Система активной теплоизоляции рабочей зоны сплавления аддитивной машины

Заявленное техническое решение относится к области аддитивных технологий, в частности к промежуточным устройствам, использующим способы селективного послойного сплавления порошков и более конкретно к средствам теплообмена, теплоизоляции и охлаждения рабочего пространства при создании объектов трехмерной печати.
В процессе изготовления трехмерного объекта технологиями трехмерной печати методом селективного лазерного сплавления поверхность рабочего стола нагревают до высокой температуры выше 200°C.
Такая высокая температура должна сохраняться только над поверхностью стола, а пространство вокруг стола и под ним должно иметь температуру окружающей среды.
Обычно под нагревательным элементом предусмотрена термоизоляция, которая выполняет функцию сдерживающего фактора и временно препятствует повышению температуры в пространстве под столом.
Известно устройство для изготовления трехмерного объекта [DE 19939616 А1]. В этом устройстве согласно уровню техники, строительное пространство обычно нагревается до температуры 100-150°C во время процесса лазерного сплавления.
Недостатком устройства для изготовления трехмерного объекта является то, что внешнее нагревание до более высоких температур невозможно из-за большой термической нагрузки.
Техническая проблема, на решение, которое направлена полезная модель - исключить распространение избытков тепла из рабочей зоны сплавления металлического порошка внутри короба, в котором перемещается рабочий стол с нагретой плитой построения изделия, в окружающее пространство и обеспечить активную теплоизоляцию механизма перемещения рабочего стола.
Технический результат заключается в повышении эффективности теплоизоляции окружающего пространства аддитивной машины при создании объектов трехмерной печати и, в частности, механизма перемещения рабочего стола.
Технический результат достигается тем, что заявляемый ограждающий короб представляет собой тонкостенную гильзу, внутри которой по кольцевому периметру стенки размещены вертикальные каналы прямоугольного сечения для циркуляции охлаждающей жидкости, попарно соединенные между собой в верхней и нижней частях ромбическими переходами. Точки подвода и отвода, соединенные с вертикальными каналами прямоугольного сечения охлаждающей жидкости, выполнены в нижнем торце гильзы короба.
Причем охлаждающие каналы могут быть выполнены по технологии селективного лазерного сплавления, что позволяет снизить трудоемкость и себестоимость изделия, повысить его качество.
Каналы предпочтительно выполнены прямоугольного сечения для обеспечения наибольшей площади контакта и повышения таким образом эффективности теплоотвода.
Сущность заявляемого решения поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг. 1 -  ограждающий короб аддитивной машины в разрезе, где
1 – платформа построения изделия;
2 – нагревательный элемент;
3 – рабочий стол;
4 – термодатчик;
5 – короб ограждающий;
6 – столешница аддитивной установки;
7 – рабочая зона построения;
- на фиг. 2 -  схема теплоотвода из рабочего пространства ограждающего короба аддитивной машины, где
8 – канал для охлаждающей жидкости;
9 – переход ромбический;
10 – точка ввода охлаждающей жидкости;
11 – точка отвода охлаждающей жидкости;
12 – отверстие очистки внутренних каналов от порошка.
Для подтверждения возможности реализации полезной моделью своего назначения и достижения заявленного технического результата рассмотрим вариант исполнения системы.
Столешница (6) аддитивной машины представляет собой прямоугольную плиту, которая служит для установки на ней коллекторов подачи и отвода газа. Короб (5) ограждающий служит для размещения и перемещения в нем рабочего стола (4) с закрепленной платформой (1) построения изделия, устанавливается в отверстие столешницы (6) и закрепляется болтами. Рабочий стол (3) служит для установки нагревательного элемента (2) платформы (1) построения, датчика (4) температуры, термоизолятора, а также охлаждения. Термодатчик (4) обеспечивает контроль температуры платформы (1) построения изделия. Нагревательный элемент (2) служит для предварительного нагрева платформы (1) построения для лучшего сплавления детали с платформой (1) построения.
Система активной теплоизоляции рабочей зоны сплавления аддитивной машины выполнена в виде ограждающего короба (5) аддитивной машины. Короб (5) представляет собой тонкостенную гильзу, внутри которой по кольцевому периметру стенки размещены вертикальные каналы (8) для циркуляции охлаждающей жидкости (например, водяного охлаждения), попарно соединенные между собой в верхней и нижней части ромбическими переходами (9). Точки подвода (10) и отвода (11), соединенные с вертикальными каналами (8) выполнены в нижнем торце гильзы короба (5), что обусловлено необходимостью обеспечить комфортную эксплуатацию системы теплоизоляции в составе устройства в целом, взаимным расположением узлов машины. Ромбические переходы необходимы для того, чтобы в самых верхних и самых нижних точках изгиба внутреннего канала при изготовлении аддитивным способом, не строились поддержки, перекрывающие внутренний канал в верхних и нижних точках. Для этого поверхность должна находиться под углом 30-45 градусов к плоскости плиты.
Каналы (8) предпочтительно выполнены с прямоугольным сечением, которое обеспечивает наибольшую площадь контакта охлаждающей жидкости с нагреваемой поверхностью и тем самым повышает эффективность теплоотвода.
Размер внутренних каналов (8) ограждающего короба (5) подбирают исходя из габаритных параметров короба (5), конструкции рабочего стола (4), скорости и давления охлаждающей жидкости. Для эффективного отбора тепла, образующегося внутри короба (5), площадь соприкосновения охлаждающей жидкости с внутренней поверхностью короба (5) должна быть наибольшей, таким образом, толщина перемычек между каналами (8). Толщина слоя металла от внутренней и наружной поверхностей гильзы короба (5) и от поверхностей верхнего и нижнего торцов короба (5) до стенок каналов (8) для циркуляции охлаждающей жидкости должна наименьшей, при используемом способе изготовления.
Система теплоотвода из рабочего пространства ограждающего короба (5) работает следующим образом.
При нагреве поверхности нагревательного элемента (2) до заданной температуры, термодатчик (4) дает команду на включение насоса системы охлаждения, который подает охлаждающую жидкость (например, воду) через точку (10)  ввода в вертикальные каналы (8). Жидкость, проходя по каналам (8), соединенным попарно ромбическими переходами (9), отбирает излишнее тепло из внутреннего пространства короба (5), в котором перемещается рабочий стол (4) с платформой (1) построения изделия, нагретой до температуры 120 - 300°С, и выходит через точку (11) отвода в систему охлаждения жидкости (стандартный чиллер).
Изготовление ограждающего короба (5) с множеством внутренних вертикальных каналов (8), попарно соединенных ромбическим переходом (9) для прохождения охлаждающей жидкости по всему внутреннему контуру гильзы короба (5), механическим способом, по существующей классической технологии, очень сложно, трудоемко и дорого. Такая конструкция может быть изготовлена по меньшей мере из трех частей. Внутренняя часть,- гильза с каналами (8) в виде отверстий глубокого сверления (20-25 диаметров отверстия), с фрезерованием переходов парных каналов. Верхняя и нижняя части короба (5) – пластины, которые должны герметично закрывать все каналы (8) от протечек охлаждающей жидкости. Дополнительно для соединения всех трех частей в единую конструкцию требуется наличие крепежных элементов с надежной их фиксацией от произвольного разворота.
Исходя из вышесказанного, предлагается изготовить ограждающий короб (5) по аддитивной технологии, так как эта технология позволяет сплавлять изделия с внутренними каналами (8).  В результате мы получим конструкцию ограждающего короба (5) из цельного металла, не имеющего разъемов, не требующее дополнительных уплотнений и крепежных элементов. А переходные каналы (9) ромбической формы способствуют лучшему теплообмену и являются наиболее технологичными для аддитивной технологии.
Для изготовления предлагаемой полезной модели создают цифровую (CAD) трехмерную модель ограждающего короба (5), которую передают в аддитивную машину для последующего сплавления конструкции из подобранного металлического порошка.
Пример реализации полезной модели.
Оператором аддитивной машины устанавливаются технологические режимы сплавления конструкции ограждающего короба (5), в частности:
- толщина сплавляемого слоя порошка;
- мощность источника лазерного излучения;
- величина фокусного пятна источника лазерного излучения на поверхности порошка;
- скорость и траектория перемещения лазерного луча;
- температура подогрева платформы построения изделия.
После чего, оператор запускает программу изготовления ограждающего короба (5).
По окончании изготовления оператор очищает изделие от остатков порошка: очищаются наружные поверхности и все внутренние каналы через боковые отверстия в нижнем поясе гильзы короба. После этого выполняется необходимая механообработка всех рабочих поверхностей, нарезается резьба во входном и выходном отверстиях подводов охлаждающей жидкости и резьба в боковых отверстиях в нижнем поясе гильзы. В боковые отверстия заворачиваются резьбовые заглушки с герметизацией от протечек охлаждающей жидкости.