ЭКСТРУДЕР ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ СОСТАВАМИ НА ОСНОВЕ ВОСКОВ И ПАРАФИНОВ

Полезная модель относится к области аддитивных технологий, а именно к 3D-печати литьевыми восками с помощью 3D-принтеров, работающих по методу послойного наплавления, известному как технология печати FFF (FDM). Устройство представляет собой шнековый экструдер 3D-принтера, позволяющий использовать в качестве рабочего материала различные модификации на основе восков и парафинов, используемые для производства мастер-моделей в процессе литья по выплавляемым моделям.
Из существующего уровня техники известен шнековый экструдер 3Д принтера с конвекционным нагревом (см. [1] патент РФ на изобретение №2745944, МПК: В29С 48/84, В29С 64/20, опубл. 05.04.2021), предназначенный для печати гранулированным пластиком.
Недостатками известного устройства при решении задачи 3D-печати литьевыми восками являются:
- отсутствие возможности изменения и контроля температуры в экструдере но направлению оси шнека вследствие применения однозонной системы нагрева, реализованной с помощью конвекционной камеры. В отличие от работы с гранулами пластика, печать ненаполненными литьевыми восками и составами на основе парафина требует высокой точности температурного контроля по всей длине шнека для обеспечения вязкотекучих свойств расплава воска в узком диапазоне, что является обязательным условием равномерного потока материала в экструдере;
- отсутствие решения проблемы попадания пузырьков воздуха в корпус экструдера вместе с подаваемыми гранулами рабочего материала. В конструкции экструдера отсутствует система дегазации, необходимая в случае подачи материала в виде гранул, а подача гомогенизированного расплава как пластика, так и литьевого воска невозможна вследствие отсутствия нагрева транспортного канала для подачи материала.
Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели является шнековый экструдер (принят за прототип), с трехзонной системой нагрева по корпусу шнека (см. [2] патент РФ на полезную модель №203882, МПК: В29С 48/395, B33Y 30/00, опубл. 26.04.2021). Экструдер предназначен для 3D-печати наполненными и ненаполненными термопластичными полимерами в виде гранул или вторичного сырья с температурой плавления до 500 градусов Цельсия.
Недостатком аналога является необходимость применения дополнительной системы подачи гранул во входной штуцер с газоотводящими отверстиями, поскольку в конструкции экструдера не предусмотрен загрузочный бак для рабочего материала. Данная особенность приводит к неизбежности монтажа дополнительного резервуара для хранения гранул материала, установки и подбора рабочих параметров системы загрузки гранул в штуцер экструдера, что делает конструкцию 3D-принтера с подобным экструдером технически сложной и менее эргономичной.
Технической задачей, стоящей перед заявленной полезной моделью, является создание экструдера, предназначенного для печати различными модификациями на основе восков и парафинов и способного автономно осуществлять хранение и плавление гранул рабочего материала с последующим поддержанием рабочей температуры расплава в корпусе экструдера и точной, равномерной экструзией материала из выходного сопла.
Согласно заявленной полезной модели, техническая задача решается за счет того, что шнек экструдера, закрепленный с помощью муфты и вращающийся под управлением шагового двигателя, осуществляет экструзию расплава рабочего материала по профилю экструдера, состоящего из загрузочного бака, корпуса и выходного сопла, каждый из которых имеет собственный независимый нагреватель и термодатчик, что обеспечивает трехзонный контроль температуры по всей длине экструдера.
За счет активного нагрева и контроля температуры в загрузочном баке в экструдер могут быть загружены как гранулы литьевого воска с последующим плавлением и перемешиванием, так и готовый расплав литьевого воска, что позволяет обеспечить поступление гомогенизированного расплава материала к шнеку экструдера, решая проблему дегазации, возникающую при использовании аналога [1], так и проблему установки дополнительной системы подачи гранул материала, возникающую у аналога [2].
Для нагрева бака и корпуса экструдера используются гибкие силиконовые нагреватели с монтируемой термоизоляцией из пенополиэтилена по всей длине элементов. Для дополнительной термоизоляции бака используются съемные пластиковые крышка бака, пластиковый корпус и внешний колпак; для дополнительной термоизоляции корпуса экструдера – собственный внешний кожух, поддерживающие тепло в пространстве экструдера. Возможность снятия крышки бака и внешнего кожуха в процессе печати позволяет восполнять объем рабочего материала новыми гранулами литьевого воска, автоматически расплавляемыми в баке экструдера, что позволяет изготавливать восковки большой массы, не ограничиваемой размером загрузочного бака.
Быстросъемное крепление кожуха и изоляции корпуса экструдера позволяют варьировать конструкцию в зависимости от модификации состава на основе воска. Для ненаполненных литьевых восков с повышенной текучестью необходимо производить более значительное охлаждение материала в зоне корпуса экструдера для достижения оптимальной вязкости расплава, вследствие чего реализована возможность демонтажа кожуха и изоляции. Ряд модификаций литьевых восков, а также наполненные воски имеют существенно более пологий диапазон изменения вязкости, что уменьшает необходимость охлаждения материала в зоне корпуса. Для таких материалов предпочтительно использование дополнительной теплоизоляции для повышения энергоэффективности.
Шнек экструдера изготавливается из полиамида, что позволяет сократить отвод тепла относительно применения металлического шнека и увеличить энергоэффективность экструдера, уменьшив время расплава гранул материала; упростить процесс производства шнека за счет применения порошковой SLS-печати вместо применения токарно-фрезеровочных работ и сохранить долговечность корпуса экструдера за счет пары трения полиамид-металлический корпус.
Двигатель экструдера, находящийся внутри внешнего колпака, имеет собственный радиатор охлаждения, препятствующий перегреву двигателя в процессе печати.
Крепление бака с пластиковым корпусом и корпуса экструдера осуществляется к металлической скобе, позволяющей устанавливать экструдер на различные 3D-принтеры, работающие по технологии FDM(FFF).
На фиг. 1 представлен внешний вид экструдера (без теплоизоляционного внешнего колпака и кожуха из пластика).
На фиг. 2 представлен разрез экструдера в сечении В-В.
На фиг. 3 представлен внешний вид экструдера.
Экструдер состоит из элементов, обеспечивающих механическое передвижение рабочего материала; контроль температуры в системе и элементов крепления. Шаговый двигатель 4 с помощью муфты 5 передает вращение на шнек 2. Шнек 2 осуществляет продвижение рабочего материала (литьевого воска) из загрузочного бака 6 в корпус экструдера 16, далее в переходник 17 и выходное сопло 1. Данные элементы экструдера последовательно закрепляются с помощью резьбовых соединений.
Нагрев загрузочного бака 6 осуществляется с помощью силиконового нагревателя 18, нагрев корпуса экструдера 16 осуществляется силиконовым нагревателем 7, нагрев выходного сопла 1 осуществляется нагревательным элементом 3. Для контроля и управления процессом нагрева в каждый из вышеперечисленных элементов встраивается термодатчик. Для сохранения тепла в области загрузочного бака 6 используется теплоизоляция 19, крышка бака 15 и пластиковый корпус 14, дополнительно в верхней части конструкции экструдера используется внешний колпак 11. Для сохранения тепла в области корпуса экструдера 16 используются теплоизоляция 20 и кожух 10. Отвод тепла от шагового двигателя осуществляется с помощью радиатора 13.
Шаговый двигатель 4, бак экструдера 6, деталь крепления 8 и пластиковый корпус 14 закрепляются на скобу 9, устанавливаемую на ось перемещения 3D-принтера. Кожух 10 устанавливается на деталь крепления 8.
Использование экструдера для 3D-печати изделий из литьевого воска осуществляется следующим образом. С помощью управляющей программы 3D-принтера задаются температуры и происходит нагрев загрузочного бака, корпуса экструдера и выходного сопла. По достижении температур, съемный внешний колпак и крышка загрузочного бака снимаются для загрузки рабочего материала в бак экструдера. Возможна как загрузка готового расплава литьевого воска (при использовании воскоплава или любой другой внешней системы плавления), так и загрузка гранул литьевого воска с последующим плавлением в баке. По достижении необходимой температуры и фазового состояния расплава воска в загрузочном баке крышка бака и внешний колпак снова монтируются на экструдер.
Гомогенизированный расплав литьевого воска поступает в верхнюю часть корпуса экструдера. Разные величины предустановленных температур в зонах загрузочного бака, корпуса экструдера и сопла обеспечивают частичное охлаждение расплава в корпусе экструдера, ведущее к увеличению динамической вязкости рабочего материала, увеличению производительности шнека и равномерности подачи воска из выходного сопла. В случае ненаполненных литьевых восков и парафинов изоляция и кожух корпуса демонтируются для большего охлаждения расплава с целью достижения оптимальных вязкотекучих характеристик.
Управляющий код, формируемый в программе управления 3D-принтером на основе целевой 3D-модели, передается с платы на шаговые двигатели экструдера и кинематических элементов 3D-принтера, что обеспечивает параллельное перемещение выходного сопла экструдера в рабочем пространстве принтера и подачу материала на стол 3D-принтера с заданной величиной расхода. Таким образом, формируется изделие заданной геометрии из литьевого воска.
Предлагаемая полезная модель с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет создать экструдер, позволяющий осуществлять 3D-печать изделий из различных модификаций на основе восков на FDM(FFF) 3D-принтере с учетом требований автономного хранения, плавления и поддержания температуры рабочего материала.