimensional layers of powder material to form the product. One of the methods of applying layers of powder material is a plasma spraying method. The well-known technical solution involves the use of a whole technological complex for the production of products: plasma spraying, laser cladding for areas with increased requirements for geometric accuracy, a milling unit for machining products, tools for threading, automatic optical control of the process, and also means for three-dimensional scanning of an object prototype for its subsequent replication. (US 7020539, IPC G06F 19/00, 03/28/2006).

Известен способ, в котором потоком плазмы частицы материала наносятся на подложку таким образом, что отдельные частицы материала привариваются к подложке или друг к другу без полного сплавления. Управление плазменной горелкой происходит таким образом, чтобы образовывалось трехмерное изделие или покрытие. Материал может быть в виде порошка или проволоки (металл, керамика, сплавы). После нанесения первого слоя наносятся следующие слои частиц, причем регулируются тепловые параметры, температура плазменной горелки, продолжительность нагрева, скорость подачи материала с целью получения изделия нужной формы, микроструктуры, физико-механических свойств и с требуемым соотношением количества пор и твердого вещества. (US 20090047439, МПК B05D 1/08, 16.08.2007 г.).There is a known method in which plasma particles are applied to a substrate by a plasma flow so that individual particles of the material are welded to the substrate or to each other without full fusion. The plasma torch is controlled so that a three-dimensional article or coating is formed. The material may be in the form of a powder or wire (metal, ceramics, alloys). After applying the first layer, the following layers of particles are applied, and thermal parameters, the temperature of the plasma torch, the duration of heating, the feed rate of the material are adjusted to obtain the product of the desired shape, microstructure, physico-mechanical properties and with the required ratio of pore and solid matter. (US 20090047439, IPC B05D 1/08, 08/16/2007).

Суть известных способов в том, что в плазменную струю вводятся частицы порошкообразного материала, который нагревается до температуры плавления. Частицы порошка за счет высокой скорости и их частичного проплавления закрепляются на подложке, а затем на ранее нанесенных слоях.The essence of the known methods is that particles of a powdery material are introduced into the plasma jet, which is heated to the melting temperature. Powder particles due to their high speed and their partial penetration are fixed on the substrate, and then on the previously deposited layers.

К недостаткам известных способов следует отнести отсутствие в описании конкретных последовательных действий формирования слоев изделия, что подразумевает использование традиционного способа, а именно непрерывное плазменное напыление материала, т.е. сплошное, в некоторых случаях под углом к поверхности напыления. В результате крайне затруднительно, а иногда и невозможно получить целостные изделия, обладающие повышенной прочностью с требуемыми свойствами, поскольку при большом количестве слоев, наносимых традиционным способом, возникают механические напряжения, приводящие к отделению от подложки или растрескиванию. Другим недостатком является сложность и дороговизна конструкций, использование лазера высокой мощности, представляющего повышенную опасность для обслуживающего персонала.The disadvantages of the known methods include the absence in the description of specific sequential steps of forming product layers, which implies the use of the traditional method, namely, continuous plasma spraying of the material, i.e. continuous, in some cases at an angle to the spraying surface. As a result, it is extremely difficult, and sometimes impossible, to obtain complete products with increased strength with the required properties, since with a large number of layers applied by the traditional method, mechanical stresses arise, leading to separation from the substrate or cracking. Another disadvantage is the complexity and high cost of designs, the use of a high-power laser, which is an increased danger for maintenance personnel.

Технический результат заключается в создании изделий повышенной прочности способом трехмерной печати с помощью плазменного напыления порошкообразных материалов, а также с возможностью выполнения изделий сложной геометрической формы.The technical result consists in the creation of products of increased strength by three-dimensional printing using plasma spraying of powdered materials, as well as with the ability to perform products of complex geometric shapes.

Указанный технический результат достигается тем, что по способу трехмерной печати изделий, включающему создание 3D-модели изделия, деление модели изделия на слои в поперечном сечении, нанесение слоя из порошкообразного материала плазменным напылением, последовательное воспроизведение соответствующих слоев в сечении до образования изделия,The specified technical result is achieved by the fact that by the method of three-dimensional printing of products, including creating a 3D model of the product, dividing the product model into layers in cross section, applying a layer of powder material by plasma spraying, sequential reproduction of the corresponding layers in cross section until the product is formed,

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, каждый слой формируют в следующей последовательности: а) нанесение порошкообразного материала непрерывным плазменным напылением, б) нанесение порошкообразного материала дискретно в виде матрицы из крупных зерен;ACCORDING TO THE INVENTION, each layer is formed in the following sequence: a) applying a powdery material by continuous plasma spraying, b) applying a powdery material discretely in the form of a matrix of large grains;

причем зерна каждого последующего слоя наносят со смещением относительно предыдущего; по контуру сечения каждого слоя порошкообразный материал наносят микроплазменным напылением; последний слой завершают непрерывным плазменным напылением порошкообразного материала до образования ровной и гладкой внешней поверхности.moreover, the grains of each subsequent layer are applied with an offset relative to the previous one; along the contour of the cross section of each layer, the powdery material is applied by microplasma spraying; the last layer is completed by continuous plasma spraying of the powdered material until a smooth and smooth outer surface is formed.

Порошкообразный материал состоит как из одного компонента, так и из смеси двух и более компонентов, выбранных из групп: огнеупорные оксиды (в том числе оксид магния, оксид алюминия, оксид кальция, диоксид циркония, оксид хрома, оксид кремния); бескислородные соединения (в том числе карбиды, бориды, нитриды); углерод, черные и цветные металлы, в том числе тугоплавкие металлы, органические полимеры. Используют порошкообразный материал с размером частиц 0,02-0,04 мм, или 0,04-0,08 мм, или 0,063-0 мм.Powdered material consists of both a single component and a mixture of two or more components selected from the groups: refractory oxides (including magnesium oxide, aluminum oxide, calcium oxide, zirconium dioxide, chromium oxide, silicon oxide); oxygen-free compounds (including carbides, borides, nitrides); carbon, ferrous and non-ferrous metals, including refractory metals, organic polymers. Use a powdery material with a particle size of 0.02-0.04 mm, or 0.04-0.08 mm, or 0.063-0 mm.

Выбор порошкообразного материала лимитируется взаимной совместимостью и определяется условиями эксплуатации и необходимыми физико-механическими свойствами изделия. Регулировать требуемые свойства получаемых изделий возможно за счет того, что способ реализуется в несколько стадий, что позволяет чередовать порошкообразный материал в пределах одного слоя, или чередовать слои из различных материалов, либо использовать только один определенный порошкообразный материал в объеме всего изделия. В случае использования материалов с разным температурным коэффициентом линейного расширения образуется микротрещиноватая структура, позволяющая изделию иметь высокую термостойкость. В случае плазменного напыления смеси порошкообразных материалов с высокой и низкой твердостью образуется структура, устойчивая к переменным и ударным механическим нагрузкам. В случае необходимости, можно использовать оксидные порошкообразные материалы с чистотой 97-99% и даже более 99%.The choice of powdered material is limited by mutual compatibility and is determined by the operating conditions and the necessary physical and mechanical properties of the product. It is possible to adjust the required properties of the resulting products due to the fact that the method is implemented in several stages, which allows you to alternate powdery material within a single layer, or alternate layers of different materials, or use only one specific powdery material in the volume of the entire product. In the case of using materials with different temperature coefficients of linear expansion, a micro-cracked structure is formed, which allows the product to have high heat resistance. In the case of plasma spraying of a mixture of powdered materials with high and low hardness, a structure is formed that is resistant to variable and impact mechanical loads. If necessary, you can use oxide powder materials with a purity of 97-99% and even more than 99%.

В соответствии с настоящим изобретением доля порошкообразного материала с размером частиц менее 0,1 мм составляет не менее 95%. Предпочтительный размер частиц порошкообразного материала в пределах 0,02-0,04 мм, или 0,04-0,08 мм, или 0,063-0 мм.In accordance with the present invention, the proportion of powdered material with a particle size of less than 0.1 mm is at least 95%. The preferred particle size of the powdered material is in the range of 0.02-0.04 mm, or 0.04-0.08 mm, or 0.063-0 mm.

Изделие формируется способом трехмерной печати, нанесением слоев из порошкообразных материалов плазменным напылением с помощью плазмотрона. Нанесение слоя реализуется в следующей последовательности: нанесение порошкообразного материала непрерывным плазменным напылением, далее нанесение порошкообразного материала дискретно в виде матрицы из крупных зерен, имеющих приближенную к сфере форму. Крупные зерна получаются в результате мгновенной остановки плазмотрона, при этом температура материала успевает подняться вплоть до температуры плавления и получается сплавленное крупное зерно. За счет того что порошкообразный материал наносится дискретно, накопления механических напряжений в одном направлении не происходит вследствие усадки при кристаллизации расплава и сужении при дальнейшем охлаждении материала, поскольку суммарные векторы напряжений небольшие и ориентированы друг против друга. Прогрев и последующее медленное охлаждение от нанесения вышележащих слоев снижают остаточные напряжения до минимума. В результате этого обеспечивается прочность при большой толщине изделия в отличие от традиционных способов плазменного напыления.The product is formed by three-dimensional printing, applying layers of powder materials by plasma spraying using a plasma torch. The application of the layer is carried out in the following sequence: the application of powder material by continuous plasma spraying, then the application of the powder material is discrete in the form of a matrix of large grains having a shape close to the sphere. Large grains are obtained as a result of the instantaneous shutdown of the plasma torch, while the temperature of the material has time to rise up to the melting point and a fused large grain is obtained. Due to the fact that the powdery material is applied discretely, the accumulation of mechanical stresses in one direction does not occur due to shrinkage during crystallization of the melt and narrowing with further cooling of the material, since the total stress vectors are small and oriented against each other. Heating and subsequent slow cooling from the application of overlying layers reduce residual stresses to a minimum. As a result of this, strength is achieved with a large thickness of the product, in contrast to traditional methods of plasma spraying.

Отличительная особенность изобретения, заключающаяся в нанесении материала в несколько стадий, сначала непрерывно, а затем дискретно с остановками в виде матрицы из крупных зерен, позволяет получать изделия повышенной прочности не только с низкой, но и с высокой пористостью. Низкая общая пористость в крупных зернах (менее 10%), в межзеренном пространстве (~15-20%) и низкая общая пористость всего изделия (~10-15%) обеспечивается методом плазменного напыления за счет высокой скорости частиц порошка и их частичного проплавления. Пустоты между зернами заполняются непрерывным плазменным напылением в движении, что исключает открытую канальную пористость всего изделия.A distinctive feature of the invention, which consists in applying the material in several stages, first continuously, and then discretely with stops in the form of a matrix of large grains, allows to obtain products of increased strength not only with low but also with high porosity. Low total porosity in coarse grains (less than 10%), in intergranular space (~ 15-20%) and low total porosity of the whole product (~ 10-15%) is ensured by plasma spraying due to the high speed of the powder particles and their partial penetration. The voids between the grains are filled with continuous plasma spraying in motion, which eliminates the open channel porosity of the entire product.

Применение в смеси выгорающих материалов и окисляющих плазмообразующих газов (без использования защитного газа) возможно для получения пористых изделий.The use of burnable materials and oxidizing plasma-forming gases in a mixture (without the use of a protective gas) is possible to obtain porous products.

Нанесение каждого следующего слоя формируется со смещением относительно предыдущего с целью обеспечения максимально возможно плотной упаковки крупных зерен по пирамидальному способу (фиг. 1). За счет чего увеличивается прочность и уменьшается анизотропность структуры готового изделия по сравнению с другими способами упаковки.The application of each next layer is formed with an offset relative to the previous one in order to ensure the most dense packing of large grains according to the pyramidal method (Fig. 1). Due to this, the strength increases and the anisotropy of the structure of the finished product decreases compared to other packaging methods.

Для получения точной по геометрии боковой поверхности выполняют сглаживание внешнего контура каждого слоя изделия микроплазменным напылением.To obtain an exact geometry of the lateral surface, the external contour of each product layer is smoothed by microplasma spraying.

Последний слой завершают непрерывным плазменным напылением для обеспечения необходимой высоты изделия, для придания гладкости поверхности.The last layer is completed by continuous plasma spraying to ensure the necessary height of the product, to give a smooth surface.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.The essence of the proposed method is illustrated by drawings.

На фиг. 1 схематично показан вид сверху смещения зерен одного слоя относительно зерен другого, на фиг. 2. - условно показано последовательное нанесение порошкообразного материала дискретно в виде матрицы из крупных зерен - на примере одного слоя, на фиг. 3 - показан 3D-принтер, на фиг. 4 - конструкция плазмотрона, на фиг. 5 - огнеупорный блок для перемешивания материала во вращающейся печи (конкретный пример осуществления изобретения). Следует понимать, что реализация предлагаемого способа не ограничивается описанными в настоящем изобретении конструкциями 3D-принтера и плазмотрона, а лишь иллюстрирует (поясняет) возможность осуществления заявляемого способа трехмерной печати. Кроме того, при реализации данного изобретения существует возможность применения достаточно широкого диапазона настроек (расход плазмообразующего газа, расход газа на подачу порошка, скорость подачи порошка, угол падения частиц к поверхности напыления, дистанция напыления и другие параметры), которые определяются для каждого конкретного материала индивидуально.In FIG. 1 schematically shows a top view of the displacement of the grains of one layer relative to the grains of another, in FIG. 2. - conventionally shown the sequential application of the powder material discretely in the form of a matrix of large grains - on the example of one layer, in FIG. 3 - shows a 3D printer, in FIG. 4 - construction of a plasma torch, in FIG. 5 is a refractory block for mixing material in a rotary kiln (specific embodiment of the invention). It should be understood that the implementation of the proposed method is not limited to the 3D printer and plasma torch designs described in the present invention, but merely illustrates (explains) the possibility of implementing the inventive three-dimensional printing method. In addition, when implementing this invention, it is possible to use a fairly wide range of settings (flow rate of plasma-forming gas, gas flow rate for powder supply, powder feed rate, angle of incidence of particles to the spraying surface, spraying distance and other parameters), which are determined individually for each specific material .

Сущность предлагаемого способа заключается в послойном нанесении порошкообразного материала до образования готового изделия. На фиг. 2 условно показано последовательное воспроизведение слоев (на примере одного слоя) изделия. Сначала на подложку 1 наносится порошкообразный материал непрерывным плазменным напылением в виде пленки 2 по всей поверхности подложки (фиг. 2, а). Далее, порошкообразный материал наносится на пленку 2 дискретно в несколько этапов. На первом этапе порошкообразный материал наносится в виде матрицы из крупных зерен 3 (фиг. 2, б), далее последовательно вдоль оси X до образования рядов (фиг. 2, в-г). На следующем этапе порошкообразный материал наносится в виде матрицы (смещенной по оси Y на расстояние, равное диаметру зерна) из крупных зерен 3 (фиг. 2, д), далее последовательно вдоль оси X до образования рядов (фиг. 2, е-ж), с последующим повторением данного этапа до образования слоя изделия (фиг. 2, и-л). Для получения точной по геометрии боковой поверхности выполняют сглаживание внешнего контура 4 (фиг. 2, м) слоя изделия микроплазменным напылением. Далее последовательно воспроизводят слои до образования готового изделия, причем зерна 3 каждого последующего слоя наносят со смещением относительно предыдущего по направлению осей X и Y на половину диаметра крупного зерна. Последний слой завершают непрерывным плазменным напылением порошкообразного материала до получения точной высоты изделия, некратной высоте ряда, и до образования ровной и гладкой внешней поверхности.The essence of the proposed method consists in layer-by-layer application of powder material to the formation of the finished product. In FIG. 2 conventionally shows the sequential reproduction of layers (for example, one layer) of the product. First, a powdery material is applied to the substrate 1 by continuous plasma spraying in the form of a film 2 over the entire surface of the substrate (Fig. 2, a). Further, the powdery material is applied to the film 2 discretely in several stages. At the first stage, the powdery material is applied in the form of a matrix of large grains 3 (Fig. 2, b), then sequentially along the X axis until rows are formed (Fig. 2, c-d). At the next stage, the powdery material is applied in the form of a matrix (displaced along the Y axis by a distance equal to the diameter of the grain) from coarse grains 3 (Fig. 2, e), then sequentially along the X axis until rows are formed (Fig. 2, e-g) , followed by the repetition of this stage until the formation of the product layer (Fig. 2, and-l). To obtain an exact geometry of the lateral surface, the external contour 4 (Fig. 2, m) of the product layer is smoothed by microplasma spraying. Next, the layers are sequentially reproduced until the finished product is formed, and the grains 3 of each subsequent layer are applied with an offset relative to the previous in the direction of the X and Y axes by half the diameter of the large grain. The last layer is completed by continuous plasma spraying of the powdered material to obtain the exact height of the product, the multiple height of the row, and until a smooth and smooth outer surface is formed.

Предлагаемый способ реализуется с помощью 3D-принтера (фиг. 3).The proposed method is implemented using a 3D printer (Fig. 3).

Исходные материалы подаются из кюбелей 5 в приемные бункера 6, из которых поступают в питатели 7 (на фиг. 3 кюбель, приемный бункер, питатель показаны в количестве 1 шт.). Откуда по отдельности с помощью транспортирующего газа, подаваемого из баллона 8 или компрессора 9 (если в качестве одного из газов выбран воздух) через набор управляющих электромагнитных клапанов 10, уносятся по трубопроводам пылегазовой смеси 11 (на фиг. 3 показан в количестве 1 шт.) в плазмотрон 12. Плазмообразующий газ подается из баллона 8 через набор управляющих электромагнитных клапанов 10 в газовую магистраль 13, откуда попадает в плазмотрон 12, перемещаемый в горизонтальной плоскости с помощью кареточного устройства 14.The source materials are fed from the cuffs 5 to the receiving hopper 6, from which they enter the feeders 7 (in Fig. 3, the cuff, receiving hopper, feeder are shown in the amount of 1 pc.). From where individually using a conveying gas supplied from a cylinder 8 or compressor 9 (if air is selected as one of the gases) through a set of control solenoid valves 10, they are carried away through the pipelines of the dust-gas mixture 11 (in the figure 3 it is shown in the amount of 1 pc.) into the plasma torch 12. Plasma-forming gas is supplied from the cylinder 8 through a set of control solenoid valves 10 to the gas line 13, from where it enters the plasma torch 12, which is moved in the horizontal plane using the carriage device 14.

Транспортирующий газ по химическому составу может быть отличен или идентичен плазмообразующему. В качестве плазмообразующего могут быть использованы различные газы: инертные (аргон, гелий), восстановительные (водород) и окислительные (воздух, азот), а также аммиак, природный газ, водяной пар.The chemical carrier gas may be different or identical to the plasma-forming one. Various gases can be used as a plasma-forming one: inert gases (argon, helium), reducing gases (hydrogen) and oxidizing gases (air, nitrogen), as well as ammonia, natural gas, and water vapor.

Для формирования изделия 15 в направлении Z (показано на фиг. 3) предусмотрен механизм подъема и опускания 16 стола, который приподнимает съемный под тележки 17, закатываемой в герметичную шумозащищенную камеру 18. Для электропитания плазмотрона применяется понижающий трансформатор 19 с полупроводниковым выпрямителем (диодным мостом) и осциллятором для получения высоковольтного импульса, необходимого для получения плазменной дуги при запуске плазмотрона 12. Для охлаждения катода и анода плазмотрона применяется водяное охлаждение, состоящее из резервуара для воды - бака 20, насоса 21 и радиатора 22.To form the product 15 in the Z direction (shown in Fig. 3), a table raising and lowering mechanism 16 is provided, which raises a removable one under the trolley 17, rolled up in a sealed noise-proof chamber 18. To power the plasma torch, a step-down transformer 19 with a semiconductor rectifier (diode bridge) is used and an oscillator to obtain a high voltage pulse necessary to obtain a plasma arc when starting the plasma torch 12. To cool the cathode and anode of the plasma torch, water cooling is used, consisting of from the water tank - tank 20, pump 21 and radiator 22.

Конструкция плазмотрона 12 (фиг. 4) предлагается с максимально плотным расположением рабочих ячеек 23 в горизонтальной плоскости. Ячейка 23 плазмотрона состоит из катода 24 со сменным наконечником и сменного анода 25 в виде сопла Лаваля, разделенных изолирующим материалом 26 и охлаждаемых водой с помощью камер 27 и 28. Напыляемый материал, проходя через сопло Лаваля, ускоряется до около- или сверхзвуковых скоростей, нагревается потоком плазмы 29 и наносится на подложку 1 в виде плотноспеченных крупных зерен 3. Для охлаждения зерен 3 и для их защиты от окисления в случае применения неоксидных материалов предусмотрена камера 30 с подводимым защитным газом. В качестве защитного газа используют инертный (аргон, гелий) либо углекислый газ.The design of the plasma torch 12 (Fig. 4) is proposed with the most dense arrangement of the working cells 23 in the horizontal plane. Cell 23 of the plasma torch consists of a cathode 24 with a replaceable tip and a replaceable anode 25 in the form of a Laval nozzle separated by an insulating material 26 and cooled by water using chambers 27 and 28. The sprayed material passing through the Laval nozzle accelerates to near- or supersonic speeds, heats up a plasma stream 29 and is applied to the substrate 1 in the form of densely sintered coarse grains 3. To cool the grains 3 and to protect them from oxidation in the case of using non-oxide materials, a chamber 30 with supplied protective gas is provided. Inert gas (argon, helium) or carbon dioxide is used as a protective gas.

В качестве конкретного примера изготавливается огнеупорный блок (фиг. 5) для перемешивания материала во вращающейся печи. Рассматриваемый пример не исключает другие варианты в пределах формулы изобретения. Блок для перемешивания материала состоит из стальной пластины 31, анкеров 32 из нержавеющей жаропрочной стали, нижней теплоизоляционной (арматурной) части 33, выполненной из шамота, и верхней рабочей части 34, выполненной из периклаза и шпинели. Для изготовления боковой выемки требуется временный поддерживающий материал 35 - композиция из термопластичного полимера (например - полипропилен) и графита, который потом легко отделяется от изделия. Процесс формирования изделия идет снизу вверх в порядке часть 33 - часть 34 и одновременно с частями 33 и 34 - анкеры 32. Пластина 31 изготовлена заранее из листового металла с тщательной очисткой рабочей поверхности.As a specific example, a refractory block is made (FIG. 5) for mixing the material in a rotary kiln. The example in question does not exclude other variations within the scope of the claims. The block for mixing the material consists of a steel plate 31, anchors 32 made of heat-resistant stainless steel, a lower heat-insulating (reinforcing) part 33 made of chamotte, and an upper working part 34 made of periclase and spinel. For the manufacture of a side recess, a temporary supporting material 35 is required — a composition of a thermoplastic polymer (for example, polypropylene) and graphite, which is then easily separated from the product. The process of forming the product goes from bottom to top in the order of part 33 - part 34 and simultaneously with parts 33 and 34 - anchors 32. The plate 31 is made in advance of sheet metal with thorough cleaning of the working surface.

На ПК инженера-конструктора подготавливается 3В-модель изделия (фиг. 5) в формате STL и пересылается на ПК, управляющий 3D-принтером (фиг. 3). Установленное на управляющем компьютере программное обеспечение условно делит модель на n слоев и посылает управляющие сигналы. Управление трехмерной печатью осуществляется с электронного блока управления 36 (фиг. 3).A 3B model of the product (Fig. 5) in STL format is prepared on the PC of the design engineer and sent to the PC that controls the 3D printer (Fig. 3). The software installed on the control computer conditionally divides the model into n layers and sends control signals. Management of three-dimensional printing is carried out with the electronic control unit 36 (Fig. 3).

Исходные материалы (шамотный, периклазовый, шпинельный и порошок из жаропрочной нержавеющей стали) выбираются с размером частиц 0,063-0 мм.The starting materials (chamotte, periclase, spinel and powder from heat-resistant stainless steel) are selected with a particle size of 0.063-0 mm.

Изделие формируется в следующей последовательности.The product is formed in the following sequence.

На подложку 1 крепится пластина 31 (фиг. 5). Для получения части 33 плазменным напылением с помощью плазмотрона 12 (фиг. 3) на пластину 31 послойно наносятся шамотный порошок и одновременно в заданных местах - порошок из жаропрочной нержавеющей стали для получения анкеров 32.A plate 31 is attached to the substrate 1 (Fig. 5). To obtain part 33 by plasma spraying using a plasma torch 12 (Fig. 3), chamotte powder is applied layer-by-layer to the plate 31 and, at the specified places, the powder is made of heat-resistant stainless steel to obtain anchors 32.

Каждый слой наносится плазменным напылением следующим образом. Сначала наносится шамотный порошок непрерывным плазменным напылением. Затем шамотный порошок наносится плазмотроном с остановками для получения матрицы из плотноспеченных крупных зерен в несколько этапов. Для этого на первом этапе шамотный порошок наносится в виде матрицы из плотноспеченных зерен движением плазмотрона вдоль оси X с шагом, равным диаметру зерна, до образования рядов. На следующем этапе плазмотрон смещается по оси Y на расстояние, равное диаметру зерна, и аналогично первому этапу наносит ряды из плотноспеченных зерен вдоль оси X, но в обратном направлении. Этап повторяется до образования слоя изделия.Each layer is applied by plasma spraying as follows. First, fireclay powder is applied by continuous plasma spraying. Then, fireclay powder is applied by the plasma torch with stops to obtain a matrix of densely sintered large grains in several stages. For this, at the first stage, chamotte powder is applied in the form of a matrix of densely sintered grains by moving the plasma torch along the X axis with a step equal to the diameter of the grain until rows are formed. At the next stage, the plasmatron is displaced along the Y axis by a distance equal to the diameter of the grain, and similarly to the first stage, it rows rows of densely sintered grains along the X axis, but in the opposite direction. The step is repeated until the product layer is formed.

Слой завершается сглаживанием внешнего контура микроплазменным напылением шамотного порошка с непрерывным движением плазмотрона вдоль периметра слоя.The layer is completed by smoothing the outer contour by microplasma spraying of chamotte powder with continuous movement of the plasma torch along the perimeter of the layer.

Плотноспеченные зерна каждого последующего слоя наносятся со смещением относительно предыдущего по направлению осей X и Y на половину диаметра зерна с повторением этапов нанесения слоя, описанных выше, до образования части 33.The densely sintered grains of each subsequent layer are applied with a displacement relative to the previous in the direction of the X and Y axes by half the diameter of the grain with repeating the steps of applying the layer described above, until the formation of part 33.

На часть 33 наносятся плазменным напылением слои для получения части 34 из периклазового, шпинельного и одновременно порошка из жаропрочной нержавеющей стали в заданных местах аналогичным способом получения слоев части 33 из шамотного порошка. Соотношение и распределение периклазовых и шпинельных зерен в слое выбирается компьютером исходя из заданного химического состава будущего изделия. Для данного конкретного примера можно использовать шпинельные зерна в пределах 5-25 масс%, остальное - периклаз. Следует отметить что, подбор оптимального химического состава, предварительная оценка свойств изделий возможны путем «распечатки» (изготовления) серии образцов небольших размеров (например, 50×50×50).Part 33 is applied by plasma spraying to obtain part 34 of periclase, spinel and, at the same time, powder of heat-resistant stainless steel in predetermined places in a similar way to obtain layers of part 33 of chamotte powder. The ratio and distribution of periclase and spinel grains in the layer is selected by the computer based on the given chemical composition of the future product. For this specific example, you can use spinel grains in the range of 5-25 wt%, the rest is periclase. It should be noted that the selection of the optimal chemical composition, a preliminary assessment of the properties of products are possible by "printing" (manufacturing) a series of samples of small sizes (for example, 50 × 50 × 50).

Так как специальные выемки в изделии проходят через часть 34, то дополнительно вне контура слоя изделия наносится слой из поддерживающего материала 35 (параллельно или после сглаживания контура микроплазменным напылением).Since special recesses in the product pass through part 34, an additional layer of supporting material 35 is applied outside the contour of the product layer (in parallel or after smoothing the contour by microplasma spraying).

Нанесение порошка из жаропрочной нержавеющей стали для анкеров 32 проводится в процессе получения слоя, в заданных местах, соответствующих n-му слою частей. Перед нанесением каждого последующего слоя подложка 1 с изделием опускается в направлении Z на толщину предыдущего слоя.The application of powder from heat-resistant stainless steel for anchors 32 is carried out in the process of obtaining a layer, in predetermined places, corresponding to the nth layer of parts. Before applying each subsequent layer, the substrate 1 with the product is lowered in the Z direction to the thickness of the previous layer.

Последний слой изделия завершают непрерывным плазменным напылением периклазового порошка до получения точной высоты изделия, некратной высоте слоя, и до образования ровной и гладкой внешней поверхности.The last layer of the product is completed by continuous plasma spraying of periclase powder to obtain the exact height of the product, a multiple height of the layer, and until a smooth and smooth outer surface is formed.

Конструкцией плазмотрона предусмотрено использование одной, нескольких или всех ячеек одновременно, в зависимости от площади и формы n-го слоя. Неиспользуемые ячейки находятся в режиме поддержания плазменной дуги с небольшим потреблением плазмообразующего газа и без подачи в них напыляемого материала. Использование одновременно всех задействованных ячеек увеличивает производительность изготовления изделий (в частности, крупногабаритных).The design of the plasma torch provides for the use of one, several or all cells simultaneously, depending on the area and shape of the nth layer. Unused cells are in the mode of maintaining a plasma arc with a small consumption of plasma-forming gas and without feeding sprayed material into them. The use of all involved cells simultaneously increases the productivity of manufacturing products (in particular, large ones).

В промежутках между нанесением слоев изделия возможно применение отжига потоком плазмы без напыляемого материала с увеличенным расстоянием от изделия до плазмотрона или проплавления с уменьшенным расстоянием.In the intervals between the application of the product layers, it is possible to use annealing with a plasma stream without spraying material with an increased distance from the product to the plasma torch or penetration with a reduced distance.

Готовое изделие вынимают из рабочего пространства 3D-принтера и транспортируют в места охлаждения (складирование).The finished product is removed from the workspace of the 3D printer and transported to a place of cooling (storage).

Подложка 1 должна быть легко отделяемой от формуемого изделия, для этих целей подходит алюминиевая фольга, картон либо стальной лист с неочищенной либо промасленной поверхностью.The substrate 1 should be easily detachable from the molded product, aluminum foil, cardboard or a steel sheet with an uncleaned or oiled surface is suitable for these purposes.

Заявляемым способом могут быть изготовлены изделия сложной геометрии и структуры из любых материалов, способных плавиться без разложения (без ограничений по температуре плавления). Для участков изделий, которые находятся над пустотами, если это невозможно устранить соответствующей геометрической ориентацией, может быть применено использование материалов поддержки, которые потом удаляются. В качестве поддерживающего материала могут быть использованы легкоплавкие вещества (в т.ч. металлы такие как свинец, олово), хрупкие материалы, растворимые вещества (в воде - соли, или органические - в органических растворителях), выгорающие (пластмассы и др.).The inventive method can be made products of complex geometry and structure from any materials that can melt without decomposition (without restrictions on the melting temperature). For sections of products that are above the voids, if this cannot be eliminated by the appropriate geometric orientation, the use of support materials can be applied, which are then removed. As a supporting material, low-melting substances (including metals such as lead, tin), brittle materials, soluble substances (in water - salts, or organic - in organic solvents), burn-out (plastics, etc.) can be used.

В качестве примера получения изделий пористой структуры повышенной прочности, заявленным способом трехмерной печати за счет плазменного напыления следует отметить использование в качестве порошкообразного материала наиболее тонкой фракции (0,02-0,04 мм) технического глинозема (для получения полых микросфер), введение специальной добавки (SiO2+TiO2); или использование в качестве порошкообразного материала наиболее тонкой фракции ZrO2, стабилизированного добавкой CaO, а в качестве плазмообразующих и транспортирующих газов - азота или воздуха. Повышенная пористость достигается за счет объема внутреннего пространства полых микросфер, а прочность за счет низкой пористости в межзеренном пространстве. Пористость изделия в этом случае будет иметь преимущественно закрытый характер. В случае применения порошков в смеси с выгорающими органическими материалами и окисляющих плазмообразующих газов (без использования защитного газа) достигается повышенная пористость за счет сгорания органических частиц и образования на их месте пустот.As an example of obtaining products of a porous structure of increased strength, the claimed method of three-dimensional printing due to plasma spraying, it should be noted the use of the finest fraction (0.02-0.04 mm) of technical alumina (to obtain hollow microspheres) as a powder material, the introduction of a special additive (SiO 2 + TiO 2 ); or the use of the finest fraction of ZrO 2 stabilized by the addition of CaO as the powder material, and nitrogen or air as the plasma-forming and transporting gases. Increased porosity is achieved due to the volume of the internal space of the hollow microspheres, and strength due to the low porosity in the intergrain space. The porosity of the product in this case will be predominantly closed. In the case of using powders in a mixture with burnable organic materials and oxidizing plasma-forming gases (without using a protective gas), increased porosity is achieved due to the combustion of organic particles and the formation of voids in their place.

Заявляемый способ трехмерной печати плазменным напылением позволяет изготавливать изделия различного назначения повышенной прочности: изделия плотной микроструктуры с низкой пористостью, изделия пористой структуры повышенной прочности, изделия с различными температурными показателями; сложной геометрии, используя при этом широкий спектр материалов.The inventive method of three-dimensional printing by plasma spraying allows to manufacture products for various purposes of increased strength: products of dense microstructure with low porosity, products of a porous structure of increased strength, products with different temperature indicators; complex geometry, using a wide range of materials.

Таким образом, достигается заявляемый технический результат.Thus, the claimed technical result is achieved.

Claims (4)

1. Способ трехмерной печати изделий, включающий создание 3D-модели изделия, деление модели изделия на слои в поперечном сечении, нанесение слоя из порошкообразного материала плазменным напылением, последовательное воспроизведение соответствующих слоев в сечении до образования изделия, отличающийся тем, что
каждый слой формируют в следующей последовательности: а) нанесение порошкообразного материала непрерывным плазменным напылением, б) нанесение порошкообразного материала дискретно в виде матрицы из крупных зерен,
причем крупные зерна каждого последующего слоя наносят со смещением относительно предыдущего,
по контуру сечения каждого слоя порошкообразный материал наносят микроплазменным напылением,
последний слой завершают непрерывным плазменным напылением порошкообразного материала до образования ровной и гладкой внешней поверхности.
1. The method of three-dimensional printing of products, including creating a 3D model of the product, dividing the product model into layers in cross section, applying a layer of powder material by plasma spraying, sequential reproduction of the corresponding layers in cross section to form the product, characterized in that
each layer is formed in the following sequence: a) applying a powdery material by continuous plasma spraying, b) applying a powdery material discretely in the form of a matrix of large grains,
and large grains of each subsequent layer are applied with an offset relative to the previous one,
along the contour of the cross section of each layer, the powdery material is applied by microplasma spraying,
the last layer is completed by continuous plasma spraying of the powdered material until a smooth and smooth outer surface is formed.
2. Способ трехмерной печати изделий по п. 1, в котором порошкообразный материал состоит как из одного компонента, так и из смеси двух и более компонентов, включающих:
огнеупорные оксиды (в том числе оксид магния, оксид алюминия, оксид кальция, диоксид циркония, оксид хрома, оксид кремния),
бескислородные соединения (в том числе карбиды, бориды, нитриды),
углерод, черные и цветные металлы, в том числе тугоплавкие металлы, органические полимеры.
2. The method of three-dimensional printing of products according to claim 1, in which the powdered material consists of both a single component and a mixture of two or more components, including:
refractory oxides (including magnesium oxide, alumina, calcium oxide, zirconia, chromium oxide, silicon oxide),
oxygen-free compounds (including carbides, borides, nitrides),
carbon, ferrous and non-ferrous metals, including refractory metals, organic polymers.
3. Способ трехмерной печати изделий по п. 1, в котором используют порошкообразный материал с размером частиц 0,02-0,04 мм, или 0,04-0,08 мм, или 0,063-0 мм.3. The method of three-dimensional printing of products according to claim 1, in which a powdery material with a particle size of 0.02-0.04 mm, or 0.04-0.08 mm, or 0.063-0 mm is used. 4. Способ трехмерной печати изделий по п. 1, в котором порошкообразный материал состоит из одного компонента, нескольких или смеси двух и более компонентов в пределах одного слоя. 4. The method of three-dimensional printing of products according to claim 1, in which the powder material consists of one component, several or a mixture of two or more components within the same layer.
RU2014126793/12A 2014-07-01 2014-07-01 Method of three-dimensional printing of products RU2564604C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014126793/12A RU2564604C1 (en) 2014-07-01 2014-07-01 Method of three-dimensional printing of products

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014126793/12A RU2564604C1 (en) 2014-07-01 2014-07-01 Method of three-dimensional printing of products

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2564604C1 true RU2564604C1 (en) 2015-10-10

Family

ID=54289546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014126793/12A RU2564604C1 (en) 2014-07-01 2014-07-01 Method of three-dimensional printing of products

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2564604C1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2641921C2 (en) * 2016-07-14 2018-01-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Башкирский государственный университет" Electrically conductive metal-filled polymer compound for 3d-printing (versions)
WO2018017096A1 (en) * 2016-07-21 2018-01-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Additively formed 3d object with conductive channel
WO2018075032A1 (en) * 2016-10-19 2018-04-26 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional (3d) printing
RU2669135C1 (en) * 2017-12-11 2018-10-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") METHOD OF MANUFACTURING PRODUCTS BY SELECTIVE LASER MELTING OF WC-Co POWDER COMPOSITION
WO2019009908A1 (en) * 2017-07-06 2019-01-10 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional printing with diffuser plate
WO2019013798A1 (en) * 2017-07-13 2019-01-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Replaceable hoppers of a print apparatus
RU2702532C1 (en) * 2018-09-28 2019-10-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Plant for production of part from metal powder material
WO2021194480A1 (en) * 2020-03-24 2021-09-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. 3d printing non-powered compartments with passive latches

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6165406A (en) * 1999-05-27 2000-12-26 Nanotek Instruments, Inc. 3-D color model making apparatus and process
US6243616B1 (en) * 1997-06-30 2001-06-05 Huels Aktiengesellschaft Method and device for producing three-dimensional objects
US6401001B1 (en) * 1999-07-22 2002-06-04 Nanotek Instruments, Inc. Layer manufacturing using deposition of fused droplets
US7020539B1 (en) * 2002-10-01 2006-03-28 Southern Methodist University System and method for fabricating or repairing a part

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6243616B1 (en) * 1997-06-30 2001-06-05 Huels Aktiengesellschaft Method and device for producing three-dimensional objects
US6165406A (en) * 1999-05-27 2000-12-26 Nanotek Instruments, Inc. 3-D color model making apparatus and process
US6401001B1 (en) * 1999-07-22 2002-06-04 Nanotek Instruments, Inc. Layer manufacturing using deposition of fused droplets
US7020539B1 (en) * 2002-10-01 2006-03-28 Southern Methodist University System and method for fabricating or repairing a part

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2641921C2 (en) * 2016-07-14 2018-01-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Башкирский государственный университет" Electrically conductive metal-filled polymer compound for 3d-printing (versions)
WO2018017096A1 (en) * 2016-07-21 2018-01-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Additively formed 3d object with conductive channel
US11565472B2 (en) 2016-07-21 2023-01-31 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Additively formed 3D object with conductive channel
WO2018075032A1 (en) * 2016-10-19 2018-04-26 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional (3d) printing
US11292061B2 (en) 2016-10-19 2022-04-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional (3D) printing
WO2019009908A1 (en) * 2017-07-06 2019-01-10 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional printing with diffuser plate
US11565471B2 (en) 2017-07-06 2023-01-31 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional printing with diffuser plate
WO2019013798A1 (en) * 2017-07-13 2019-01-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Replaceable hoppers of a print apparatus
RU2669135C1 (en) * 2017-12-11 2018-10-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") METHOD OF MANUFACTURING PRODUCTS BY SELECTIVE LASER MELTING OF WC-Co POWDER COMPOSITION
RU2702532C1 (en) * 2018-09-28 2019-10-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Plant for production of part from metal powder material
WO2021194480A1 (en) * 2020-03-24 2021-09-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. 3d printing non-powered compartments with passive latches

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2564604C1 (en) Method of three-dimensional printing of products
Li et al. Additive manufacturing of alumina using laser engineered net shaping: Effects of deposition variables
US11890780B2 (en) Additive manufacturing method and device for ceramic and composite thereof
EP3354380B1 (en) Additive manufacturing system, article, and method of manufacturing an article
CN100404174C (en) A preparation method for rapidly manufacturing functionally graded materials
US6730178B2 (en) Coating method by intermetallic compound
Peleshenko et al. Analysis of the current state of additive welding technologies for manufacturing volume metallic products
CN108723549A (en) A kind of electric arc increasing material manufacturing method
WO2019000523A1 (en) Method and device for rapidly forming component using combined arc fused deposition and laser impact forging
RU2526909C1 (en) Production of metallic article from powder material by layer-by-layer laser synthesis
US20020004105A1 (en) Laser fabrication of ceramic parts
RU2550670C2 (en) Production of metal article by laser cyclic application of powder and unit to this end
Stokes et al. HVOF system definition to maximise the thickness of formed components
RU2674588C2 (en) Method for additive welding and melting manufacture of three-dimensional products and installation for its implementation
Parenti et al. Shape deposition manufacturing of 316L parts via feedstock extrusion and green-state milling
TW201936296A (en) Geometry for debinding 3D printed parts
Parenti et al. Implementation of hybrid additive manufacturing based on extrusion of feedstock and milling
CN115055699A (en) Device and method for droplet composite arc additive manufacturing of particle-reinforced aluminum matrix composites
Zhang et al. Mechanical properties and ablation behavior of ZrB2–SiC ceramics fabricated by spark plasma sintering
CN103600072A (en) Multi-metal liquid injection deposition material-increase manufacturing device
RU139624U1 (en) INSTALLATION OF PRODUCTION BY LASER SINTERING
JPH09111435A (en) Method for monitoring and controlling process for forming film by thermal spraying
EP3766603A1 (en) Method and device for purging an additive manufacturing space
KR20240001325A (en) Laminated metal casting systems and devices
Szczucka-Lasota et al. Selected parameters of micro-jet cooling gases in hybrid spraying process