ЭКСТРУДЕР

1.1 Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области экструзионного формования, т.е. пропусканию формуемого материала через фильеры или насадки, которые придают требуемую форму, в частности к экструдерам.
1.2 Уровень техники
Известен шнековый стержень переменного диаметра и устройство для экструзии расплава термопластичных частиц, использующее шнековый стержень переменного диаметра (CN 110126236 A, опубл. 2019-08-16). В известном решении раскрывается шнековый стержень переменного диаметра. Шнековый стержень переменного диаметра содержит секцию зажима, секцию подачи, секцию гомогенизации и секцию экструзии, соединенные последовательно; на наружных поверхностях загрузочной секции, гомогенизирующей секции и секции экструзии образованы резьбовые канавки; диаметр шнека постепенно уменьшается от секции подачи к секции экструзии. Шнековый стержень с переменным диаметром имеет следующие положительные эффекты: винтовой стержень с переменным диаметром имеет малый внешний диаметр и малую массу; глубина канавок резьбы постепенно уменьшается от входных концов к выходным концам; благодаря взаимодействию с нагревательным цилиндром экструзионного устройства частицы термопласта нагреваются в нагревательном цилиндре для плавления, а затем постепенно сжимаются; и частицы термопласта перемещаются в направлении сопла при поддержании определенного давления для достижения лучшего и более стабильного эффекта экструзии.
Однако в данном решении не используется тормозящей пластины.
Известен одношнековый микроэкструдер для 3D-печати (US 2017291364 A1, опубл. 2017-10-12). Известный одношнековый микроэкструдер для 3D-принтера включает в себя загрузочную камеру с отверстием для приема твердых пластиковых гранул. Экструзионный цилиндр выходит из камеры подачи и имеет внутреннее отверстие конической формы между входным и выходным концами. Отверстие имеет устье на входном конце и выходное отверстие на выходном конце с участком расплава между ними. Вращающийся шнек прикреплен к приводу принтера и проходит через камеру подачи и коническое отверстие цилиндра. Постоянный или конический диаметр сердечника шнека от входного конца к выходному концу цилиндра образует уменьшающуюся глубину стержня канала по винтовой траектории для сжатия между поверхностью сердечника и внутренней поверхностью отверстия для нагнетания расплава.
Однако в данном решении не используется тормозящей пластины.
Известен выбранный в качестве прототипа экструдер (US 2020130231 A1, опубл. 2020-04-30). В известном решении содержится шнековый экструдер, который имеет значительно меньшее отношение длины к диаметру, чем известные решения из области литья под давлением и аддитивного производства, а также измельчающий инструмент, расположенный в воронкообразной зоне подачи вертикально расположенного шнека экструдера. Это предотвращает вращательное движение материала в воронке, а также, тем самым, вызывает движение в направлении подачи шнека экструдера в сочетании с наклоном боковых поверхностей шнека. Кроме того, происходит измельчение части грубого материала, за счет чего увеличивается объемная плотность материала в районе шнека и требуется меньшее выдавливание воздуха из материала в районе зоны пластификации и гомогенизации.
Однако в данном решении используется шнек с отличными геометрическими параметрами, что ухудшает параметры расплава, выходящего из сопла экструдера.
1.3 Раскрытие полезной модели
В одном аспекте полезной модели раскрыт экструдер, содержащий:
- блок загрузки, выполненный с возможностью вмещать в себя гранулы материала для печати,
- корпус шнека со шнеком, выполненные с возможностью перемещать гранулы из блока загрузки через нагреватель в сопло,
- нагреватель, выполненный с возможностью расплавлять гранулы,
- сопло, выполненное с возможностью выдавать расплавленный материал для печати,
причем блок загрузки соединен с верхней частью корпуса шнека, вмещающей в себя установленный с возможностью вращения шнек, корпус шнека соединен с нагревателем и соплом в своей нижней части,
характеризующийся тем, что
- диаметр сердечника шнека увеличивается от 0,59 от диаметра шнека в верхней части до 0,9 от диаметра шнека в нижней части,
- в блоке загрузки установлена тормозящая пластина, выполненная с возможностью обеспечивать плотную загрузку гранул в шнек.
В дополнительных аспектах раскрыто, что корпус шнека в верхней части содержит блок жидкостного охлаждения, выполненный с возможностью обеспечивать подачу гранул с заданной температурой; блок жидкостного охлаждения содержит канал охлаждения в корпусе шнека; нагреватель содержит индукционный нагреватель, блок загрузки содержит коническое сужение с углом между осью нормали и стороной конуса в диапазоне от 35° до 45°, высота блока загрузки такая, что верхний уровень гранул при полной загрузке выше витков шнека по меньшей мере на три диаметра шнека.
Основной задачей заявленного решения является создание экструдера, который обеспечивает постоянную безразрывную подачу трех типов материалов: инженерные пластики, металлические порошки с полимерным связующим, керамические порошки с полимерным связующим.
Сущность решения заключается в том, что в предложенном экструдере используется шнек с сильно уменьшающимся межвитковым пространством и тормозящей пластиной. Тормозящая пластина не дает образовываться большим пустотам между гранулами забираемыми шнеком, уменьшающееся межвитковое пространство шнека устраняет даже мелкие участки, наполненные воздухом, что вместе обеспечивает безразрывную подачу расплава.
Технический результат, достигаемый решением, заключается в способствовании безразрывной подаче экструдером любого применяемого на практике материала для печати.
1.4 Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает сечение экструдера во фронтальной плоскости.
Фиг. 2 показывает сечение экструдера в сагиттальной плоскости.
Фиг. 3 показывает сечение экструдера в горизонтальной плоскости.
1.5 Осуществление полезной модели
Предложенный экструдер показан на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, на которых
1 - Блок загрузки,
2 - Блок жидкостного охлаждения,
3 - Корпус шнека,
4 - Шнек,
5 - Нагреватель,
6 - Сопло,
7 - Тормозящая пластина,
8 - Штуцер для подключения жидкостного охлаждения,
9 - Канал охлаждения.
Все элементы заявленного решения соединены друг с другом посредством сборочных операций так, чтобы обеспечить конструктивное и функциональное единство. Для соединения элементов друг с другом могут осуществляться любые очевидные для специалиста в данной области техники операции: пайка, сварка, резьбовое соединение, соединение с помощью сил трения. Если отдельно не указано, то конкретный тип соединения не существенен в рамках заявленного решения.
Блок 1 загрузки представляет собой цилиндрическую емкость с коническим сужением в нижней части. Конкретная форма блока 1 существенна в рамках данной заявки, и он должен иметь цилиндрическое сечение. Коническое сужение должно иметь угол между осью нормали и стороной конуса в диапазоне от 35° до 45°. Также высота блока 1 должна быть такой, чтобы при полной загрузке в него гранул их верхний уровень был выше витков шнека 4 по меньшей мере на величину 3 диаметров шнека. Такая форма зоны загрузки позволяет избежать образования “пробки” из гранул в зоне загрузки и сопротивляется выталкиванию гранул из блока 1, способствует достаточному давлению на нижние гранулы, чтобы они плотнее входили в межвитковое пространство шнека 4 вне зависимости от типа материала гранул.
Блок 2 жидкостного охлаждения находится под блоком 1 и соединен с ним сборочными операциями, он предназначен для того, чтобы все гранулы, двигающиеся по шнеку 4, имели предварительно заданную температуру. Блок 2 жидкостного охлаждения призван отвести тепло от шнека 4 в зоне загрузки и предотвратить нагрев гранул от перегретого шнека 4 в зоне загрузки. Слишком сильно нагретые гранулы могут прилипать к шнеку 4 и ухудшать движение материала по шнеку, что приведет к неравномерному выходу расплава из сопла 6 шнека 4. Для гарантированного создания требуемого температурного режима необходимо использовать именно жидкостное охлаждение, так как в силу небольших размеров шнека 4 воздушное охлаждение не будет отводить тепло с достаточной эффективностью.
Сам шнек 4 находится в корпусе 3 шнека, который соединен с блоком 2 сборочными операциями.
В нижней части корпуса 3 установлен нагреватель 5 выполненный с возможностью нагревать гранулы, перемещаемые по шнеку 4 до температуры, при которой они плавятся и выходят из сопла 6. Нагреватель может представлять собой нагревательную спираль или индукционный нагреватель. Индукционный нагреватель позволяет более точно поддерживать заданную температуру, что позволяет повысить надежность безразрывной подачи материала из сопла 6.
Сопло 6 представляет собой насадку, закрепленную на нижнем конце корпуса 3, размер и форма выходного отверстия сопла 6 подбираются, исходя из выполняемых экструдером задач.
В блоке 1 посредством сборочных операций установлена тормозящая пластина 7, выполненная из пластика или металла. Пластина 7 «останавливает» массу засыпанных гранул, предотвращает проворачивание массы гранул вслед за вращением шнека 4. Такое притормаживание сухой массы формирует постоянный вал материала при заходе в шнек 4, что позволяет уплотнить загрузку и предотвратить неоднородность заполнения первых витков шнека 4 и зоны предварительного плавления, находящейся над нагревателем 5 (не показана на чертежах). Эта зона нужна для размягчения гранул посредством их нагрева. Это нужно чтобы гранулы стали мягкими и могли уплотняться еще до зоны нагрева (нагревателя 5). Это ускоряет процесс экструзии и позволяет использовать шнек меньшей длины.
В основе заявленного экструдера лежит одношнековая схема работы. Шнековая пара представляет собой цилиндрический корпус 3 шнека, в котором находится шнек 4. Между шнеком и стенками корпуса 3 формируют зазор.
Сам шнек 4 выполнен с изменяемым коэффициентом конверсии: диаметр сердечника увеличивается к концу шнека 4. Диаметр сердечника составляет 0.59 от диаметра шнека 4 в блоке 1 и составляет 0.9 от диаметра шнека 4 в области сопла 6. Такое решение позволяет повысить давление на выходе из сопла 6, при этом обеспечивая постоянную безразрывную подачу любого из заявленных материалов из зоны плавления в зону сжатия, сформированную благодаря форме шнека 4, у которого уменьшается межвитковое пространство от зоны загрузки к соплу 6.
Разработанное решение выполнено с возможностью установки на любые системы позиционирования - 3D-принтер, ЧПУ-станок, роборука. Конструкция заявленного экструдера позволяет печатать три основных типа гранулята:
Инженерные пластики, включая стекло- и угленаполненные,
Металлические порошки с полимерным связующим (MIM),
Керамические порошки с полимерным связующим (CIM).
Заявленная универсальность обеспечивается применением принудительного заполнения всего объема шнека 4 и формой шнека 4, что обеспечивает высокую компрессию гранулята перед нагревом и плавлением.
1.6 Описание работы устройства
В экструдер засыпают гранулы, включают блок 2 жидкостного охлаждения, нагреватель 5, обеспечивают вращение шнека 4, что приводит к движению гранул по виткам шнека 4, их охлаждению в блоке 2, нагреву в нагревателе 5 и выходу из сопла 6.
Экструдер перемещается по заданной траектории с заданной скоростью силовым блоком 3Д-принтера, станка с ЧПУ и т.п., формируя требуемое изделие.
Постпроцессинг для изделий из инженерных пластиков включает в себя шлифовку в размер и полировку, для изделий из металла и керамики - шлифовку в размер, полировку, а также дебиндинг и синтеринг.
В ходе печати усадка для инженерных пластиков зависит от характеристик печатаемого материала и не превышает 1.5%. Для металлических и керамических порошков усадка составляет не более 0.2% после печати и 16-20% после дебиндинга и синтеринга. Однако последние значения относятся к объемной усадке, что говорит о равномерном усаживании изделия без признаков коробления. Значения усадок закладываются в модель при разработке дизайна, что обеспечивает возможность создавать изделия с точностью до 0.2 мм для инженерных пластиков и 0.01 мм для MIM и CIM.
Проведенные исследования 3D-печати с помощью заявленного экструдера, установленного на 3-координатную систему позиционирования, подтвердили возможность 3D-печати такими материалами, как угленаполненный ПА6 (полиамид 6) (40%), угленаполненный АБС (30%), металлические порошки (316 и 420 стали) с полимерным связующим, сверхвысоконаполненный ПОМ (полиоксиметилен).
В ходе экспериментов авторы определили зависимости реологии и гомогенности расплавов и геометрии получаемого изделия от геометрии шнека и температурного режима печати.
В результате исследования структуры напечатанного металлического изделия на базе стали марки 316 была определена плотность металла, которая составляла не менее 98% от стали марки 316.
Разработанное технологическое оборудование предполагается для применения в производстве пресс-форм для переработки термопластов, реактопластов и легкоплавких металлов, а также для производства штучных, мелкосерийных изделий и прототипов.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными выше вариантами, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие реализации решения, не выходящие за пределы сущности и объема данного решения.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое решение, и что данное решение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.