ГОЛОВКА ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ РАСПЛАВЛЕННЫМ МЕТАЛЛОМ
HEAD FOR THREE-DIMENSIONAL PRINTING WITH MOLTEN METAL

Область техники
Настоящее изобретение относится к головке для трехмерной печати расплавленным металлом.
Уровень техники
Известно использование головок для трехмерной печати, которые находятся в сборе на специальном печатном оборудовании. Эти головки обеспечивают возможность создания трехмерных объектов различных форм без использования литейных форм.
Существует множество материалов, используемых для трехмерной печати, даже если в большинстве случае в устройствах для трехмерной печати используются полимерные материалы, которые выдаются в расплавленном состоянии посредством специальной головки, в соответствии с трехмерной цифровой моделью, разработанной для получения интересующего объекта.
Однако производственные нужды требуют использования материалов, отличных от полимеров, таких как металлы, и, следовательно, за недавнее время широкое распространение получили устройства для трехмерной печати, выполненные с возможностью использования металлов.
В частности, такие устройства оснащены специальными головками, которые обеспечивают возможность выдачи расплавленного металла на поверхность подложки, следуя предварительно заданной цифровой модели.
Пример головки для трехмерной печати расплавленным металлом описан в патенте США № US 9616494, в котором представлена печатная головка, содержащая камеру хранения, в которой хранится жидкий проводящий материал, окруженный электромагнитной катушкой.
Эта электромагнитная катушка электризована, определяя радиальное усилие на проводящий материал, направленное в сторону внутреннего пространства камеры.
Прилагаемое усилие приводит к выпуску капли из отверстия и, в ответ на ряд импульсов, некоторое количество капель выпускается в соответствии с запрограммированной моделью, приводя к образованию объекта.
Однако металлические головки для цифровой печати данного типа обладают рядом недостатков.
Основной недостаток связан со сложностью конструкции известных головок.
В действительности, описанные выше головки характеризуются значительной сложностью конструкции, поскольку они изготовлены путем сборки различных компонентов, которые взаимодействуют между собой синергетически для выдачи расплавленного металла.
Однако сложность конструкции отрицательно сказывается на времени, необходимом для сборки и планового обслуживания, при соответствующем увеличении затрат.
Кроме того, сложность конструкции и функционирования описанных выше головок для расплавленного металла дает повышенный риск сбоев с последующей необходимостью обеспечения специального обслуживания или замены головки.
Более того, рабочие температуры являются очень высокими, поскольку они обязательно должны быть выше температуры плавления используемого металла, так что необходимо использовать различные прокладки и уплотнительные средства, изготовленные из материалов, которые являются особенно устойчивыми к высоким температурам.
Однако износ прокладок происходит быстро, и это приводит к их частой замене, которая сопровождается необходимостью демонтажа и повторной сборки головки, что увеличивает время и затраты на операции по обслуживанию.
Кроме того, головки известного типа не обеспечивают возможность управления и выдачи потока с малой скоростью, так что точность нанесения расплавленного металла ограничена.
Описание изобретения
Основная цель настоящего изобретения заключается в представлении головки для трехмерной печати расплавленным металлом, имеющей простую конструкцию.
В пределах проиллюстрированной цели, одна задача настоящего изобретения заключается в получении головки для трехмерной печати расплавленным металлом, которая обеспечивала бы возможность снижения воздействия сбоев по сравнению с головками известного типа и, следовательно, затрат на специальное обслуживание, связанное с ними.
Кроме того, одна задача настоящего изобретения заключается в изготовлении головки для трехмерной печати, которая обеспечивала бы возможность снижения затрат, связанных со сборкой и плановым обслуживанием устройства для печати, на котором она установлена.
Другая задача настоящего изобретения заключается в получении головки для трехмерной печати расплавленным металлом, которая обеспечивала бы возможность получения трехмерных объектов с высоким разрешением и точностью.
Другая задача настоящего изобретения заключается в представлении головки для трехмерной печати расплавленным металлом, которая позволила бы преодолеть указанные выше недостатки уровня техники в рамках простого, рационального, легкого, эффективного в использовании, а также недорогого решения.
Указанные выше задачи решаются за счет настоящей головки для трехмерной печати расплавленным металлом по пункту 1 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятны из описания предпочтительного, но не исключающего, варианта реализации головки для трехмерной печати расплавленным металлом, изображенной в качестве иллюстративного, но неограничивающего примера на прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематический вид в разрезе головки, в соответствии с настоящим изобретением, в исходной конфигурации;
Фиг. 2 представляет собой схематический вид в разрезе головки, в соответствии с настоящим изобретением, в первой конфигурации;
Фиг. 3 представляет собой схематический вид в разрезе головки, в соответствии с настоящим изобретением, во второй конфигурации.
Варианты реализации изобретения
Ссылаясь конкретно на эти иллюстрации, ссылочной позицией 1 в целом обозначена головка для трехмерной печати расплавленным металлом.
Головка 1 для трехмерной печати расплавленным металлом содержит по меньшей мере один полый корпус 2, содержащий по меньшей мере первую камеру 3, выполненную с возможностью хранения по меньшей мере одного расплавленного металла 4, в которой выполнено по меньшей мере одно отверстие 5 для выдачи расплавленного металла.
Эта головка 1 выполнена с возможностью установки по меньшей мере на одном устройстве для трехмерной печати, которое не показано на чертежах, для распространения расплавленного металла 4 по меньшей мере по одной подложке 6, следуя трехмерной цифровой модели, для того, чтобы получить трехмерный объект или его часть.
В предпочтительном варианте реализации, показанном на иллюстрациях, головка 1 содержит средство 7 плавления, выполненное с возможностью получения расплавленного металла 4 из металла, находящегося в твердом состоянии, путем нагревания, которое соединено по меньшей мере одним подводящим каналом с первой камерой 3 для доставки в нее расплавленного металла.
Однако нельзя исключать возможность расплавления металла в твердом состоянии внутри первой камеры 3 посредством специального средства 7 плавления, встроенного в корпус 2 головки 1.
Предпочтительно, расплавленный металл 4, содержащийся внутри первой камеры 3, представляет собой алюминий, который используется для изготовления множества изделий, хотя нельзя исключать возможность использования расплавленного металла или сплава иного типа.
Полезно, чтобы первая камера 3 была оснащена средством нагревания, которое для простоты не показано на иллюстрациях, выполненным с возможностью поддержания температуры расплавленного металла 4, которая по существу равна заранее определенному значению.
В частности, температура внутри первой камеры 3 должна быть выше температуры плавления используемого металла, которая, в случае алюминия, равна приблизительно 660°С, для поддержания его в расплавленном состоянии и предотвращения его затвердевания внутри головки 1 перед выдачей.
В предпочтительном варианте реализации изобретения, используемое средство нагревания содержит по меньшей мере один электрический нагревательный элемент, соединенный с корпусом 2 и выполненный с возможностью нагревания первой камеры 3 и содержащегося в ней расплавленного металла 4.
Однако нельзя исключать использование других типов нагревательного оборудования, как, например, использование рубашки, расположенной за пределами корпуса 2, внутри которой происходит перемещение нагревательной текучей среды, такой как, например, перенасыщенный пар, совместимой с требуемыми рабочими температурами.
Учитывая необходимость в высоким температурах, корпус 2 выполнен из материала, который является стойким к высоким температурам, такого как, например, высококачественная сталь.
Предпочтительно, первая камера 3 содержит инертную среду 8, находящуюся в контакте с расплавленным металлом 4 и занимающую свободный объем первой камеры.
Следует отметить, что в пределах объема настоящего решения под «инертной средой» подразумевается среда, которая не вступает в химическую реакцию с расплавленным металлом 4 или которая в любом случае вступает в реакцию ничтожным образом, так что она не меняет его физико-химические свойства.
Предпочтительно, в конкретном случае, в котором расплавленный металл 4 представляет собой алюминий, инертная среда 8 состоит по меньшей мере из одного из аргона и азота, поскольку алюминий склонен легко окисляться в присутствии кислорода в воздухе с последующим необратимым изменением физико-химических характеристик, хотя нельзя исключать возможность обеспечения составляющей инертной среды 8 иного типа.
Кроме того, в соответствии с изобретением, корпус 2 головки 1 содержит по меньшей мере вторую камеру 9, выполненную с возможностью хранения по меньшей мере одной рабочей текучей среды 10 и соединенную со средством 11 изменения давления, выполненным с возможностью определения разницы давления между первой камерой 3 и второй камерой 9.
Предпочтительно, рабочая текучая среда 10 представляет собой воздух, хотя нельзя исключать возможность использования другой рабочей текучей среды 10, такой как жидкость.
Кроме того, тип используемого средства 11 изменения давления зависит от типа рабочей текучей среды 10, для которой оно предназначено, для того, чтобы корректно изменять давление внутри второй камеры 9 относительно давления в первой камере 3.
Предпочтительно, если рабочая текучая среда 10 представляет собой воздух, то средство 11 изменения давления содержит по меньшей мере один из вакуумного насоса и компрессора, хотя нельзя исключать возможность обеспечения средства 11 изменения давления иного типа.
В частности, в случае необходимости снижения давления рабочей текучей среды 10 до давления ниже атмосферного, полезно будет обеспечить вакуумный насос, тогда как если эти значения давления выше значений атмосферного давления, полезно будет использовать компрессор.
В предпочтительном варианте реализации, средство 11 изменения давления содержит вакуумный насос.
Кроме того, разница давления, определенная между первой камерой 3 и второй камерой 9, может быть положительной, т.е. давление внутри второй камеры 9 ниже давления внутри первой камеры 3, или отрицательной, т.е. давление внутри второй камеры 9 выше давления внутри первой камеры 3.
Предпочтительно, разница давления, определенная между камерами 3, 9, является положительной, хотя нельзя исключать возможность наличия отрицательной разницы давления.
Кроме того, в соответствии с изобретением, корпус 2 головки 1 содержит по меньшей мере один узел 12, 13 выдачи, содержащий по меньшей мере один гибкий пластинчатый элемент 12, разделяющий первую камеру 3 и вторую камеру 9.
В частности, пластинчатый элемент 12 способен деформироваться под действием изменения давления во второй камере 9, при этом деформация пластинчатого элемента 12 определяет выходящий поток расплавленного металла 4 из отверстия 5 для выдачи.
Предпочтительно, пластинчатый элемент 12 содержит по меньшей мере первую сторону 14, обращенную к первой камере 3, и по меньшей мере вторую сторону 15, находящуюся напротив первой стороны 14 и обращенную ко второй камере 9, и он несъемным соединен по периферии с по меньшей мере одной боковой стенкой 16 корпуса 2 с помощью средства сваривания.
Полезным является то, что обеспечение пластинчатого элемента 12, соединенного с боковой стенкой 16 с помощью средства сваривания, исключает необходимость в обеспечении прокладок или других герметизирующих средств, которые вряд ли будут выдерживать требуемые рабочие температуры.
Кроме того, первая камера 3 и вторая камера 9 изолированы друг от друга в части приведения в действие рабочей текучей средой благодаря наличию пластинчатого элемента 12 для обеспечения разницы давления между двумя камерами 3, 9 и для обеспечения того, чтобы рабочая текучая среда 10 и инертная среда 8 не вступали в контакт друг с другом.
Как было указано выше, рабочие температуры головки 1 являются высокими, так что выполнение сборки корпуса 2 путем взаимного расположения резиновых прокладок не возможно, поскольку они не будут должным образом устойчивыми к высоким температурам.
Таким образом, предпочтительно, корпус 2 выполнен в виде единой детали из по меньшей мере двух частей, собранных и сваренных вместе, после сборки узла 12, 13 для выдачи для получения единого блока, который не требует прокладок или других герметизирующих средств.
Кроме того, в соответствии с изобретением, узел 12, 13 для выдачи содержит по меньшей мере один элемент 13 для выдачи, заключенный в первой камере 3, соединенный с пластинчатым элементом 12 и содержащий по меньшей мере одну толкающую часть 19, погружаемую в расплавленный металл 4 и расположенную вблизи отверстия 5 для выдачи. Деформация пластинчатого элемента 12 происходит между первой конфигурацией, в которой толкающая часть 19 находится на расстоянии от отверстия 5 для выдачи, и второй конфигурацией, в которой толкающая часть 19 приближена к отверстию 5 для выдачи.
В частности, приближение толкающей части 19 к отверстию 5 для выдачи определяет выходной поток расплавленного металла 4 из отверстия для выдачи.
В действительности, расплавленный металл 4, содержащийся внутри первой камеры 3, обладает очень высокой вязкостью, так что выдача расплавленного металла через отверстие 5 для выдачи лишь под действием силы притяжения невозможна, а необходимо приложить усилие, которое проталкивало бы расплавленный металл 4 для его вытекания из головки 1.
Следовательно, деформация узла 12, 13 для выдачи обеспечивает толкание расплавленного металла 4 посредством толкающей части 19, так что он проталкивается через отверстие 5 для выдачи и может выходить.
В предпочтительном варианте реализации, во второй конфигурации толкающая часть 19 расположена таким образом, чтобы находиться близко к отверстию 5 для выдачи, хотя нельзя исключать возможность того, что толкающая часть во второй конфигурации остается отсоединенной от отверстия для выдачи.
Иными словами, в варианте реализации, показанном на иллюстрациях, в ходе движения между описанными конфигурациями, толкающая часть 19 упирается в отверстие 5 для выдачи.
Иными словами, изменение давления внутри второй камеры 9 по сравнению с первой камерой 3 обуславливает деформацию пластинчатого элемента 12, который, будучи гибким, меняет свои очертания, тем самым подтаскивая соединенный с ним элемент 13 для выдачи.
Кроме того, смещение элемента 13 для выдачи включает в себя последующее движение толкающей части 19, которая, при попеременном движении между первой конфигурацией и второй конфигурацией, выталкивает тонкий слой расплавленного металла 4, находящийся вблизи отверстия 5 для выдачи, через это отверстие для выдачи.
Как было описано выше, в предпочтительном варианте реализации, изменение давления внутри второй камеры 9 происходит за счет снижения давления, хотя нельзя исключать возможность повышения давления внутри второй камеры.
В предпочтительном варианте реализации, показанном на иллюстрациях, во второй конфигурации пластинчатый элемент 12 является по существу плоским, тогда как в первой конфигурации пластинчатый элемент деформирован до по существу искривленной формы.
Нельзя исключать возможность обеспечения альтернативного варианта реализации, не показанного на иллюстрациях, в котором пластинчатый элемент 12 в первой конфигурации является по существу плоским, тогда как во второй конфигурации он деформирован до по существу искривленной формы.
Как показано на иллюстрациях, элемент 13 для выдачи проходит вдоль по меньшей мере одного основного направления А по существу перпендикулярно по меньшей мере одной основной плоскости А-А, определенной пластинчатым элементом 12 во второй конфигурации, и снабжен по меньшей мере одной ближней частью 13b, соединенной с первой стороной 14 пластинчатого элемента 12, и по меньшей мере одной дальней частью 13а, определяющей толкающую часть 19.
Однако нельзя исключать возможность обеспечения элемента 13 для выдачи иной формы, отличающейся от описанной.
Как показано везде на иллюстрациях, пластинчатый элемент 12 в первой конфигурации является по существу выпуклым и выступает из основной плоскости А-А со стороны второй камеры 9, хотя нельзя исключать возможность выполнения пластинчатого элемента 12 таким образом, чтобы по меньшей мере в одной из описанных конфигураций он был по существу выпуклым и выступал из основной плоскости А-А со стороны первой камеры 3.
В ходе деформации узла 12, 13 для выдачи, элемент 13 для выдачи, выполняющий переход вдоль основного направления А за счет деформации пластинчатого элемента 12 в первой конфигурации, перемещает толкающую часть от отверстия 5 для выдачи.
В ходе операции печати, узел 12, 13 для выдачи деформируется исключительно в соответствии с предписаниями печати, обеспечиваемыми цифровой моделью.
Полезно, чтобы в точках, где не выполняется осаждение расплавленного металла 4, и в ходе стадии простоя устройства, узел 12, 13 для выдачи поддерживался в исходной конфигурации, в которой толкающая часть 19 расположена таким образом, чтобы герметично закрывать отверстие 5 для выдачи, с целью исключения риска непреднамеренной выдачи расплавленного металла 14.
Предпочтительно, перемещение пластинчатого элемента 12 из первой конфигурации во вторую конфигурацию и наоборот происходит по существу периодически, поскольку средство 11 изменения давления выполнено с возможностью изменения давления во второй камере 9 по существу периодически с заранее определенной частотой.
Периодическое перемещение пластинчатого элемента 12 обеспечивает выдачу расплавленного металла 4 через отверстие 5 для выдачи небольшими каплями 17, которые осаждаются на подходящую подложку 6, следуя предварительно определенной трехмерной цифровой модели, для формирования желаемого объекта.
Полезно, чтобы отверстие 5 для выдачи имело поперечное сечение с шириной 18, составляющей от 1 мкм до 50 мкм, для осаждения небольших капель 17 расплавленного металла 4, имеющих очень малый диаметр, что гарантирует высокую точность при получении трехмерного объекта.
В частности, ширина 18 составляет от 10 мкм до 30 мкм.
В предпочтительном варианте реализации, ширина 18 равна 20 мкм, хотя нельзя исключать возможность обеспечения другого значения ширины 18.
Предпочтительно, поперечное сечение отверстия 5 для выдачи имеет по существу круглую форму, которая, не имея краев, обеспечивает возможность минимизации трения вследствие прохождения расплавленного металла 4, и, в этом случае, ширина 18 соответствует диаметру поперечного сечения, хотя нельзя исключать возможность выполнения отверстия 5 для выдачи иной формы.
При практической реализации было обнаружено, что описанное изобретение достигает поставленных целей.
В этом отношении следует подчеркнуть тот факт, что конкретное решение, заключающееся в представлении описанной головки для трехмерной печати расплавленным металлом, обеспечивает возможность значительного упрощения конструкции головки по сравнению с головками известного типа.
Следовательно, простота конструкции головки обеспечивает значительное упрощение операций получения трехмерного объекта, изготавливаемого из металла.
Кроме того, конкретное решение, заключающееся в представлении головки для трехмерной печати с простой конструкцией, обеспечивает уменьшение случаев возникновения сбоев по сравнению с головками известного типа и, следовательно, связанных с ними затрат на специальное обслуживание.
Кроме того, конкретное решение, заключающееся в представлении головки для трехмерной печати с простой конструкцией, обеспечивает возможность упорядочения операций разборки и сборки, необходимых для планового обслуживания, при снижении как времени простоя оборудования, так и соответствующих затрат.
И снова, конкретное решение, заключающееся в представлении корпуса головки, выполненного путем сваривания двух частей, для формирования единого корпуса, в котором приварен узел для выдачи, обеспечивает возможность предотвращения необходимости в герметизирующих средствах, которые являются по существу несовместимыми с высокими рабочими температурами.
Кроме того, конкретное решение, заключающееся в представлении отверстия для выдачи с чрезвычайно малой шириной, обеспечивает выдачу очень малого количества расплавленного металла и получения трехмерного объекта высокого разрешения и точности.