BR202019016966U2

BR202019016966U2 - powder bed melting and / or sintering equipment

Info

Publication number: BR202019016966U2
Application number: BR202019016966-0U
Authority: BR
Inventors: Jose Maria Mascheroni; Arthur Alvarez Mascheroni; Ana Maria Navarro Barbosa; Arthur Raulino Kretzer
Original assignee: Jose M Mascheroni; Arthur Alvarez Mascheroni
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2019-08-15
Publication date: 2021-02-23

Abstract

A presente patente de modelo de utilidade, refere-se a um modelo construtivo para máquinas de manufatura aditiva podendo ser aplicada, mas não exclusivamente, em máquinas de fusão seletiva a laser (SLM) e sinterização seletiva a laser (SLS). No modelo construtivo aqui proposto todas as partes fixas e móveis do equipamento estão dentro da área inertizada, possibilitando manter a atmosfera interna em valores de até 1ppm de impurezas com baixo consumo de gás. Este tipo de modelo construtivo pode ser também utilizado para injetar gás inerte a pressões superiores a pressão atmosférica com a finalidade de ajudar no aumento da densidade da peça impressa enquanto o pó está sendo fundido e/ou sinterizado.

The present utility model patent refers to a constructive model for additive manufacturing machines that can be applied, but not exclusively, to selective laser fusion (SLM) and selective laser sintering (SLS) machines. In the constructive model proposed here, all the fixed and mobile parts of the equipment are within the inertized area, making it possible to maintain the internal atmosphere at values of up to 1ppm of impurities with low gas consumption. This type of construction model can also be used to inject inert gas at pressures higher than atmospheric pressure in order to help increase the density of the printed part while the powder is being melted and / or sintered.

Description

DUST BED FUSION AND / OR SINTERING EQUIPMENT

Technical field

[001] A presente patente de modelo de utilidade, refere-se a um modelo de construção para máquinas de manufatura aditiva podendo ser aplicada, mas não exclusivamente, em máquinas de fusão seletiva a laser (SLM) e sinterização seletiva a laser (SLS). O modelo construtivo aqui proposto possui a finalidade de resolver problemas técnicos existentes aprimorando o processo de fabricação em relação ao estado da arte devido ao fato de que a geometria de construção descrita na presente patente permite um controle de estanqueidade mais eficiente e também a possibilidade de elevar a pressão interna da câmara acima da atmosférica com a finalidade de contribuir na densificação da peça final durante o processo de sinterização/fusão do pó, além disso, o controle de pressão é realizado no interior de toda a câmara.[001] The present utility model patent refers to a construction model for additive manufacturing machines that can be applied, but not exclusively, to selective laser fusion (SLM) and selective laser sintering (SLS) machines . The constructive model proposed here has the purpose of solving existing technical problems by improving the manufacturing process in relation to the state of the art due to the fact that the construction geometry described in the present patent allows a more efficient tightness control and also the possibility of raising the internal pressure of the chamber above atmospheric in order to contribute to the densification of the final part during the powder sintering / melting process, in addition, pressure control is carried out inside the entire chamber.

State of the art

[002] Poucas aplicações foram desenvolvidas nesta área, porém, existem registros nas áreas de controle de temperatura da câmara de fabricação de maquinas de manufatura aditiva. Algumas patentes tratam do tema, mas com soluções para problemas de outros campos da técnica e não para a fabricação através da manufatura aditiva ou impressão 3D de metais, polímeros e cerâmicas.[002] Few applications have been developed in this area, however, there are records in the temperature control areas of the manufacturing chamber for additive manufacturing machines. Some patents address the issue, but with solutions to problems in other fields of technique and not for manufacturing through additive manufacturing or 3D printing of metals, polymers and ceramics.

[003] As patentes pesquisadas são apresentadas a seguir:

• US5658412 - Method and apparatus for producing a threedimensional object
• US9770760B2 Method and apparatus for three-dimensional additive manufacturing with high nergy and high power ultrafast laser
• US9950366B2 Apparatus for additive manufacturing.
• US10124408B2 Additive manufacturing method and apparatus
• WO2016062714A1 Additive manufacturing method and apparatus
• US4398702 Metalurgical furnance
• US4830342 High pressure sintering furnance

[003] The patents surveyed are presented below:

Technical problem

[004] As máquinas de fusão e sinterização seletiva a laser (SLM e SLS) produzem objetos fabricados camada a camada utilizando um material em pó como matéria-prima. Durante o processo, a solidificação das camadas se dá através da utilização de um feixe de luz laser focalizado seletivamente na superfície do pó.[004] Selective laser fusion and sintering machines (SLM and SLS) produce objects manufactured layer by layer using a powdered material as raw material. During the process, the solidification of the layers occurs through the use of a beam of laser light selectively focused on the surface of the powder.

[005] O funcionamento desse tipo de equipamento é, basicamente, do seguinte modo: nos processos SLS e SLM objetos sólidos tridimensionais, praticamente de qualquer geometria, são fabricados a partir de um modelo digital. É utilizado um processo aditivo onde camadas sucessivas de material particulado são aplicadas e posteriormente fundidas e/ou sinterizadas seletivamente através de radiação laser até formar a peça.[005] The operation of this type of equipment is basically as follows: in the SLS and SLM processes, three-dimensional solid objects, of virtually any geometry, are manufactured from a digital model. An additive process is used where successive layers of particulate material are applied and subsequently melted and / or selectively sintered by laser radiation until the part is formed.

[006] O primeiro passo na fabricação de uma peça é o projeto da mesma em um software CAD (do inglês, Computer Aided Design) de modelagem tridimensional, exportando o arquivo final em formato STL (do inglês, Standard Triangle Language) ou compatível. O software do equipamento em questão importa o arquivo STL e fatia o sólido em camadas. A Figura 1 descreve estas etapas onde (1) ilustra o modelo CAD da peça, (2) o arquivo em formato STL e (3) o fatiamento da peça.[006] The first step in the manufacture of a piece is the design of it in a CAD software (in English, Computer Aided Design) with three-dimensional modeling, exporting the final file in STL format (in English, Standard Triangle Language) or compatible. The equipment software in question imports the STL file and slices the solid into layers. Figure 1 describes these steps where (1) illustrates the CAD model of the part, (2) the file in STL format and (3) the slicing of the part.

[007] No interior do equipamento, o material em pó é solidificado através da sinterização/fusão seletiva produzida por um feixe laser guiado através de um sistema de espelhos móveis (escâner galvanômetro) e focalizado por uma lente do tipo “f-theta” ou uma lente móvel localizada antes dos espelhos do escâner. O feixe faz uma varredura na superfície do pó correspondente a geometria daquela camada. Uma vez que a respectiva camada foi fundida e/ou sinterizada, a plataforma de fabricação desce o equivalente a mais uma camada, a plataforma de alimentação sobe para alimentar o pó de mais uma camada mais uma percentagem de segurança e a segunda camada de pó é depositada na área de fabricação através do deslocamento do espalhador. Novamente, o laser realiza a varredura unindo as partículas entre si com a camada inferior. O pó excedente do preenchimento da área de fabricação é depositado na área de descarte. Este procedimento repete-se até a última camada. Se necessário, aquecedores infravermelhos elevam a temperatura da camada de pó até um valor adequado para o processo.[007] Inside the equipment, the powder material is solidified through selective sintering / melting produced by a laser beam guided through a system of moving mirrors (galvanometer scanner) and focused by a lens of the type "f-theta" or a moving lens located before the scanner mirrors. The beam scans the surface of the powder corresponding to the geometry of that layer. Once the respective layer has been melted and / or sintered, the manufacturing platform descends the equivalent of one more layer, the feeding platform rises to feed the powder of one more layer plus a percentage of safety and the second layer of powder is deposited in the manufacturing area by moving the spreader. Again, the laser scans by joining the particles together with the bottom layer. Excess dust from filling the manufacturing area is deposited in the disposal area. This procedure is repeated until the last layer. If necessary, infrared heaters raise the temperature of the dust layer to an appropriate value for the process.

[008] Como matéria-prima para este processo são utilizados diferentes tipos de pós metálicos, cerâmicos e poliméricos. Dentre as matérias primas metálicas podemos citar Ligas de Alumínio, Aço inoxidável e Aço ferramenta, Ligas de Titânio, Superligas de Cromo-Cobalto e Superligas de Níquel (Inconel). Algumas das matérias primas cerâmicas são alumina, sílica, zircônia e dentre as matérias primas poliméricas podemos citar poliamida, poliuretanos, polipropilenos e polietilenos. Normalmente este tipo de equipamento processa o material em uma câmara com atmosfera inerte para evitar a oxidação das partículas do pó fundidas e/ou sinterizadas pelo laser na presença de oxigênio. A quantidade mínima de oxigênio necessária para o correto processamento do material utilizado como matéria-prima, depende das características do cada material, podendo variar de 0 até 1000ppm de concentração de oxigênio mínima.[008] As raw material for this process, different types of metallic, ceramic and polymeric powders are used. Among the metallic raw materials we can mention Aluminum Alloys, Stainless Steel and Tool Steel, Titanium Alloys, Chrome-Cobalt Superalloys and Nickel Superalloys (Inconel). Some of the ceramic raw materials are alumina, silica, zirconia and among the polymeric raw materials we can mention polyamide, polyurethanes, polypropylene and polyethylene. Usually this type of equipment processes the material in a chamber with an inert atmosphere to prevent oxidation of the powder particles fused and / or sintered by the laser in the presence of oxygen. The minimum amount of oxygen necessary for the correct processing of the material used as raw material, depends on the characteristics of each material, and can vary from 0 to 1000ppm of minimum oxygen concentration.

[009] A qualidade da peça final fabricada por estes processos depende, dentre outras coisas, do controle da qualidade da inertização da atmosfera. Os equipamentos existentes possuem uma câmara que deve ser pressurizada para evitar problemas durante a fabricação das peças. Nesta mesma câmara, existem também, ao menos, um êmbolo que regula a altura da camada a ser processada e outro êmbolo para alimentação de pó. Estes itens, por sua vez, tem contato com a parte da máquina não inertizada. Isolar estes mecanismos para que a atmosfera de trabalho seja uniforme e controlada visando, entre outras coisas, reduzir o consumo do gás inerte demanda complicados sistemas de vedação de relativa eficiência.[009] The quality of the final part manufactured by these processes depends, among other things, on the quality control of the inertization of the atmosphere. The existing equipment has a chamber that must be pressurized to avoid problems during the manufacture of the parts. In this same chamber, there are also at least one plunger that regulates the height of the layer to be processed and another plunger for powder feeding. These items, in turn, have contact with the non-inertized part of the machine. Isolating these mechanisms so that the working atmosphere is uniform and controlled in order, among other things, to reduce the consumption of inert gas requires complicated sealing systems of relative efficiency.

[010] Um outro problema encontrado neste tipo de processos é a existência de uma porosidade residual na peça final fabricada, sendo necessário, em alguns casos, processos posteriores como prensagem isostática.[010] Another problem found in these types of processes is the existence of residual porosity in the final manufactured part, being necessary, in some cases, later processes such as isostatic pressing.

Technical solution and description of the invention

[011] Como solução aos problemas citados anteriormente desenvolveuse a presente patente de modelo de utilidade. Ela consiste em um modelo construtivo para máquinas de manufatura aditiva podendo ser aplicada, mas não exclusivamente, em máquinas de fusão seletiva a laser (SLM) e sinterização seletiva a laser (SLS) onde todas as partes fixas e móveis do equipamento estão dentro da área inertizada que pode possuir, por exemplo, mas não exclusivamente, um formato cilíndrico tipo forno de sinterização. Este tipo de geometria, muito utilizada em vasos de pressão, também é utilizada para injetar o gás inerte a pressões superiores a pressão atmosférica com a finalidade de exercer compactação enquanto o pó está sendo fundido e/ou sinterizado com o objetivo de aumentar a densidade da peça final.[011] As a solution to the aforementioned problems, the present utility model patent has been developed. It consists of a constructive model for additive manufacturing machines that can be applied, but not exclusively, to selective laser fusion (SLM) and selective laser sintering (SLS) machines where all the fixed and mobile parts of the equipment are within the area inert material that can have, for example, but not exclusively, a cylindrical shape like a sintering furnace. This type of geometry, widely used in pressure vessels, is also used to inject the inert gas at pressures higher than atmospheric pressure in order to exercise compaction while the powder is being melted and / or sintered in order to increase the density of the final piece.

[012] O modelo de construção compreende por exemplo uma câmara em formato cilíndrico com tampa traseira abaulada ou não, que pode possuir ou não reforços internos ou externos para aumentar a resistência estrutural. A conexão com o exterior da câmara inertizada para os cabos e dutos de gás dar-se-á, por exemplo, através de dispositivos do tipo “feedthrough”.[012] The construction model includes, for example, a cylindrical chamber with a domed or uncapped back cover, which may or may not have internal or external reinforcements to increase structural strength. The connection to the outside of the inertized chamber for the cables and gas ducts will take place, for example, through devices such as “feedthrough”.

[013] Ela também pode possuir portas abauladas ou planas com dobradiças duplamente pivotadas ou similares. Também pode ser contemplado manípulos ou algum tipo de guia para o fechamento da porta e algum elemento para vedação da câmara. Ela também pode dispor de uma janela de visualização para acompanhar o processo de fabricação das peças.[013] It can also have curved or flat doors with double pivoted hinges or similar. Handles or some type of guide for closing the door and some element for sealing the chamber can also be contemplated. It can also have a viewing window to follow the parts manufacturing process.

[014] A Figura 2 representa uma vista frontal, em corte, do modelo proposto para a câmara.[014] Figure 2 represents a front view, in section, of the proposed model for the camera.

[015] Como referência a Figura 2, a câmara de fabricação (1) do processo propriamente dito compreende uma área de fabricação (6), uma área de alimentação (5) e uma área de descarte (7) com um sistema para distribuir o pó (8) sob a área de fabricação (6). Os itens citados acima podem estar distribuídos sob uma superfície (9) que pode possuir ou não regulagem de altura (10).[015] As a reference to Figure 2, the manufacturing chamber (1) of the process itself comprises a manufacturing area (6), a feeding area (5) and a disposal area (7) with a system for distributing the powder (8) under the manufacturing area (6). The items mentioned above may be distributed under a surface (9) that may or may not have height adjustment (10).

[016] A câmara pode conter um emissor de feixe de energia (11) que pode ser fornecido através de um laser que pode estar posicionado no interior ou no exterior da câmara e uma janela óptica (12) para a passagem do feixe de energia caso necessário.[016] The chamber may contain an energy beam emitter (11) that can be supplied by means of a laser that may be positioned inside or outside the chamber and an optical window (12) for the passage of the energy beam if required.

[017] A câmara pode conter um sistema de aquecimento e controle de temperatura da matéria-prima que pode ser feito utilizando, mas não exclusivamente, lâmpadas infravermelhas (13) ou um feixe laser secundário. O controle da temperatura pode ser feito por um sensor de temperatura que realiza a medição da temperatura da camada de matéria-prima sem contato com a detecção de radiação infravermelha ou pode-se utilizar, mas não exclusivamente, controle através de imagens.[017] The chamber may contain a heating and temperature control system for the raw material that can be done using, but not limited to, infrared lamps (13) or a secondary laser beam. The temperature control can be done by a temperature sensor that measures the temperature of the raw material layer without contact with the detection of infrared radiation or it can be used, but not exclusively, control through images.

[018] Pode estar incluso também um sistema para filtrar os gases e partículas gerados pelo processo compreendidos por uma entrada do fluxo de ar (14) e uma saída do fluxo de ar (15) tornando assim a atmosfera inerte limpa de resíduos decorrentes do processo. Ela também pode dispor de sensores de temperatura, pressão, umidade, oxigênio e posição.[018] A system may also be included to filter the gases and particles generated by the process, comprising an air flow inlet (14) and an air flow outlet (15), thus making the inert atmosphere clean of residues resulting from the process. . It can also have temperature, pressure, humidity, oxygen and position sensors.

[019] A câmara pode possuir apoios para a sua fixação (2) e elementos de interface com o meio externo para a entrada e/ou saída de gases (3) que podem ser, ou não, flanges com algum tipo de vedação, por exemplo.[019] The chamber may have supports for its fixation (2) and interface elements with the external environment for the entry and / or exit of gases (3) that may or may not be flanges with some type of seal, for example.

[020] A Figura 3 representa a vista isométrica do equipamento.[020] Figure 3 represents the isometric view of the equipment.

[021] De acordo com a Figura 3, a câmara de fabricação (1) possui uma porta (16) que pode conter ou não um sistema de vedação, uma dobradiça (17) que pode ser pivotada ou similar, uma janela de visualização (18) e manípulos (19) que proporcionam o fechamento da porta e consequente vedação da câmara.[021] According to Figure 3, the manufacturing chamber (1) has a door (16) that may or may not contain a sealing system, a hinge (17) that can be pivoted or similar, a viewing window ( 18) and handles (19) that provide the closing of the door and consequent sealing of the chamber.

[022] Está incluso no equipamento uma câmara de recirculação e filtragem de ar (20) que possui uma entrada de ar (21) e uma saída de ar (22) que estão conectadas a câmara de fabricação (1) através de válvulas (23). Por sua vez, as válvulas (23) estão conectadas a câmara de fabricação (1) através da entrada de gases (3) e da saída de gases (4).[022] Included in the equipment is an air recirculation and filtering chamber (20) that has an air inlet (21) and an air outlet (22) that are connected to the manufacturing chamber (1) through valves (23) ). In turn, the valves (23) are connected to the manufacturing chamber (1) through the gas inlet (3) and the gas outlet (4).

[023] A câmara de recirculação e filtragem de ar (20) possui, mas não somente isso, um exaustor e um filtro para remover as partículas tornando a atmosfera limpa e reciclando o gás no interior da câmara de fabricação (1).[023] The recirculation and air filtration chamber (20) has, but is not limited to, an exhaust fan and a filter to remove the particles, making the atmosphere clean and recycling the gas inside the manufacturing chamber (1).

[024] As válvulas (23) juntamente com um sistema de engate rápido permitem que a câmara de recirculação e filtragem de ar (20) seja substituída facilmente, com isso, cada material terá sua própria câmara de recirculação e filtragem de ar garantindo assim que não exista contaminação devido as partículas retidas no filtro.
Relação de Figuras:
FIGURA 1 – Modelagem tridimensional de uma peça.
FIGURA 2 – Vista frontal, em corte, do equipamento.
FIGURA 1 – Vista Isométrica do equipamento.[024] The valves (23) together with a quick coupling system allow the air recirculation and filtration chamber (20) to be easily replaced, with this, each material will have its own recirculation and air filtration chamber thus ensuring that there is no contamination due to particles trapped in the filter.
List of Figures:
FIGURE 1 - Three-dimensional modeling of a part.
FIGURE 2 - Front view, in section, of the equipment.
FIGURE 1 - Isometric view of the equipment.

Claims

“FUSION AND / OR SINTERIZATION EQUIPMENT IN DUST BED”, characterized by a manufacturing chamber (1) that has a door (16), a hinge (17) for the door, a viewing window (18), handles ( 19) for closing and sealing the door, supports for fixing the chamber (2) and interface elements with the recirculation and air filtration chamber (20) including an air inlet (3) and an air outlet (4 ) of the manufacturing chamber (1) and an air inlet (21) and an air outlet (22) of the recirculation and air filtration chamber that are connected through valves (23) thus allowing pressure control inside both chambers, in addition, there is also a system inside the manufacturing chamber (1) for recirculating and cleaning the gases present and rendering the atmosphere inert by removing and inserting gases comprised by an air flow inlet (14) and by an airflow outlet (15) plus infrared lamps (13) for temperature control and temperature sensors sion, oxygen, position and temperature in addition to an energy beam emitter (11) and an optical window (12) for the passage of the energy beam and, arranged under a surface (9) with height adjustment (10) an area manufacturing area (6), a feeding area (5), a disposal area (7) and a system for distributing the powder (8).

“FUSION AND / OR SINTERIZATION EQUIPMENT IN DUST BED”, according to claim 1, is characterized by comprising a manufacturing chamber with a cylindrical shape with reinforcements in the internal / external structure but not necessarily, with a window for viewing the process but not necessarily, with a curved or flat front and / or rear door with double pivoted hinges or similar with connection to the outside made by means of “feedthrough” devices, besides having a manufacturing area, a feeding area and a disposal area with a powder distribution system under the fabrication system.

“FUSION AND / OR SINTERIZATION EQUIPMENT IN DUST BED”, according to claim 1, is characterized by containing an inertization and atmosphere control system with the ability to reach oxygen concentrations between 1 and 1000 ppm, a system of air suction and another for inert gas injection, an air recirculation system and particle and gas filtration and oxygen pressure sensors.

“FUSION AND / OR SINTERIZATION EQUIPMENT IN DUST BED”, according to claim 1, is characterized by containing an energy beam emitter and directing selectively focused energy in the manufacturing system to manufacture the piece from the layered powder by layer.

“FUSION AND / OR SINTERIZATION EQUIPMENT IN DUST BED”, according to claim 1, is characterized by containing a heating system and heating the raw material before, during and after the process.

“FUSION AND / OR SINTERIZATION EQUIPMENT IN DUST BED”, according to claim 1, is characterized by containing sensors for pressure, temperature, oxygen, position or any other that may be necessary.

“FUSION AND / OR SINTERIZATION EQUIPMENT IN DUST BED”, according to claim 1, is characterized by having an air recirculation and filtering chamber with watertight shut-off valves, allowing quick exchange for a specific unit of this chamber for each material press to be processed in order to avoid contamination of the part to be manufactured and the new quick setup of the equipment.