УСТРОЙСТВО ЗАВИХРИТЕЛЯ ПОТОКОВ ВОЗДУХА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭКСТРУДИРОВАННЫХ МАСС
AIR FLOW SWIRLER FOR EXTRUDED MIXTURES COOLING

Изобретение относится к области воздушных завихрителей и может быть использовано в качестве воздушного охладителя экструдированных масс. Предназначено для создания струй воздушного потока с целью зонированного охлаждения экструдированных масс из экструдеров 3д-принтеров.
Охлаждение экструдированной массы является наиболее важной частью процесса 3D-печати методом послойного наплавления материала. Связано это с тем, что нанесение расплавленного термопластичного материала проходит при температурах выше точки кристаллизации (отверждения), а его быстрое стеклование (отверждение) возможно только с использованием устройств дополнительного воздушного охлаждения. Качество воздушного охлаждения влияет на скорость процесса и возможность печати сложных и/или крупномасштабных объектов.
Одним из аналогов является воздушный охладитель с односторонним обдувом [1], который перенаправляет перпендикулярно оси экструзии воздушный поток, нагнетаемый любым известным способом. Подобное решение конструктивно состоит из нагнетателя воздушного потока и направляющей планки или профиля. Изделие устанавливается на экструдер так, что бы поток воздуха был направлен к центральной точке выхода термопластичной массы из фильеры экструдера.
Недостатком такого решения является охлаждение экструдированных масс только с одной стороны, что при 3д-печати создает неравномерное остывание материала с разных сторон экструзии, что особенно критично для терморасширяющихся материалов.
Другим аналогом является охлаждение с использованием по меньшей мере двух направляющих планок или профилей так, что потоки воздуха, поступающие в них по меньшей мере от одного источника нагнетания, направлены к центральной точке выхода термопластичной массы из фильеры экструдера с двух и более сторон [2].
Недостатком такого решения является чрезмерное и непредсказуемое охлаждение фильеры экструдера, как следствие, плохая адгезия между слоями термопластичного полимера из-за переохлаждения. В том числе, при установке обдува с противоположных сторон от центральной точки выхода термопластичной массы из фильеры экструдера появляется проблема взаимного подавления воздушных потоков, что в свою очередь уменьшается эффективность охлаждения, следовательно, снижается качество и скорость 3д-печати.
Известно устройство для внутреннего охлаждения экструдированных термопластичных труб [3]. Данная установка позволяет охлаждать экструдированные массы трубчатой формы, используя направляющие втулки для того, что бы направить охлаждающий агент по касательной к внутренней поверхности термопластической трубы.
Недостатками такого решения являются: большие габариты и высокий вес конструкции, что препятствует его установке на экструдеры 3Д-принтеров; возможность охлаждать только внутреннюю поверхность термопластических труб; сложная конструкция, требующая специальной оснастки для установки изделия на экструдер.
Наиболее близким техническим решением, выбранного в качестве прототипа, является охладитель с кольцевым обдувом, который способен охлаждать детали равным потоком воздуха со всех сторон [4]. Конструкционно такое изделие представляет соосный с экструдером тор с одним сплошным или несколькими отверстиями, направленными на фильеру экструдера. Внутри тора могут содержаться направляющие для деления воздушного потока.
Недостатком прототипа является то, что при малой дистанции от направляющего воздушные потоки отверстия до центральной точки выхода термопластичной массы из фильеры экструдера проявляется чрезмерное и неконтролируемое охлаждение фильеры экструдера, а при увеличении расстояния от точки выхода термопластичной массы из фильеры экструдера наблюдается взаимное подавления воздушного потока. Другим недостатком является то, что интенсивный поток воздуха за короткий период охлаждает нанесенный термопластичный материал около центральной точки выхода термопластичной массы из фильеры экструдера, из-за чего слои не успевают достаточной степени сплавиться друг с другом. Для терморасширяющихся и термопластичных материалов, это существенно снижает качество швов между слоями печати, и, как следствие, ухудшает прочностные характеристики конечного изделия.
Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением является повышение прочностных характеристик изготовляемого изделия за счет увеличения эффективности охлаждения экструдированных термопластичных масс в подвижных экструдерах 3д-принтеров.
Новым является то, что две или более форсунок направляют воздушные массы струей с равным или близким к этому смещением от центра экструдирования, создавая «вихрь» в том числе в виде однополосного гиперболоида с минимальной зоной охлаждения в центральной зоне экструзии, что проводит к более длительному спеканию между слоями, и максимальной возможной зоной охлаждения на расстоянии от центральной точки выхода термопластичной массы из фильеры экструдера, что после смещения экструдера приводит к охлаждению экструдированной ранее массы термопластичных материалов и их равномерному отверждению со всех сторон, не зависимо от вектора движения экструдера 3д-принтера.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1. Продольный разрез устройства завихрителя потоков воздуха для охлаждения экструдированных масс с указанием схематичного внутреннего направления потоков нагнетаемого воздуха.
Фиг. 2. Вид справа устройства завихрителя потоков воздуха для охлаждения экструдированных масс и направления завихрения внешнего воздушного потока, выходящего из форсунок.
Фиг. 3. Вид с правого нижнего угла устройства завихрителя потоков воздуха для охлаждения экструдированных масс и направления завихрения внешнего воздушного потока, выходящего из форсунок.
Фиг. 4. Вид сверху устройства завихрителя потоков воздуха для охлаждения экструдированных масс и направления завихрения внешнего воздушного потока, выходящего из форсунок.
Устройство состоит из: переходника 1 свободной формы, в который нагнетается воздух любым известным способом и перенаправляется далее; профиль 2 в который поступает воздух из переходника и направляется до форсунок 3, которые распределяют, направляют и завихряют воздушный поток, направление воздушных потоков 4 внутри устройства указано стрелками, 5 - зона низкой интенсивности обдува около центра экструзии;
Устройство работает следующим образом: в переходник (1) нагнетается воздушный поток любым известным способом. Воздушный поток направляется в профиль(2), который является полой конструкцией замкнутого контура для доставки до форсунок (3) и распределения по ним. Воздух из форсунок направляется под равными или близкими к ним углами по отношению к центру экструзии в виде одноплоскостного гиперболоида. Такое распределение позволяет создать зону низкой интенсивности обдува около центра экструзии (5), сформированный таким образом воздушный вихрь обеспечивает низкую степень охлаждения в центре экструзии и высокую скоростью охлаждения на расстоянии от центра экструзии.
Источники информации
1. В новой версии 3D-принтера Faberant (1.85) будет устанавливаться более мощный обдув сопла // Faberant.ru / URL: https://faberant.ru/news/V-novoj-versii-3D-printera-Faberant-l-85-budet-ustanavlivatsya-bolee-moshhnyj-obduv-sopla, дата обращения: 20.03.2020.
2. Dual Blower/Radial Fan Duct Mount (Tevo Tarantula) // Thingiverse URL: https://www.thingiverse.com/thing:1850163 дата обращения: 20.03.2020.
3. Патент RU №2410240 C2 МПК B29C 47/88 Дата приоритета 13.06.2006.
4. Cooler for Wanhao Duplicator i3 stock fan // Thingiverse URL: https://www.thingiverse.com/thing:1062250 дата обращения: 20.03.2020.