ПРЕЦИЗИОННЫЙ ЭКСТРУДЕР ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Настоящая полезная модель относится к области электроники. Изобретение относится к устройствам, предназначенным для распыления жидких сред и предполагает реализацию нового технологического подхода к построению прецизионной аддитивной печати.
Уровень техники.
3D печать представляет собой класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного, послойного нанесения материала - в противоположность так называемому вычитающему производству. Трехмерная печать изделий из различных типов фотополимеров имеет постоянно расширяющееся применение в технике и технологии. Очевидной выгодой применения в качестве экструдера электрогидродинамического устройства распыления: существенное сокращение расхода материала, сравнительно более высокая экологичность, низкая ресурсоемкость технологического процесса, высокий уровень автоматизации, высокая степень повторяемости изделий - позволяет существенно повысить конкурентоспособность продукции в рамках этого технологического подхода. Таким образом, трехмерная печать становится все наиболее популярной и дешевой, доступной если не для широких масс, то, по крайней мере, для большинства средних производственных компаний. И на сегодняшний день разработка устройств 3D печати является не только одной из актуальных, но также одной из приоритетных задач. Метод электрогидродинамического диспергирования, основанный на явлении электрокапиллярности, является очень перспективным в производстве экструдеров для 3D-принтеров, работающих по струйной технологии печати.
Имеющиеся аналоги не приспособлены непосредственно для решения задач по оптимизации работы 3D-принтеров.
Из существующего уровня техники известно «Электростатическое устройство для нанесения диэлектрических жидкостей на металлическую полосу» (Патент №2254932). Изобретение относится к электростатическому нанесению диэлектрических жидкостей на металлическую полосу и может быть использовано в области черной металлургии при производстве полосового проката и нанесении защитных покрытий на поверхность полосы. Задача изобретения - повышение равномерности истечения масла по ширине сопла. Для этого электростатическое устройство для нанесения диэлектрических жидкостей на металлическую полосу содержит присоединенную к источнику высокого напряжения распылительную головку, снабженную соплом со щелевым проемом и сообщенным с ним каналом, выполненным по ширине сопла, и средство для подачи жидкости к щелевому проему.
Недостатком известного технического решения является следующее. При всех одинаковых условиях изготовления и сборки устройства отсутствие возможности противостоять ионизационным процессам в области распыления. Ионизационные процессы в области приэлектродного пространства могут способствовать перезарядке капель распыляемой жидкости, что отрицательно влияет на процесс нанесения, а также может привести к пробою диэлектрической жидкости, в результате которого жидкость теряет свои свойства.
Известен «Распылитель жидкости» (Патент №2329873), однако он относится к устройствам, предназначенным для распыления жидких сред, а именно к распылителям эжекционного типа с мелкодисперсным распылом капель жидкости. Изобретение обеспечивает повышение эффективности генерации мелкодисперсного пространственно-однородного газокапельного потока, а заявляемое на регистрацию устройство представляет собой электрогидродинамическое устройство распыления. Недостатком зарегистрированного распылителя жидкости является отсутствие возможности регулирования генерируемого потока.
2
2
3
Известен патент №2346754, «Электростатический распылитель». Данное устройство обеспечивает электростатическое распыление воды в виде мельчайших ионизированных частиц и удаление минералов типа Са+ и Mg+ из воды, подаваемой через капиллярное средство подачи воды, или из воды, подаваемой к средству подачи воды из емкости. Таким образом, не образуется осадок в виде СаСО или MgO и обеспечивается надежное электростатическое распыление.
Известно изобретение «Способ и устройство для получения заряженных капель жидкости» (Патент №2509610). Представлены устройство для получения очень малых (наноразмеров) заряженных капель жидкости, а также способ получения таких заряженных капель жидкости. В устройстве используется элемент выпуска жидкости, связанный по текучей среде с заряжаемой жидкостью и содержащий основу, имеющую разнесенные друг от друга на одинаковое расстояние и прикрепленные к ней ворсинки примерно одинаковой длины, и противоэлектрод. При достижении электрически заряжаемой жидкостью кончика ворсинки жидкость является электрически заряженной, и расстояние между кончиком ворсинки и противоэлектродом является достаточным для создания напряженности электрического поля, при которой электрически заряженная жидкость спонтанно превращается в струю очень мелких заряженных капель жидкости, движущихся от кончика ворсинки в направлении к противоэлектроду вдоль линий напряженности электростатического поля, сформировавшегося между кончиком ворсинки и противоэлектродом. Благодаря такой конструкции предлагаемое устройство лишено проблем, свойственных устройствам, в которых для формирования малых капель жидкости используются форсунки с малым проходным отверстием и связанных с тем, что данные форсунки забиваются содержащимися в жидкости примесями, однако данный механизм неприменим для трехмерной печати.
К недостаткам современных аналогов распыляющих устройств, в целом, относится недостаточная воспроизводимость результатов, низкая степень равномерности распределения капель жидкости в распыленном потоке, а также неоднородность структуры распыленного потока и монодисперсность мелкодисперсной фракции распыленного потока. Кроме того, известные устройства не позволяют регулировать параметры генерируемого потока и характеризуются чувствительностью к перепадам температур во время процесса печати. Кроме того, при работе с известными используемыми сегодня механизмами 3D печати существует ряд ограничений в размерах изготавливаемой детали и иногда возникает необходимость дополнительно обрабатывать изделие - сглаживать неровности.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является низкая степень равномерности распределения капель жидкости в распыленном потоке, неоднородность структуры распыленного потока, невозможность регулирования параметров генерируемого потока и чувствительность к перепадам температур во время процесса печати.
Раскрытие сущности полезной модели.
Заявляемая полезная модель осуществляется для того, чтобы решить вышеуказанную проблему, и, следовательно, техническая задача настоящей полезной модели заключается в обеспечении равномерности распределения капель жидкости при 3D печати, обеспечении однородности потока, создание устройства, позволяющего регулировать параметры потока, которое было бы менее чувствительно к температуре и иным внешним факторам.
Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение равномерности распределения капель жидкости при 3D печати, обеспечение однородности потока, регулирование параметров потока, снижение чувствительности к внешним факторам.
Технический результат достигается тем, что распад струй жидкостей на капли происходит под действием внешнего электрического поля. Изменение величины подаваемого высокого напряжения позволяет регулировать размер получаемых в результате распада струи капель.
Устройство электрогидродинамического распыления (ЭГД-экструдер) состоит из внутренней и внешней цилиндрических частей, внутреннего и внешнего сопла, к которым подключается электрод (фиг. 1).
Фиг. 1 содержит изображение внутреннего сопла (1) и внешнего сопла (2) с обозначением мест подключения электродов (3), внутренней части устройства (4) с обозначением каналов для подачи жидкости и газа (5), внешней части устройства (6) и изображение собранного устройства (7).
Внутренняя часть устройства представляет собой цилиндр, изготовленный из материала Фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80), в верхней части которого расположен канал для подачи рабочей жидкости, а нижняя часть заканчивается внутренним соплом с d=1 мм, изготовленным из стали 40Х (ГОСТ 4543-71), которое располагается соосно, внешнему соплу d=2 мм (сталь 40Х ГОСТ 4543-71). Внешняя часть устройства представляет собой полый цилиндр, также изготовленный из материала Фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80), в который вставляется внутренняя часть, наличие с обеих сторон каналов для подачи вспомогательной жидкости или инертного газа. Само устройство закрепляется.
Г
В начальном состоянии к соплу экструдера прикладывается относительно небольшое избыточное давление (порядка сотен паскаль), чтобы на выходе капиллярного металлического сопла экструдера образовался только мениск рабочей жидкости, но при этом рабочая жидкость не вытекала из сопла за счет равенства гидростатического и лапласовского давлений (последнее полностью определяется при данной геометрии сопла экструдера коэффициентом поверхностного натяжения α). Между соплом экструдера и противоэлектродом с отверстием (диаметр которого больше возможного диаметра образующихся капель) создается электрическое поле путем приложения высокого постоянного напряжения U того или иного знака относительно земли. В результате чего под действием электростатической индукции на мениске соберется поверхностный заряд с максимальной плотностью у вершины, возникнет пондеромоторная сила, и мениск будет вытягиваться в конус. В результате на мениск жидкости начнет действовать дополнительная электрическая сила, и образуется линейный поток заряженных знаком потенциала экструдера монодисперсных капель.
В силу большой вязкости и сравнительно малого поверхностного натяжения в отсутствии прикладываемого напряжения из капилляра вытекает тоненькая струйка, на конце которой образуется капля, далее струйка начинает распадаться на капли вблизи кончика капилляра (фиг. 2).
На Фиг. 2 представлено схематичное изображение распыления жидкости без влияния электрического поля (8) и распыления жидкости под влиянием электричества: при мощности 5 киловатт (9), 10 киловатт (10), 15 киловатт (11), 19 киловатт (12). Размер образующихся при электрогидродинамическом диспергировании капель является функцией от прикладываемого электрического потенциала, размера и конфигурации электрода, расхода диспергируемой жидкости, диаметра сопла форсунки и физических свойств жидкости, таких как вязкость, поверхностное натяжение, диэлектрическая проницаемость и электропроводность. С увеличением прикладываемого напряжения диаметр образующихся капель уменьшается (фиг. 2), и распад на капли происходит ниже по течению струи, при этом возрастают скорость жидкости и скорость образования капель, и одновременно уменьшается расстояние между соседними каплями.
Если продолжить увеличение потенциала, капли сливаются в единую непрерывную струю жидкости (фиг. 3). Изменение величины подаваемого высокого напряжения позволяет регулировать размер капель получаемых в результате распада струи, что при изготовлении прецизионных деталей играет важную роль.
На Фиг. 3 приведена Карта режимов истечения заряженных струй в зависимости от напряжения. В режиме капельного истечения характер капель: при капельном истечении (13), при переходе к волнообразному струйному истечению (14), при начале дестабилизации (15), при дестабилизации с укрупнением капель (16). В рамках переходного режима истечения происходит стабилизация волнового течения (17), дестабилизация (18), затем изгибная неустойчивость (19). В режиме струйного истечения имеет место релеевская неустойчивость (20), затем стабилизация (21) и дестабилизация полем (22).
Если на разные сопла одного экструдера подавать различные напряжения (фиг. 4), то на выходе можно получить одновременно капли различных диаметров, что для процесса 3D печати играет определяющую роль. Например, в процессе печати часто возникает необходимость обрабатывать изделие - сглаживать неровности. Если в потоке капель, вылетающих из экструдера, будут только капли с необходимыми размерами, то необходимость дополнительной обработки детали исчезнет.
Преимуществом такой модели является также наличие возможности подачи одновременно с рабочей вспомогательной жидкости или инертного газа, что позволяет избежать возможных проблем, связанных с ионизационными процессами, которые возникают при заряжении рабочей жидкости. Ионизационные процессы могут оказывать следующие отрицательные воздействия: перезарядка капель и явление пробоя диэлектрической жидкости.
Перезарядка уже заряженных капель рабочей жидкости, в результате, которого они возвращаются на сопло, налипая на нем и ухудшая работу распылителя. Данное явление возникает вблизи тонких струй и менисков, оно приводит к сложному биполярному распределению зарядов в области формирования заряженных капель. Причем, вблизи поверхности образуется приповерхностный слой того заряда, что и полярность электрода, а вне этого слоя - область зарядов противоположного знака.
Пробой диэлектрической жидкости происходит тогда, когда напряженность поля превышает некоторое критическое значение, в тот момент разрушаются молекулярные связи и диэлектрическая жидкость теряет свои свойства.
Устройство представляет собой относительно дешевый механизм, имеет широкие возможности для модификации, благодаря распаду струй жидкостей на капли, который происходит под действием внешнего электрического поля. Изменение величины подаваемого высокого напряжения позволяет регулировать размер получаемых в результате распада струи капель. Предлагаемое изделие будет отличаться от аналогичных, представленных на рынке, возможностью установки нескольких таких устройств электрогидродинамического распыления в линейку, на каждое из которых будет подаваться свое значение высокого напряжение, что позволит одновременно вести печать различными по диаметру каплями. В связи с чем данное устройство будет отличаться сравнительно быстрой работой, а малошумность экструдера будет достигнута за счет его конструкции и отсутствия механических приводов.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - Электрогидродинамическое устройство распыления;
Фиг. 2 - Варианты распыления жидкости;
Фиг. 3 - Карта режимов истечения заряженных струй в зависимости от напряжения;
Фиг. 4 - Схема зависимости диаметра каплей от напряжения.