Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 8

С этой целью реализована автономнаяпараллельная схема охлаждения технологической головы, не зависящая отлазерного излучателя. В результате расчетов, взятых из [37] полученминимально необходимый проток жидкости: не менее 2 л/мин. Он реализован спомощью подбора сечений доставляющих жидкость шлангов.2. Параметры подачи порошкового материала в зону обработки.Формирование газопорошкового потока должно быть равномерным иустойчивым. Параметры, обеспечивающие требуемый поток – расход газов ифракционный состав частиц порошка. Рост расхода газа в широком диапазонерасходов ведет к практически пропорциональному росту скорости частиц, в товремя как размер частиц, влияет главным образом на их распределение в фокусеподающего устройства [38].

Скорость частиц порошка, в свою очередь, влияет50на время пребывания частиц под лазерным лучом в момент подлета к подложке.В зависимости от этой величины, частицы прилетают к подложке либо внагретом, либо в расплавленном состоянии.Регулируя параметры подачи порошкового материала в зону обработки,можно изменять геометрическую форму валиков: коэффициент формы и уголпри вершине валика.3. Помимо указанных особенностей, на геометрические размеры валиковвлияет такой параметр, как диаметр луча лазера в зоне обработки. Чем ширедиаметр луча, тем больше зона подплавления подложки.Впроцессевыращиваниямассивнойдеталичастовозникаетнеобходимость обрабатывать сравнительно простые протяженные участки спростой геометрией: прямоугольные и круглые области без тонких стенок.

Дляповышения производительности такие участки выгоднее наносить с помощьюпятна сравнительно большого диаметра: 2-3 мм. Большой диаметр пятна приэтом не применим для тонких геометрических элементов. Фирма Irepa LASER всвоей машине предусмотрела две технологических головы: для тонких деталейи для производительного процесса. Такая схема – сложная и имеет многопромежуточных операций.

В связи с этим в разработанном комплексеустановлена система оперативного автоматизированного изменения диаметрапятна. Одна технологическая голова способна обеспечить плавное управляемоеизменение диаметра луча от 0,5 до 3,5 мм (Рисунок 2.20). Благодаря этому резковозрастает гибкость системы при выращивании сложного объекта с сочетаниемтонких стенок и массивных объемов металла. Поскольку диаметр изменяетсянапрямую из ЧПУ, в любом слое возможно чередование участков с тонкими иширокими валиками.51Рисунок 2.20.Схема изменения диаметра луча. FL – диаметр луча в фокусе излучения,DF – диаметр лазерного луча на поверхности обработкиДля технологической головы разработана и встроена подобная системаизменения диаметра лазерного луча, управляемая от ЧПУ.

Система является, посути, дополнительной осью, позволяющей корректировать технологическийпараметр «диаметр луча» в любой момент выращивания. Необходимость такойсистемы–повышениепроизводительностиигибкостисистемыпривыращивании деталей из различных материалов и геометрических элементовпеременной толщины. Рассмотрим подробнее принцип ее действия.Система изменения диаметра пятна лазерного луча. В технологическойголове для наплавки установлена подвижная система линз, позволяющихизменять параметры оптической системы. По сигналу от ЧПУ на шаговыйдвигатель, система линз перемещается в необходимое положение, формируя темсамым необходимый на данном этапе выращивания диаметр луча в зонеобработки. Точность системы перемещения задается точностью шаговогодвигателя. Момент от вала двигателя передается через редуктор.

При каждомзапуске система управления обнуляется и выставляет систему линз в положение,обеспечивающее минимальный диаметра луча относительно зоны обработки.Далее по управляющей программе система выставляет требуемый диаметр луча.Время выхода в системы в рабочее состояние составляет не более секунды, чтогораздо быстрее ряда других этапов процесса, таких как, например, выставление52требуемого расхода порошка и стабилизация газового потока в технологическойголове.Идея управления диаметром луча отражена и закреплена патентом РФ №2488861 от 29.06.2012 года «Способ изменения диаметра перетяжки выходноголазерного пучка на фиксированном расстоянии от лазера» [39].

В разработанномкомплексе описанная система для аддитивного процесса реализована впервые.Кроме того, данная система, благодаря широкому диапазону измененияпараметров луча, позволяет проводить такие технологически операции, каклазерная термообработка и лазерная полировка поверхности. Изменяемыйдиаметр пятна и высокая мощность лазерного излучателя, при обеспечениикачественнойзащитыинертнымгазом,позволяютпроводитьданныетехнологические операции как совместно с выращиванием, так и независимо отнего.2.4. Программное обеспечение комплексаБольшинство комплексов предусматривают собственную программуподготовки траектории.

Так, фирма IrepaLaser (Франция) разработали программуPower CLAD, Optomec (США) – программу для подготовки траектрии WorkStation Control. Программа предназначена для того, чтобы обеспечить полнуюподготовку кода от создания модели до завершения процесса выращивания.Разбиение модели в созданном для отечественного комплекса ПОпроисходит поэтапно. На предварительном этапе происходит созданиетрехмерной модели детали, необходимой для выращивания. Модель может бытьлибо импортирована из одного из распространенных форматов, либо построенанепосредственно в программе.Далее происходит выбор объемов разбиения на слои с указаниемплоскости выращивания в каждом из объемов. Помимо разбиения, необходимоуказать последовательность выращивания – по сути, назначить порядковыйномер выращиваемого объема (Рисунок 2.21). Здесь же оператор может выбратьпараметры процесса из базы данных или установить новые параметры, с53возможностью их сохранения.

Поддерживаемые параметры выращиванияуказаны в Таблице 6. Параметры выращивания, относящиеся к каждомуконкретному порошковому материалу, могут быть сохранены в отдельную базуданных. Благодаря этому при использовании известного материала процесснастройки на технологию существенно сокращается. При использовании новогоматериала необходимо брать наиболее близкий к нему аналог по химическомусоставу и, после корректировки и испытаний заносить новый материал в базуданных.Таблица 6.Параметры технологического процесса, задаваемые через базу данныхМатериалЕдиница измерения1.Размер фракциимкм2.Мощность лазерного излучения наВтконтуре3.Мощность лазерного излучения вВтобъеме4.Скорость перемещениямм/с5.Кратность телескопакрат6.Расстояние между валикамимм7.Расход порошкаг/мин8.Толщина выращиваемого слоямм9.Отступ контура относительноммосновного объема10.

Зазор от среза сопла доповерхности подложкимм54а)б)Рисунок 2.21.Рассеченный по слоям объект. а – вид рабочего окна,б – рассечение по слоямДля каждого слоя обработки проводится разбиение на отдельныетраектории – по внутренним линиям и по контуру выращиваемой геометрии.Обход слоя по контуру реализуется различными механизмами (Рисунок 2.22) –по спирали, по меандру или змейкой. В различных случаях тот или иной способпозволяет оптимизировать процесс выращивания.55Рисунок 2.22.Различные стратегии обхода при выращивании слоя:а - растровая, б – двунаправленная, в – спиральная наружу,г – спиральная внутрьПосле полного разбиения объема, подлежащего выращиванию, траекторияпреобразуется в G-код с помощью постпроцессора. Файл готов к загрузке в ЧПУи запуску процесса выращивания. Система позволяет эмулировать процессвыращивания без использования самой машины.

При выращивании в режимепятиосевого перемещения такая функция позволяет существенно обезопаситьтехнологическую оснастку от повреждений и ускорить процесс отработкитехнологии создания новой детали.Разработанное программное обеспечение позволяет выполнять, помимопроцедуры выращивания, восстановление существующей геометрии. Главныеотличия такой процедуры от традиционного выращивания – отсутствие слояперехода (поддержек) и необходимость обработки по сложному контуру,записанному в программу в качестве подложки. Подготовка трехмерной моделивключает создание идеальной детали, которую необходимо получить, ивыделение на ней участков, подлежащих выращиванию. Поскольку даннаяработа посвящена выращиванию сложных объектов из компьютерной модели,56рассмотрим данный метод подробно с точки зрения подготовки программыобработки.В данном режиме работы программа по готовой 3D–модели в форматеSTEP, IGES, Inventor, SolidWorks и т.д.