СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ ПОРОШКА

Название	СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ ПОРОШКА
Разработчик (Авторы)	Львов Д.Э.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2699761
Дата регистрации	10.09.2019
Правообладатель	Львов Денис Эрнестович

Описание изобретения

Способ изготовления детали из порошка относится к области электротехники. В частности, к обработке материалов и получению плоских или объемных изделий как из металла, так и пластика, керамики, металлопластика и металлокермики с помощью СВЧ-нагрева.

Назначением является способ, использующий средства нагрева за счет микроволнового излучения для спекания или сплавления материалов, как керамических, пластмасс, так и металлических порошков.

Из уровня техники известно изобретение «Способ изготовления шлифовальной головки стоматологического инструмента», патент RU 2 005 436, опубл. 15.01.1994, МПК А61С 3/02, в котором на абразивную смесь одновременно воздействуют ультразвуком с электромагнитным полем, затем прекращают воздействие. Способ применяют для нанесения абразива на инструмент тонким слоем. Используется при обработке металлов. Однако не ставится задача - получить покрытие сложной формы, поэтому греют все покрытие в целом, обеспечивая его прочную адгезию с инструментом.

Известно изобретение «Способ уплотнения керамических материалов под воздействием сантиметровых электромагнитных волн и сосуд для осуществления этого способа» патент RU 2 313 508, опубл. 27.12.2006, к.пр. 19.07.2002 (пп. 1-6, 11-21) DE 10232818.8; 20.11.2002 (пп. 7-10) ЕР 02025674.9, МПК С04В 35/64; Н05В 6/6, в котором спекаемый материал подвергают воздействию энергии СВЧ-излучения, испуская в режиме многомодовой генерации электромагнитные волны с длиной волны в вакууме от 5 до 20 см при мощности электромагнитного излучения вплоть до 1 кВт. Позволяет снизить расходуемую на его осуществление энергию и повысить однородность нагрева спекаемого материала. Однако не ставится задача создания новых изделий, а только осуществляют термическое уплотнение пористых изделий. Способ трудоемкий, так как требует вакуумизации сосуда. Кроме того, может быть применен только для изделий определенной пористости. Требует материала, который обладает малой теплопроводностью и одновременно высоким коэффициентом пропускания сантиметровых волн. Не позволяет задавать нужную геометрическую форму уплотнения, а, следовательно, и не может из порошка «выпекать» изделия требуемой формы. Способ использует диапазон длин волн только от 5 до 20 см и имеет большие ограничения по материалам.

Известно изобретение «Способ спекания керамического изделия большого размера с использованием нагрева микроволновым излучением», патент RU 2 315 443, опубл. 20.01.2008, МПК Н05В 6/64; Н01В 3/12, в котором микроволновое излучение формируют в виде волнового пучка и используют микроволновое излучение регулируемой мощности с частотой не менее 2,45 ГГц. Относится к способу спекания с помощью СВЧ-нагрева. Позволяет повысить однородность распределения температуры внутри спекаемого изделия большого размера в процессе спекания. Однако позволяет применять этот способ только для изделий большого размера, а также регулирование мощности СВЧ-нагрева при таком способе осуществляется за счет изменения свойства теплопроводности материалов, т.е. искусственно снижают температуру нагрева частиц для равномерного распределения температуры. В отличие от предлагаемого способа, регулирование мощности излучения не позволяет задавать нужную геометрическую форму спекания путем осуществления нагрева в точках, соответствующих геометрии детали.

Известно изобретение «способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления», патент RU 2 539 135, опубл. 10.09.2013, МПК B22F 3/105, в котором имеется рабочая камера, рабочий бункер с поршнем, перемещающим слой порошка и изделие в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка. Это позволяет сканировать заданную область порошкового слоя с малым пятном фокусировки, что позволяет послойно спекать изделие заданной конфигурации. Однако собственно спекание осуществляют лазерным излучением, что приводит к большим энергозатратам и сложности обеспечения температурного режима поверхностного слоя, а также невозможности спекать порошки с высоким коэффициентом светового отражения. В данном способе обеспечивают совмещение источника СВЧ-излучения с областью сканирования лазерным излучением только для предварительного нагрева порошка. СВЧ-излучением воздействуют только на поверхности, облучаемые лазером. Однако совмещение этих двух источников используют только для предварительного нагрева общей массы порошка СВЧ-излучением, так как не могут сфокусировать нагрев СВЧ-излучением в требуемых точках, поэтому собственно непосредственное спекание осуществляют лазером. Таким образом, данный способ позволяет обеспечить температурный режим только поверхностного слоя. Вследствие этого в изделии малый размер пятна облучения и соответственно высокие градиенты температуры в области спекания/плавления приводит к образованию пор и трещин. В результате этого имеет место нарушение однородности схватывания порошка по всему объему насыпки. Кроме того, в данном способе невозможно нагревать порошки с высокой отражающей способностью, так как луч лазера будет отражаться от них.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Устройство для спекания керамического изделия с использованием нагрева микроволновым излучением», патент RU 2 334 376, опубл. 20.09.2008 Бюл. №26, МПК Н05В 6/64, которое и взято за прототип. В данном устройстве имеется соединенная с источником микроволнового излучения камера для спекания. В отличие от предложенного технического решения, в данном изобретении в камеру размещают уже сформированную заготовку (имеющую требуемую форму), которую затем спекают или сплавляют. Поэтому в данном изобретении ставится техническая задача повышения температурной однородности в объеме спекаемого изделия за счет локального перегрева узкой области по краю (периметру) пластины вследствие дифракционных эффектов электромагнитных волн микроволнового диапазона. Однако этот дифракционный эффект используют для борьбы с потерями тепла с поверхности спекаемого изделия. Неоднородное распределение температуры в изделии как фактор для формирования нужной конфигурации детали не используется, а с ним борются. В предложенном способе существенно усложняют процесс спекания в результате необходимости сложного расчета и регулировки соотношений между энергией, выделяемой при поглощении микроволнового излучения в заготовке спекаемого изделия, и энергией, выделяемой в поглощающем кожухе.

Изобретательской задачей предложенного технического решения является создание способа изготовления детали из порошка с использованием СВЧ-излучения.

Требуется получать детали сложной формы, как плоские, так и объемные. Для этого в настоящее время используют 3D-принтеры, например, путем наплавления проволоки, где между поверхностью и подающей головкой прикладывают электрический ток. Однако такой способ можно применять только для получения металлических изделий, и при этом получают низкую точность, не выше, чем 2-3 диаметра проволоки, и, кроме того, присадочный материал (металл проволоки) транспортируется через электрическую дугу, что вызывает его разбрызгивание.

В других известных методах нанесение материала на деталь осуществляют в виде порошка послойно с последующим его нагревом в заданных точках. Спекание осуществляют, например, методом селективного лазерного спекания (SLS). В этом случаем можно нагреть порошок до состояния спекания, но не плавления, в результате чего получают деталь не точной, рыхлой (2-3 размера частиц порошка) и не прочной. Если греть порошок методом селективной лазерной плавки (SLM) до состояния плавления, тогда деталь будет прочнее, однако в процессе плавки образуется микрованна из расплавленного материала, что приводит к высоким не скомпенсированным термическим напряжениям, искажениям формы и обрастанию в этом месте детали «шубой» из прилипшего порошка, что также снижает точность детали. Кроме того, при нагреве лазером энергия для разогрева передается светом (длиной волны в диапазоне ИК спектра), этот процесс имеет очень низкий КПД и производительность (из-за малого диаметра пятна фокусировки и ограничения по максимальной плотности энергии условиям оптического пробоя), кроме того эффективность нагрева будет сильно зависеть от отражающей способности, формы, и даже ориентации частиц порошка. Если поверхность частицы хорошо отражает лазерный луч, то нагрева не произойдет. Это особенно актуально для металлических порошков.

Используют также метод ЕВМ (селективная плавка пучком электронов), в котором нагрев частиц порошка осуществляется за счет удара пучка электронов. При использовании этого метода деталь получают плотной и прочной, прочность сходна с прочностью при литье, однако остается проблема налипания близлежащих частиц в виде «шубы» и очень низкая производительность (большой диаметр пучка не получить), зато отражающая способность и ориентация частиц порошка не играют значения, так как энергию передают через кинетический удар одних частиц (например, электронов) о другие частицы (порошка). Этот метод можно реализовать с помощью электронно-лучевой пушки, в которой образуется поток электронов. Однако длина свободного пробега электронов в воздухе не превосходит 2,5 мм, следовательно, придется ваукумизировать всю рабочую камеру, в которой получают деталь. Поэтому такой метод для промышленного производства очень дорог и сложен. Кроме того, в процессе плавки, на больших мощностях, при торможении пучка электронов помимо тепла часть их энергии переходит в рентгеновское изучение, что вредно для персонала. Следовательно, возникает необходимость помимо герметизации камеры обеспечивать биологическую защиту от радиации. Поэтому не достигается получение прочной, точной детали сложной формы из порошка при высокой энергоэффективности этого способа с одновременным формированием геометрии детали.

Требуется создать метод получения детали из порошка с хорошими прочностными характеристиками и точную при конфигурациях детали любой сложности. Кроме того, требуется обеспечить при способе спекания или сплавления нагрев частиц порошка в заданных точках при отсутствии чувствительности метода к отражающей способности материала, форме и ориентации частиц.

Требуется обеспечить возможность оперативно изменять размер зоны нагрева для повышения производительности и скорости спекания/расплава в зоне нагрева, которая обеспечит объемный нагрев в данной зоне без конвективного переноса тепла в соседние зоны, что ведет к образованию «шубы».

Необходимо обеспечить спекание или сплавление частиц по выбору в зависимости от регулировки мощности, обеспечивающей требуемую прочность детали сложной плоской или объемной формы. Кроме того, требуется обеспечить возможность использования предложенного метода благодаря его дешевизне и низкой энергоемкости не только в промышленном производстве, но и в домашних условиях, поскольку метод должен быть безопасен, прост и дешев в употреблении. Более того, желательно на одной и той же установке обеспечить возможность сплавления/спекания любых порошков, например, металла, пластика, керамики и т.п.

Предложенный способ решает поставленные задачи при его реализации. Таким образом, предложенным способом достигают технического результата в виде получения прочной, точной детали сложной формы из порошка, состоящего как из материала диэлектрика, так и из токопроводящих материалов, при высокой энергоэффективности этого способа.

Данный технический результат достигают следующим образом. Способ изготовления детали из порошка, включает размещение порошка с размером частиц не более 1 мм в рабочую камеру с воздушной, газовой, жидкой или твердой транзитной средой с СВЧ-полем. Отличает данный способ от известных, что обеспечивает его новизну то, что размер частиц порошка взят не более 1 мм. Порошок может быть размещен в воздушную, газовую, жидкую или твердую среду. Важно, чтобы либо данная среда, либо сам порошок имел полярные молекулы. Осуществляют воздействие на порошок зонами повышенной интенсивности СВЧ-излучения. Новизна способа заключается в том, чтобы создать в объеме рабочей камеры СВЧ-поле с мощностью СВЧ-излучения от 100 Вт до 150 МВт и частой от 1 ГГц до 10 ТГц, в зависимости от физических свойств порошка, величины, степени точности и сложности геометрических форм спекаемой/сплавляемой детали. При этом осуществляют формирование в созданном СВЧ-поле зон с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения, в которых получают соответствующие зонам с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения зоны разогрева порошка, по форме повторяющие точечный или плоский срез (сечение) или пространственный образ детали. Интенсивность СВЧ-излучения в этих зонах достаточна для выделения тепловой энергии для разогрева порошка до температуры его спекания/сплавления с учетом первоначальной температуры порошка и осуществляют спекание или сплавление порошка и получение детали за счет выделившейся тепловой энергии в зонах разогрева порошка.

Важно, чтобы в созданных зонах разогрева порошка нагрев осуществлялся достаточно быстро для того, чтобы конвективный перенос тепла в соседние зоны не успел оказать существенного влияния. Для этого обеспечивают регулирование (получение) мощности СВЧ-излучения в зоне нагрева.

В частном случае, как пример реализации предложенного обобщенного способа может быть применен способ изготовления детали из порошка, в котором повышенную интенсивность СВЧ-излучения, достаточную для разогрева порошка до температуры спекания/сплавления получают при выделении тепловой энергии в результате поглощения СВЧ-излучения в зонах повышенной интенсивности. Расположение этих зон соответствует голографическому объемному образу детали и задается (определяется) интерференционной матрицей, а интерференционная матрица представляет собой облучаемую СВЧ-излучением пластину с запрограммированным голографическим интерференционным образом получаемой детали и размещена в рабочей камере относительно источника СВЧ-излучения так, чтобы СВЧ-излучение падало и освещало интерференционную матрицу или проходило сквозь нее.

Во втором частном случае способа изготовления детали из порошка тепловую энергию получают посредством провоцирования в заданной зоне СВЧ-пробоя, являющейся зоной разогрева порошка. Разогрев в этом случае происходит при повышении в этой зоне (пробоя) напряженности СВЧ-поля выше критической. Повышение напряженности вызывают путем подведения к этой зоне либо виртуального резонатора, полученного путем фокусировки ионизирующего ультрафиолетового (УФ) светового/лазерного потока с помощью линзы, либо подведения к этой зоне твердого резонатора специальной формы. Резонатором может выступать, например, любой предмет удлиненной формы, либо предмет в форме разрезного кольца. Размер резонатора выбирают в зависимости от длины волны. А длину волны выбирают в зависимости от степени детализации (разрешающей способности печати) спекаемой/сплавляемой детали. При этом, по меньшей мере, один резонатор перемещают в пространстве над соответствующим слоем порошка, создавая (организовывая) зоны разогрева порошка, в которых осуществляют спекание/сплавление порошка в точках (зонах), соответствующих геометрическому месту точек заданного плоского слоя (сечения) объемной детали.

В контексте данной заявки применяют следующую терминологию.

Голографический интерференционный образ детали - это плоская картина на пластине или голографической матрице, предназначенная для восстановления объемного образа детали при облучении опорным СВЧ-излучением, представляющая из себя набор интерференционных («темных» и «светлых») полос.

Голографический объемный образ детали - объемное изображение (голограмма), эквивалент детали, представляющий собой вариации интенсивности и фазы СВЧ-излучения в пространстве рабочей камеры.

Под термином голография в данном контексте понимают метод восстановления с помощью излучения объемного образа по его интерференционной картине независимо от использованного вида излучения, в частном случае, с использованием СВЧ-излучения.

Под термином транзитная среда понимают газ, жидкость, другой порошок, гель или что-то иное (наполнитель), в котором размещают порошок, из которого получают деталь.

Порошок - рабочий материал, из которого формируют деталь.

Под термином разрешение - применено понятие аналогичное оптической разрешающей способности, т.е. минимально возможного размера отдельных зон разогрева в объеме или на плоскости.

СВЧ-излучение, так же как и террагерцовое излучение, представляет собой электромагнитное излучение, т.е. совокупность волн, колебания в которых совершают напряженность электрического и магнитного полей. Электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля, поток которой определяется величиной вектора Пойнтинга.

При этом интенсивность электромагнитного излучения равна усредненному за период значению модуля вектора Пойнтинга. Таким образом, в рассматриваемом случае интенсивность - это скалярная физическая величина, количественно характеризующая мощность, переносимую волной в направлении распространения. Численно интенсивность равна усредненной за период колебаний волны мощности излучения, проходящей через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны и имеет размерность в системе СИ Вт/м².

Предложенным способом осуществляют организацию объемного поглощения микроволновой энергии внутри массы порошка в зонах повышенной интенсивности СВЧ-излучения, где в массе порошка организован и находится независимый источник лучевого нагрева без конвективного переноса на соседние зоны.

Такие зоны характеризуются микроволновым нагревом, который обусловлен объемным поглощением микроволновой энергии большинством материалов либо самого порошка, либо той среды, в которой порошок размещен. Микроволновый нагрев отличается двумя основными особенностями. Предложенный результат достигается за счет того, что, с одной стороны, при поглощении микроволновой энергии во всем объеме изделия отсутствует необходимость в передаче тепла за счет теплопроводности, с другой стороны, скорости нагрева микроволновым излучением возможно существенно увеличивать.

Предложенный способ реализовывается следующим образом. В рабочей камере размещают порошок с размером частиц не более 1 мм. Порошок может быть в транзитной среде из любого газа или жидкости. Порошок также может размещаться в твердой транзитной среде. Например, быть в сочетании с другим порошком, заключен в твердом теле, или просто заполнять всю рабочую камеру только порошком, из которого изготавливают изделие. Основным является наличие хотя бы у одного из компонентов полярных молекул, обеспечивающих поглощение СВЧ-излучения и выделение тепла. Наилучший результат получают, если порошок в транзитной среде размещен равномерно. В рабочей камере с помощью источника, например, мазера, магнетрона или клистрона и т.п. создают СВЧ-поле с мощностью СВЧ-излучения от 100 Вт до 150 МВт и частой от 1 ГГц до 10 ТГц. Мощность потребного СВЧ-излучения зависит от физических свойств порошка, например его тугоплавкости, а также от величины получаемой детали. Поскольку известно, что длина волны определяет разрешающую способность, а длина волны СВЧ-излучения зависит от частоты, то чем ниже частота - тем больше размер минимально-возможного элемента детали, и соответственно ниже точность. Для изготовления более сложных и точных деталей требуется длина волны меньше, что достигается большей частотой. Далее СВЧ-излучение требуется «сфокусировать» в тех точках (зонах), в которых спеченные/сплавленные частицы порошка будут соответствовать геометрическим формам получаемой детали. Для этого требуется управлять зонами с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения путем увеличения в этих зонах интенсивности СВЧ поля, что приведет к увеличенному выделению тепла в этих зонах. Повышение интенсивности СВЧ-излучения в нужных зонах получают за счет использования эффектов волновой оптики - интерференции и дифракции электромагнитных волн, где два и более вектора распространения волн складываются в одном направлении и в той степени, в которой эти направления совпадают. Картина зон с повышенной интенсивность СВЧ-излучения в рабочей камере с порошком и транзитной средой должна соответствовать геометрии детали. Тогда внутри массы частиц порошка, возникнут зоны повышенной интенсивности СВЧ-излучения, в которых за счет объемного поглощения микроволновой энергии возникнут зоны повышенного тепловыделения, которые разогреют порошок до температуры достаточной для спекания или сплавления ближних частиц порошка без конвективного переноса тепла на соседние зоны порошка. При этом в соседних зонах порошка температура нагрева не будет достаточной, чтобы спечь/сплавить порошок, т.е. не будет слипания частиц в этих зонах. Если материал порошка недостаточно энергоемкий, то зона разогрева образовывается за счет энергоемкости транзитной среды в этой зоне. Таким образом, влияя на геометрические характеристики (фазу, амплитуду, направление поляризации, вращение и прочие волновые характеристики) поля СВЧ-излучения в этих точках, повышение температуры будет только в нужной точке, а вокруг нее интенсивность излучения будет недостаточной для спекания/сплавления.

Наиболее точные и сложные по конфигурации детали можно получить при обеспечении разрешения меньше миллиметра, т.е. для таких деталей необходимо использовать электромагнитное излучение в террагерцовом диапазоне.

Необходимую геометрию зон разогрева можно создать с помощью интерференционной матрицы по аналогии с технологиями получения голограммы (голографических образов).

Поскольку законы волнового распространения и взаимодействия едины для всех видов и длин волн любого диапазона (и для видимого диапазона частот, и для радиочастот, и для рентгеновских частот, а также и для СВЧ частот), так как все они являются электромагнитными волнами, то принципы голографического построения образов применимы и к лазерному излучению и к СВЧ-излучению.

Способ иллюстрируется чертежами, которые не охватывают всех возможных вариантов реализации способа.

На Фиг. 1 - показан аппарат спекания/сплавления, с помощью которого возможно реализовать предложенный способ с использованием голографического объемного образа детали.

На Фиг. 2 - показаны аппараты спекания/сплавления, с помощью которых возможно реализовать предложенный способ с использованием провоцирования в заданной зоне СВЧ-пробоя с помощью резонатора; 2а - аппарат с физическим резонатором на каретке; 2б - аппарат с виртуальным резонатором на каретке; 2в - аппарат с виртуальным резонатором с отклоняющей оптической системой.

Формула изобретения

1. Способ изготовления детали из порошка, включающий размещение порошка с размером частиц не более 1 мм в воздушную, газовую, жидкую или твердую транзитную среду с СВЧ-полем, которые размещены в рабочей камере, воздействие на порошок зонами повышенной интенсивности СВЧ-поля, отличающийся тем, что способ включает создание в объеме рабочей камеры СВЧ-поля с мощностью СВЧ-излучения от 100 Вт до 150 МВт и частотой от 1ГГц до 10 ТГц, в зависимости от физических свойств порошка, величины, степени точности и сложности геометрических форм спекаемой детали, формирование в созданном СВЧ-поле зон с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения, в которых получают соответствующие зонам с повышенной интенсивностью СВЧ-излучения зоны разогрева порошка, по форме повторяющие точечный или плоский срез или пространственный образ детали, интенсивность СВЧ-излучения в этих зонах достаточна для выделения тепловой энергии для разогрева порошка до температуры его спекания с учетом первоначальной температуры порошка, и осуществляют спекание или сплавление порошка и получение детали за счет выделившейся тепловой энергии в зонах разогрева порошка.

2. Способ изготовления детали из порошка по п. 1, отличающийся тем, что достаточная для разогрева порошка до температуры спекания тепловая энергия, выделяется в результате поглощения СВЧ-излучения в зонах повышенной интенсивности, расположение которых соответствует голографическому объемному образу детали и задается интерференционной матрицей, интерференционная матрица представляет собой облучаемую СВЧ-излучением пластину с запрограммированным голографическим интерференционным образом получаемой детали и размещена в рабочей камере относительно источника СВЧ-излучения так, чтобы СВЧ-излучение освещало интерференционную матрицу или проходило сквозь нее.

3. Способ изготовления детали из порошка по п. 1, отличающийся тем, что тепловую энергию получают посредством провоцирования в заданной зоне СВЧ-пробоя, являющейся зоной разогрева порошка, который происходит при повышении в этой зоне напряженности СВЧ-поля выше критической, повышение напряженности вызывают путем подведения к этой зоне либо виртуального резонатора, полученного путем фокусировки ионизирующего светового или лазерного потока линзой, либо твердого резонатора, при этом, по меньшей мере, один резонатор перемещают в пространстве над соответствующим слоем порошка, создавая зоны разогрева порошка, в которых осуществляют спекание или сплавление порошка в точках, соответствующих геометрическому месту точек заданного плоского слоя объемной детали.

Изобретение "СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ ПОРОШКА" (Львов Д.Э.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога