Двухступенчатый экструдер для 3D-принтера по технологии FDM

Аддитивное оборудование (3D-принтер) по технологии FDM предназначено для создания изделий по цифровой модели за счет послойного наплавления термопласта. Основными функциональными частями такого оборудования являются: экструдер, система позиционирования экструдера, основание для построения, контроллер управления с приводными и периферийными компонентами. Максимальная скорость печати определяется допустимой скоростью перемещения экструдера (зависит от исполнения системы позиционирования), а также производительностью экструдера с применяемым диаметром фильеры.
Экструдер предназначен для расплавления расходного материала и дозированной подачи его через фильеру. Полезная модель относится к экструдерам с расходным материалом в виде нити. Из уровня техники известны конструкции экструдеров для 3D-принтеров с одинарной фильерой WO 2015038072, (BIO3D TECHNOLOGIES PTE LTD, SG), B33Y 10/00, 19.03.2015 г., CN 203945698, (CHEN LIANG), 19.11.2014 г. Экструдеры с несколькими фильерами RU 194407 U1 от 12.07.2019, RU 189770 U1 от 30.01.2019, RU 174069 U1 от 09.11.2016, RU 171905 U1 от 07.03.2017, RU 161249 U1 от 04.09.2015, RU 181116 U1 от 12.02.2019. Экструдер с возможностью плавной регулировки положения сопла RU 178502 U1 от 16.10.2017. Экструдеры с возможностью быстрого снятия частично RU 196247 U1 от 25.12.2019 и полностью US00D762752 S1 от 2.08.2016 г.
Ближайшим аналогом является патент US 8815141 B2 от 22.09.2010, описывающий метод создания изделий с использованием экструзионной аддитивной технологии, а также общую схему экструдера и движения пластиковой нити.
Все упомянутые изобретения и полезные модели имеют следующий принцип работы: через подающий механизм нить (или несколько нитей) проходит через термобарьер с охладителем и поступает в нагревательный блок с фильерой. В термобарьере происходит переход термопласта из твердой фазы в жидкую и образуется поршень, имеющий со стороны нагревательного блока жидкую фазу, а со стороны охладителя термобарьера - твердую. Подача расходного материала обеспечивает экструзию жидкой фазы через фильеру, при этом зона поршня смещается по мере подачи нити, оставаясь в зоне термобарьера.
Недостатком упомянутых конструкций является большой перепад температур между горячей и холодной частью (в зоне термобарьера), вследствие чего при большой подаче термопласта, характерной при использовании фильер диаметром 0,4-0,7 от диаметра нити термопласта (в частности, для нити 1,75 мм диаметры фильер 0,8-1,2 мм) на участках максимальной скорости печати, возникает недостаточный прогрев термопласта с образованием конусного профиля распределения температур в продольном сечении нити термопласта. Участок перехода твердой фазы в жидкую смещается с термобарьера в зону нагревателя и ниже к выходу из фильеры, уменьшая проходное сечение. Возникает недостаточная подача материала в зону печати, что приводит к необходимости значительного снижения скорости печати. Удлинение зоны нагрева позволяет решить проблему недостаточной подачи, но вызывает перегрев и усиленное деградирование пластика на малых подачах, в частности при 3D-печати форм с большим количеством холостых перемещений с обратным всасыванием термопласта (ретрактами), а также требует больших энергетических затрат, увеличения размеров экструдера.
Задачей полезной модели является разделение зон предварительного (до границы температуры стеклования термопласта) и финального (переход твердой фазы в жидкую) нагрева за счет применения промежуточной ступени нагрева.
Поставленная задача достигается тем, что нагрев нити расходного материала осуществляется в два этапа. На первом этапе термопласт прогревается до температуры 0,7-0,9 от температуры его стеклования. На втором этапе материал нагревается до температуры экструзии. При этом протяжный механизм, первая и вторая ступень нагрева разделены термобарьерами.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
Расходный материал в виде нити термопласта 8 подается в экструдер за счет протяжного механизма 1. Причем протяжный механизм может составлять единое целое с экструдером (система Директ), либо находится отдельно и подавать материал через трубку (система Боуден). Далее пластик поступает через термобарьер 3 с развитым охлаждением 2 в первую ступень нагрева 4, где происходит его нагрев до температуры 0,7-0,9 от температуры его стеклования. Затем материал по термобарьеру 5 подается во второй нагревательный блок 6, где расплавляется и экструдируется через фильеру 7. При этом поршень создается в зоне термобарьера 5 между первым и вторым нагревателем.
Конструкция двухступенчатого экструдера для 3D-принтера по технологии FDM состоит из следующих элементов. Подающий механизм 1, предназначенный для перемещения расходного материала в виде нити термопласта в экструдер и из него. Термобарьер 3, представляющий собой металлическую трубку (предпочтительно стальную или титановую) с охлаждающей рубашкой 3 (предпочтительно алюминиевой). Первая ступень нагрева 4 и вторая ступень нагрева 6. Термобарьер 5, представляющий собой трубку из материала с низким коэффициентом теплопроводности. Фильера 7 с отверстием, через которое происходит экструзия термопласта.
Техническим результатом полезной модели является повышение производительности экструдера на режимах большой подачи расходного материала (термопласта) при 3D-печати на FDM-принтере.