Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати

Полезная модель относится к области аддитивных технологий, в частности к экструдерам для 3D-принтеров, работающих по методу FDM (Fused Deposition Modeling, моделирование методом послойного наплавления), которые применяются при FDM-печати. Суть процесса заключается в выдавливании («экструзии») и нанесении расплавленного полимера на основание с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования. В стандартном процессе печати используются различные нити, которые разматываются с катушки и подаются в экструдер - устройство, с нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания полимерной составляющей, которая в свою очередь подается на рабочую поверхность и производится формирование модели, изделия. Как правило, верхняя часть перед соплом наоборот охлаждается с помощью вентилятора, радиатора или циркулирующей жидкости (теплоносителя) для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения контролируемой подачи материала. Для легкости понимания процесс можно представить в виде гидравлического пресса. В роли поршня выступает подающийся материал. Поступая в горячую зону, материал переходит в жидкую фазу и экструдируется через сопло. Сам экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях, сопло является частью экструдера. Также в процессе печати часто возникает необходимость переноса сопла в другую часть изготавливаемой модели без экструдирования. При этом для исключения случайного выдавливания пластика (паразитное экспедирование) применяются разные подходы: ретракты (откат пластика в обратную сторону), запирание активного сопла заслонкой, вытирание сопла о модель. В качестве расходных материалов применяются всевозможные пластики и композиты на их основе, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.
FDM-печать является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность домашних принтеров, основанных на этой технологии.
Известна полезная модель RU№189218 от 28.01.2019 г., «Печатающий блок для 3d-печати высокотемпературными полимерами по технологии», опубликована 16.05.2019 г.
Печатающий блок содержит два легкосъемных экструдера с нагревательными элементами, клапаны, выполненные с возможностью запирания сопла неактивного экструдера, прижимные ролики, выполненные в виде зубчатых шестерен, закрепленных на концах углового рычага и установленных с возможностью зацепления с зубчатой шестеренкой с возможностью прижимания филамента к подающему механизму для активного в данный момент экструдера, каждый из которых снабжен жидкостным радиатором, при этом канал подачи филамента, проходящий через радиатор и термобарьер, представляет собой полую цилиндрическую керамическую трубку, а сопла экструдеров выполнены из износостойкого титанового сплава, причем радиатор и подающий механизм заключены в термоизолирующий корпус.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа. Недостатками устройства являются низкая механическая прочность и одинаково низкая теплопроводность термобарьера по всей его длине. Если тепло от термоблока будет распространяться по внутренней части термобарьера (например, при длительной печати с крайне малым расходом пластика), керамическая основа будет удерживать внутри высокую температуру, тем самым подплавляя подающийся материал и делая процесс экструзии неуправляемым.
Решаемой технической проблемой является создание экструдера для изготовления продукции методом FDM-печати с повышенной производительностью и стабильностью печати на больших промежутках времени (непрерывная печать более 100 часов). Достигаемым техническим результатом является резкий градиент температур между горячей и холодной частью термобарьера и снижение паразитного экструдирования в процессе печати.
Для достижения технического результата в экструдере для изготовления продукции методом FDM-печати, содержащем радиатор, термоблок, на торце которого установлено сопло, в радиаторе и термоблоке выполнен сквозной канал для подачи полимера, термобарьер, одна часть которого установлена в канале термоблока, а другая часть - в канале радиатора, новым является то, что часть термобарьера, расположенная в радиаторе, выполнена из материала теплопроводностью более 350 Вт/(м·К), а часть, расположенная в термоблоке, выполнена из материала теплопроводностью менее 25 Вт/(м·К), при этом длина участка канала L на выходе из сопла выбрана из соотношения: 5D<L<10D, где D - диаметр сопла.
На фигуре представлена конструкция заявляемого устройства. Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати содержит радиатор 1, термоблок 3, на торце которого установлено сопло 4, при этом в радиаторе 1 и термоблоке 3 выполнен сквозной канал для подачи полимера, термобарьер, одна часть которого установлена в канале термоблока 3, а другая часть в канале радиатора 1. Часть термобарьера, расположенная в радиаторе 1, выполнена из материала теплопроводностью более 350 Вт/(м·К), а часть, расположенная в термоблоке 3, выполнена из материала теплопроводностью менее 25 Вт/(м·К), при этом длина участка канала L на выходе из сопла 4 выбрана из соотношения: 5D<L<10D, где D - диаметр сопла.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При печати термоблок 3 нагревает сопло 4 и термобарьер 2. Нижняя часть термобарьера, выполненная из материала с низкой теплопроводностью и тонкой стенкой, является препятствием для переноса тепла вверх по каналу, подающему полимер. То тепло, которое все же переносится вверх по термобарьеру, поглощается верхней частью термобарьера 2, выполненной из материала с высокой теплопроводностью и распределяется по радиатору 1. При такой конструкции, даже в процессе длинных ретрактов, когда полимер из зоны расплава выводится в зону радиатора, материал, быстро охлаждаясь и полимеризуясь, уменьшается в диаметре и не заклинивает в подающем канале.
Был изготовлен макет заявляемого устройства, в котором для термобарьера были использованы материалы с разной теплопроводностью. Одна часть изготовлена из титана, а другая часть из меди, теплопроводность которых составляет 20 Вт/(м·К) и 397 Вт/(м·К) соответственно. Получаемый резкий градиент температуры позволяет делать процесс экструзии управляемым и повысить производительность печати. Диаметр сопла равен 0,5 мм, а длина канала составляет 4 мм, что существенно снижает паразитное экструдирование за счет эффекта ливера.