ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБЪЕМНОЙ ПЕЧАТИ РАСПЛАВЛЕННЫМ МЕТАЛЛОМ

Устройство (печатающая головка) предназначено для постепенного, по мере подачи в устройство, расплавления металла и постепенного наплавления его на объект, который печатается с использованием устройства. Устройство используется в составе принтеров для объемной печати (3D-принтеров).
На данный момент известно несколько устройств, которые используются для печати металлом, все они подразумевают аккуратное и постепенное наслаивание исходного металлического сырья слой за слоем для построения заданной фигуры.
Технология SLS, также известная под названием Direct metal laser sintering, позволяет создавать металлические объекты из плавкого порошка - металлической глины. Впервые данный материал был показан в 1990 году в Японии. Тогда его использовали для лепки примитивных форм. В промышленности применять его стали лишь спустя десять лет после открытия. Металлоглина изготавливается из смеси металлической стружки, органического связующего вещества и воды. При обжигании связующее вещество и вода выгорают, что превращает металлический порошок в монолитный объект. Для обработки металлоглины SLS-принтеры используют лазер. Порошок наносится на поверхность платформы ровным слоем, после чего разглаживается специальным валиком. Затем лазерное излучение обжигает слой металлоглины так, как это запрограммированно в шаблоне. Процесс повторяется раз за разом, пока фигура не приобретет нужные размеры. Печать проходит в специальной камере с бескислородной средой, в которой постоянно поддерживается высокая температура.
Еще один метод - электронно-лучевая плавка. Технология ЕВМ по сути практически не отличается от SLS/DMLS печати металлом. Единственное отличие электро-лучевой плавки заключается в том, что вместо лазерного луча, металлоглина плавится при помощи направленных электроимпульсов. Использование электронных пучков высокой мощности, действующих в вакууме, обеспечивает более высокую детализацию печатных объектов. Это объясняется тем, что корректировка электронного луча осуществляется не за счет движения печатной головки, а с помощью манипуляции магнитными полями, то есть на гораздо более точном уровне. Так действует промышленный 3D принтер Arcam Q10.
ЕВМ и SLS/DMLS машины комплектуются германиевыми и алмазными линзами, сложными электромагнитными приспособлениями и посеребренными или позолоченными зеркалами, из-за чего стоимость оборудования делает его покупку рентабельной только для крупных промышленных центров.
Еще один метод - технология FDM или fused deposition modeling. В этом случае металлическая глина выдавливается через экструдер на охлажденную платформу построения, где он застывает, слой за слоем формируя нужный объект. Однако, при использовании этого метода, напечатанную глиной модель необходимо обжигать в печи для получения металлического изделия. Среди устройств, работающих по такому принципу, можно выделить The Mini Metal Maker.
Информация получена из сети Интеренет 29.04.2016 г.(http://make-3d.ru/articles/3d-printer-po-metallu-kak-eto-vozmozhno/)
Также зарегистрирована модель (US 9027378 (В2), опубликовано 2015-05-12), в которой в общих чертах описано устройство, содержащее экструзионную головку, через которую расплавленный металл подается в камеру печати.
Применяется также предварительный нагрев металла в ванне и подача металла к зоне печати уже в расплавленном состоянии и разбрызгивании расплава через множество экструзионных сопел. Так действует 3D принтер Vader (US 2015273577, опубликовано 2015-10-01). Подобный метод имеет ограничения по сфере применения и используемым для печати металлам (по тугоплавким металлам имеются ограничения), поскольку нагрев относительно большого объема металлов выдвигает требования к помещениям, где располагаются подобные устройства и не может быть использован в быту.
Вместе с тем, полезная модель имеет ближайшим аналогом не устройства печати металлом, а устройства (3D-принтеры), использующие технологию FDM (fused deposition modeling), и печатающие пластиками. Для примера возьмем 3D-принтер Призма Окта (http://prizma.info/produkciya найдено в сети Интернет 29.04.2016). В нем исходный материал (пластик) подается в печатающую головку в виде твердой нити, по мере прохождения нити через печатающую головку из металла, она нагревается при помощи резистивных (использующих для нагрева выделение тепла при прохождении электрического тока через электрический резистор) нагревателей, расплавляется и наносится на печатаемую модель после выдавливания через экструзионное сопло.
Конструкция настоящей полезной модели состоит из диэлектрического стержня 1 (см. Фиг. 1) с продольным отверстием для подачи металлической нити, катушки индукционного нагревателя 4 и непосредственно металлической нити 2. Металлическая нить 2, входя в устройство в твердом состоянии, разогревается при помощи индукционного нагревателя по мере прохождения через отверстие в диэлектрике 1 и преобразуется в расплав 3. Таким образом, к моменту выхода из устройства, металл нити находится в жидком состоянии, и наносится на основание или предыдущий слой металла создаваемой трехмерной модели 5.
Так как индукционные токи воздействуют только на токопроводящие материалы, диэлектрик 1 не будет разогреваться индукционной катушкой. Нагрев диэлектрика будет происходить только из-за контакта с разогреваемым металлом. Таким образом, температура плавления диэлектрика, для сохранения работоспособности устройства, должна быть выше температуры плавления применяемого в металлической нити металла.
Металлическая нить 2 в твердом состоянии, подаваемая в верхнюю часть устройства, исполняет роль поршня для выдавливания металла в жидком состоянии 3 из нижней части устройства. Это необходимо, так как при малом диаметре d2, добавочное давление, создаваемое поверхностным натяжением (обратно-пропорционально диаметру, согласно формуле Лапласаможет превысить вес столба расплавленного металла 3 внутри отверстия в диэлектрике 1, и тогда истекание жидкости снизу устройства будет происходить лишь при создании избыточного давления, которое и должен создать твердый конец металлической нити, исполняющий роль поршня при подаче нити в направлении сверху-вниз (от 2 к 3) рисунка (Фиг. 1). Соответственно прекращение подачи нити 2 останавливает истекание из устройства жидкого металла 3.
В описываемом устройстве диаметр отверстия в диэлектрике (d1) одинаков по всему протяжению и не имеет сужения в виде сопла на конце, где происходит истекание жидкого металла. Подобная конструкция предотвратит разбрызгивание металла из-за ускорения, возникающего в сопле, а также позволит снизить требования к подгонке диаметров отверстия (d1) и нити (d2) с целью уменьшения зазора между нитью и стенками диэлектрика для обеспечения возможности исполнения нитью роли поршня.
При малых диаметрах нити перевод металла в жидкое состояние будет требовать менее мощных индукционных нагревателей, что существенно увеличит возможности по применению устройств печати металлом в системе образования и быту, снизит массогабаритные параметры оборудования, параметры энергопотребления, что позволит значительно удешевить устройства трехмерной печати металлами.