ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА

Полезная модель относится к технологии моделирования методом послойного наплавления («Fused Deposition Modeling» FDM или «Fused Filament Fabrication» FFF) или послойной 3Д-печати расплавленной полимерной нитью, в частности, армированной непрерывным углеродным волокном, и может быть использована для изготовления деталей сложной геометрии в разных отраслях промышленности.
3Д-печать осуществляется разными способами и с использованием различных материалов. В основе трехмерной печати лежит принцип послойного нанесения (наплавления) термопластичного композиционного материала на основе цифровой 3Д модели до полного формирования детали. Процесс печати представляет собой ряд повторяющихся циклов, за один цикл формируется один слой. Циклы следуют один за другим, формируя деталь слой за слоем.
Известны различные устройства трехмерной печати (3Д-печать) с использованием композитного волокна.
В частности, из заявок (US20140291886 МПК B29C47/00, опубл. 02.10.2014), (US20140328963, МПК B29C67/00, опубл. 06.11.2014), (US20140328964, МПК B29C67/00, опубл. 06.11.2014), (US20140361460, МПК B29C65/40, B29C67/00, опубл. 11.12.2014), (US20150108677, МПК B29C67/00, опубл. 23.04.2015), (US20150165691, МПК B29C67/00, опубл. 18.06.2015), (US 2019232550, МПК B29C67/00, опубл. 01.08.2019) в которых, технология послойного наплавления («Fused Deposition Modeling» FDM или «Fused Filament Fabrication» FFF) или 3Д-печати заключается в следующем: печатающая головка в составе установки 3Д-печати с контролируемой температурой разогревает до текучего состояния армированную нить, пропитанную матричным полимером, и с высокой точностью подает расплавленный термопластичный композиционный материал тонкими слоями на поверхность детали. Последовательно наносимые слои сплавляются под действием избыточного тепла расплавленной армированной нити. Печатающая головка наносит расплавленный термопластичный композиционный материал слой за слоем.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности и выбранной за прототип, является печатающая головка (Патент RU 2662015, МПК B29C67/00, B29C64/165, опубл. 23.07.2018), содержащая корпус, в котором расположен подающий элемент для приема и подачи армированной нити в экструдер, узел обрезки, раму, соединенную с корпусом, высокочастотный индукционный нагреватель расположенный вокруг экструдера и датчик температуры, расположенный у сопла экструдера.
Общий недостаток всех известных технических решений заключается в высокой пористости и низком сцеплении слоев в процессе печати, что снижает прочность и стойкость материалов и ограничивает их применение в аэрокосмической и других областях, производством неответственных деталей.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается только при осуществлении предлагаемого устройства и не может быть реализовано при использовании прототипа, является высокая пористость, низкое сцепление слоев и неоднородность материала готового изделия.
Технической задачей является снижение пористости, повышение сцепления слоев напечатанного материала и соответствующее повышение физико-механических характеристик, получаемых в процессе 3Д-печати материалов.
Техническая задача решается тем, что печатающая головка, содержащая корпус, в котором расположен подающий элемент для приема и подачи армированной нити в экструдер, узел обрезки, расположенный после подающего элемента, но перед входом в экструдер, раму, соединенную с корпусом, высокочастотный индукционный нагреватель расположенный вокруг экструдера и датчик температуры, расположенный у сопла экструдера, согласно полезной модели, дополнительно в экструдер установлен ультразвуковой преобразователь с диапазоном частоты ультразвуковых колебаний до 44 кГц, за счет которого нагреваемая часть экструдера является волноводом ультразвукового преобразователя, фокусирующим ультразвуковые (далее УЗ) колебания на точке приваривания нити.
В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, использование ультразвукового преобразователя с диапазоном частоты УЗ колебаний до 44 кГц, позволяет снизить пористость, повысить сцепление слоев напечатанного материала и в целом повысить физико-механические характеристики, получаемых в процессе 3Д-печати материалов.
Нагреваемая часть экструдера, являющаяся волноводом ультразвукового преобразователя, позволяет доставлять УЗ колебания непосредственно в точку контакта выходящей из сопла нити с контролируемым и эффективным привариванием нити.
На фиг. 1 – изображена общая схема печатающей головки.
Печатающая головка (без позиции), содержащая корпус 1, в котором расположен подающий элемент 2 для приема и подачи армированной нити 10 в экструдер 3, узел обрезки 4, раму 5, соединенную с корпусом 1, высокочастотный индукционный нагреватель 6 экструдера 3, датчик температуры 7, расположенный у сопла экструдера 8 и ультразвуковой преобразователь 9 установленный в экструдере, использование которого позволяет повысить сцепление слоев при приваривании нити на нижележащий слой.
Подающий элемент 2 обеспечивает прием армированной нити 10 и осуществляет ее подачу во внутренний канал 11 экструдера 3 для осуществления расплавления матричного полимера армированной нити 10.
Узел обрезки 4 обеспечивает разрезание для обеспечения выкладывания армированной нити заданной длины. Узел обрезки 4 может быть расположен на любом участке траектории движения армированной нити 10, например, после подающего элемента 2 и до входа в экструдер 3, обеспечивая после обрезки свободный канал без армированной нити 10 после ее вытягивания.
Экструдер 3 обеспечивает расплавление матричного полимера армированной нити и наплавление армированной нити 10 на нижележащий слой в процессе выкладки. Экструдер 3 содержит внутренний канал 11 для обеспечения свободного прохождения армированной нити 10. Проходящая через внутренний канал 11 экструдера 3 армированная нить 10 нагревается от стенки и непосредственно от индукционных токов, возникающих в углеволокне, до температур, превышающих температуру плавления матричного полимера. Внутренний канал 11 экструдера 3 имеет форму поперечного и продольного сечения, которая обеспечивает прохождения нити 10 с наименьшим сопротивлением, при эффективном прогреве матричного полимера и диаметр 0,55-1,3 мм в зависимости от используемой армированной нити 10. Например, площадь сечения сопла 8 экструдера 3 может быть больше поперечного сечения внутреннего канала 11 для предотвращения петель, спутывания и разрыва отдельных волокон, сопло 8 имеет форму экспоненциально расширяющегося раструба для плавного выхода армированной нити 10 и равномерного распределения армированной нити 10 по площади пятна контакта на рабочей поверхности 12.
Армированная нить 10 на выходе из сопла 8 экструдера 3 печатающей головки распределяется и придавливается (утюжится) плоской поверхностью сопла 8 и равномерно выкладывается на рабочую поверхность 12 слоем композиционного термопластичного материала.
о
Высокочастотным индукционным нагревателем 6 экструдера 3 может служить любое устройство, обеспечивающее нагрев до температур, превышающей температуру плавления матричного полимера армированной нити 10. Например, экструдер 3 может нагреваться высокочастотным индукционным нагревателем с рабочей частотой до 2-10 МГц и рабочей температурой экструдера 320-450С, при печати армированной нитью на основе, полиэфирэфиркетона.
Использование высокочастотного индукционного нагревателя позволяет сделать экструдер более тонкостенным, за счет снижения нагреваемой массы процесс нагрева армированной нити 10 становится менее инерционным по сравнению с резистивным нагревом. Рабочая температура экструдера 3 определяется типом используемого матричного полимера.
Ультразвуковой преобразователь 9 генерирует ультразвуковые колебания требуемой частоты и амплитуды (в зависимости от скорости печати), что обеспечивает контролируемое и эффективное приваривание нити к поверхности печати. Ультразвуковой преобразователь 9 состоит из отражателя (присоединенной массы), которым служит массивная силовая рама 5 печатающей головки, пьезокерамических элементов 13, фокусирующего элемента 14, волновода 15 и прижимной гайки 16. Волноводом 15 в ультразвуковом преобразователе является нагреваемая цилиндрическая часть экструдера 3 печатающей головки, фокусирующим УЗ колебания на точке приваривания нити.
Силовая рамка 5 обеспечивает крепление всех элементов конструкции печатающей головки к механизму перемещения и может иметь интегрированную с другими узлами головки конструкцию, а также служит присоединенной массой для пьезокерамических элементов 13 и с фокусирующим элементом 14 фокусирует УЗ колебания на сопле экструдера 8.
Возможны различные варианты реализации размещения ультразвукового преобразователя 9 к экструдеру 3 и фокусировки УЗ колебаний на сопле экструдера 3. Например, ультразвуковой преобразователь 9 встраивается в основание экструдера 3.  Частота УЗ колебаний с амплитудой задаваемой системой управления до 44 кГц.
Кроме основных устройств печатающая голова включает в себя и другие компоненты, например, позиционеры различных конструкций, датчики температуры, наличия армированной нити и другие устройства, обеспечивающие процесс печати. Реализация и взаимное расположение деталей и узлов печатающей головы зависит от конкретной реализации.
Таким образом, предлагаемая полезная модель с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет снизить пористость, повысить сцепление слоев напечатанного материала и, вследствие, повысить физико-механические характеристики материалов детали, получаемых в процессе 3Д-печати.