3D-ПРИНТЕР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ В УСЛОВИЯХ КОСМОСА

Полезная модель относится к области аддитивных технологий и может быть использована для изготовления деталей из полимерных материалов в условиях космического полета.
Из патента на изобретение RU 2611533 [МПК B29C 67/04, опубл. 28.02.2017] известно несколько вариантов устройств для аддитивного производства, выполненных с возможностью функционирования в условиях микрогравитации. Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является устройство для аддитивного производства, которое содержит: источник  исходного материала, содержащий исходный материал; компонент для сцепления материала, выполненный с возможностью приема порций исходного материала из источника  исходного материала, при этом компонент  для сцепления материала позиционирует и сцепляет каждую из порций принятого исходного материала в соответствии с командами создания детали; систему позиционирования компонента для сцепления материала, выполненную с возможностью позиционирования компонента для сцепления материала в соответствии с командами создания детали; объем для послойного наращивания, при этом деталь создается в пределах объема для послойного наращивания в соответствии с командами создания детали; оболочку, при этом оболочка имеет замкнутый объем, содержащий компонент для нанесения материала, систему  позиционирования материала и объем для послойного наращивания, при этом оболочка  содержит дверцу  для доступа; и блок  регулирования среды для регулирования среды в замкнутом объеме для обеспечения воздухонепроницаемости оболочки, блок  регулирования среды дополнительно содержит узел  с заслонками, выполненный с возможностью регулирования потока воздуха через, по меньшей мере, часть блока  регулирования среды; при этом блок регулирования среды расположен в пределах замкнутого объема и содержит по меньшей мере один фильтр  и по меньшей мере один вентилятор. Также блок регулирования среды дополнительно содержит: устройство регулирования температуры внутреннего воздуха, при этом устройство регулирования температуры внутреннего воздуха имеет по меньшей мере один нагревательный элемент и радиатор.
К достоинствам прототипа следует отнести возможность его функционирования в неблагоприятных условиях космического пространства, к недостаткам отсутствие возможности быстрой замены различных узлов и деталей при выходе их из строя в процессе работы, а также невысокую надежность системы вентиляции устройства, которая должна обеспечивать качество воздушной среды, попадающей в замкнутое пространство космической станции, в процессе работы 3D- принтера.
Общими существенными признаками с заявляемым устройством являются наличие герметичной рабочей камеры; печатающей системы; управляющей компьютерной системы, системы терморегулирования герметичной рабочей камеры, системы вентиляции (фильтрации газов) герметичной рабочей камеры, содержащей по меньшей мере один фильтр, по меньшей мере один вентилятор, по меньшей мере один нагревательный элемент, один радиатор, одну заслонку.
Задачей данной полезной модели является создание устройства для космического производства деталей посредством аддитивных технологических процессов.
Техническим результатом является расширение арсенала средств для изготовления деталей из полимерных материалов в условиях космического полета.
Технический результат достигается тем, что 3D-принтер для производства деталей из термопластичных полимеров в условиях космоса, состоящий из корпуса с размещенной  в нем герметичной рабочей камерой,  печатающей системой, управляющей компьютерной системой, системой терморегулирования герметичной рабочей камеры, содержащей нагревательный элемент  и радиатор, системой вентиляции  герметичной рабочей камеры, содержащей фильтр, вентилятор, заслонку, выполнен в виде блочно-модульной конструкции, расположенной в едином корпусе, представляющем собой моноблок прямоугольной формы, оснащенный элементами его крепления по месту эксплуатации, и образованный каркасом, выполненным из экструдированного алюминиевого профиля, и установленными на нем верхней, нижней и боковыми панелями, а также дверью, расположенной с лицевой стороны корпуса, на которой размещен компьютер управления процессом печати, при этом на каркасе также установлены рабочая камера принтера, по периметру которой  размещены элементы систем вентиляции и терморегуляции, система вторичного электропитания и управления принтером, кабели коммутации в кабельных каналах, элементы системы подачи филамента: блок сменного картриджа с филаментом   и блок податчика филамента, а внутри рабочей камеры размещена печатающая система с экструдером и видеокамера наблюдения, при этом   системы терморегулирования и вентиляции рабочей камеры выполнены в виде единой замкнутой системы, состоящей из последовательно соединенных выходного вентилятора, выводящего газовую среду из объема рабочей камеры, соединенного через воздуховод с блоком предварительной очистки, включающем в себя сменный картридж фильтрации, выполненный с возможностью улавливания механических загрязнений от продуктов плавления филамента, к выходу которого через фланец подсоединен блок тонкой очистки, выполненный с возможностью фильтрации частиц летучих органических веществ и механических загрязнений от продуктов плавления филамента, к выходу которого через фланец подсоединен блок фильтрации и поглощения, выполненный с возможностью улавливания газообразных летучих органических веществ, к выходу которого через фланец подсоединен узел охлаждения, оснащенный шиберной заслонкой и содержащий радиатор, датчик температуры и газоанализатор,  к выходу узла охлаждения через воздуховод подсоединен корпус входного вентилятора рабочей камеры.
Полезная модель поясняется чертежами:
На Фиг.1 - общий вид 3D -принтера.
На Фиг.2 - внутренняя компоновка 3D -принтера.
На Фиг.3 - общий вид системы терморегулирования и вентиляции (СТИВ).
На Фиг.4 - блок предварительной очистки СТИВ.
На Фиг.5 - общий вид узла охлаждения системы.
Заявляемый 3D-принтер (Фиг.1, 2) выполнен в виде блочно-модульной конструкции, расположенной в едином корпусе 1. Корпус 1 заявляемого устройства представляет собой моноблок прямоугольной формы, оснащенный элементами его крепления по месту эксплуатации 2, и образованный каркасом 3 и установленными на нем верхней, нижней и боковыми панелями 4, а также дверью 5, расположенной с лицевой стороны корпуса, на которой размещен компьютер 6 управления процессом печати. Выполнение корпуса в виде каркаса и съемных боковых панелей стенок позволяет быстро заменить вышедший из строя блок устройства. Внутренний объем 3D-принтера разделен панелями на герметичную и негерметичную области, при этом все указанные панели и дверца, кроме панели управления, оснащены средствами герметизации и теплоизоляции.  По периметру рабочей камеры 7 (герметичной области) расположены элементы системы вентиляции и терморегуляции:8 – блок предварительной очистки; 9 – блок тонкой очистки; 10 – блок фильтрации и поглощения; 11 – радиатор узла охлаждения; 12 – воздуховод, 13- вентилятор выходной; элементы системы вторичного электропитания и управления принтером: 14 – блок управления изделием; 15 – блок питания изделия.
Системы терморегулирования и вентиляции совмещены в единую систему (СТИВ), предназначенную для поддержания температурного режима и обеспечения требований к качеству воздушной среды в объеме герметичной рабочей камеры в условиях космического полета. Общий вид системы приведен на Фиг.3.
Конструктивно система терморегулирования и вентиляции рабочей камеры состоит из двух вентиляторов, четырех фильтров, узла охлаждения с радиатором и герметичных воздуховодов, соединяющих их. Через воздуховод 16, соединенный с фланцем выходного вентилятора, газовый поток попадает в блок предварительной очистки 8, предназначенный для улавливания крупных механических загрязнений от продуктов плавления филамента. В состав блока предварительной очистки входит сменный картридж фильтрации. Из блока предварительной очистки 8 газовый поток через фланец попадает в блок тонкой очистки 9. Блок тонкой очистки предназначен для фильтрации очистки проходящего газового потока от крупных частиц летучих органических веществ (ЛОВ) и мелких частиц механических загрязнений от продуктов плавления филамента. Из блока тонкой очистки 9 газовый поток через фланец попадает в блок фильтрации и поглощения (БФП) 17. Блок БПФ предназначен для окончательной очистки газового потока перед операцией его охлаждения. Из БФП газовый поток по воздуховоду попадает в узел охлаждения 18. Узел охлаждения 18 предназначен для понижения температуры газового потока в результате конвективного теплообмена с запанельным пространством космической станции. Узел охлаждения 18 оснащен датчиками температуры и качества воздуха, контролирующими чистоту и температуру газового потока, поступающего в рабочий объем камеры изделия. Из узла охлаждения газовый поток перемещается в результате всасывания входным вентилятором камеры. Таким образом, обеспечивается замкнутая система вентиляции рабочего объема камеры. В случае, если по показаниям датчиков температура или содержание примесей в газовой среде рабочей камеры не соответствуют требуемым, операция вентилирования повторяется. Узел охлаждения системы оснащен шиберной заслонкой 19. При выполнении операции вентилирования камеры заслонка находится в закрытом режиме. При открытии рабочей камеры для извлечения напечатанного изделия, воздушный поток из внешней среды всасывается вентиляторами рабочей камеры и подается в узел охлаждения. При выполнении данной операции заслонка переводится в открытый режим и поток выводится во внешнюю среду.
На Фиг.4 показан блок предварительной очистки 8 системы терморегулирования и вентиляции, который представляет собой конструкцию с выдвижным сменным картриджем фильтрации 21. В рабочем положении картридж задвинут в блок и зафиксирован. При проведении операции смены картридж выдвинут из блока. Основным элементом конструкции блока является закрытый корпус 22 с входным отверстием 23, через которое газовый поток из камеры изделия поступает во внутреннюю полость блока. В полости блока установлена герметизирующая прокладка 24, охватывающая входное отверстие по периметру. При установке картриджа в рабочее положение его установочная поверхность плотно прилегает к герметизирующей прокладке. Через картридж с установленным в нем фильтрующим элементом газовый поток попадает во внутреннюю полость блока, откуда через выходное отверстие корпуса 22 передается по системе вентиляции и терморегулирования.
Общий вид узла охлаждения системы приведен на Фиг.5. Основным конструктивным элементом узла является радиатор 11. Радиатор выполнен из алюминиевых сплавов и является сварной конструкцией. Внутренняя полость радиатора выполнена лабиринтным образом, чтобы газовый поток проходил наибольший путь с целью улучшения конвективного теплообмена с запанельным пространством космической станции. Лицевая поверхность радиатора выполнена с оребрением для улучшения теплообмена. Через входное отверстие 25 радиатора газовый поток перемещается по лабиринтной траектории к выходному отверстию радиатора 26. Возле выходного отверстия в верхней стенке радиатора установлены датчик температуры воздуха 27 и газоанализатор 28.
Таким образом, разработанное устройство 3D-принтера существенно расширяет арсенал средств для изготовления деталей из полимерных материалов в условиях космического полета.