Устройство для охлаждения области выхода расплава термопластичного материала из сопла 3D-принтера и получаемых из него моделей

Устройство относится к области аддитивных технологий, в частности к устройствам охлаждения области выхода расплава термопластичного материала из сопла 3D-принтера и получаемых из него моделей по технологии послойного наплавления (FDM).
Устройство охлаждения является важным элементом 3D-принтера, работающего по технологии FDM, и существенно расширяет перечень используемых материалов. Как правило, такое устройство выполнено в виде воздуховода, который направляет воздушный поток на область печати. Воздуховод соединяется с нагнетающим вентилятором или двумя вентиляторами через канал подвода воздуха.
Зачастую воздуховод выполнен в виде канала с узкой щелью и расположен с одной стороны от сопла, что приводит к неравномерному охлаждению области печати, и, как следствие, к локальному перегреву модели, к ее деформации за счет создания неравномерного давления, а также к неравномерному спеканию слоев и, как следствие, к снижению качества и к недолговечности модели.
Другим вариантом исполнения воздуховода может быть кольцо с отверстием по всей его длине снизу, устанавливаемое вокруг сопла 3D-принтера. Такой вариант воздуховода обеспечивает всесторонний подвод воздушного потока.
Известно устройство охлаждения 3D-принтера [1. Пат.108 327 249 CN, МПК В29С 64/118 и др. Rapid Model cooling device of 3D printer / Chengdu Yuyue Technology Co., LTD. - Заявл. 21.12.2017; опубл. 27.07.2018.], обеспечивающее подачу воздушного потока для охлаждения области печати с трех сторон.
Известно устройство охлаждения 3D-принтера [2. Пат.2018 114384 WO, МПК В29С 64/209 и др. Cooling device for 3D printer / Blythe Daniel J. и др. - Заявл. 22.12.2016; опубл. 28.06.2018.], обеспечивающее всестороннюю подачу воздушного потока в область выхода расплава термопласта из сопла.
Известно устройство охлаждения [3. Официальный интернет-магазин WANHAO в России. - Режим доступа: https://wanhaorus.ru/p377524507-krugovoj-obduv-dlya.html.], обеспечивающее всестороннюю подачу охлаждающего воздушного потока в область печати.
Известно устройство для охлаждения модели, создаваемой на 3D-принтере [4. Пат.110450416 CN, МПК В29С 64/20 и др. FDM3D (Fused Deposition Modeling Three Dimension) printer model cooling device aimed at PLA (Polylactic Acid) consumables / Lyu Ning, Wang Shaofei, Duan Chongyang. и др. - Заявл. 20.09.2019; опубл. 15.11.2019.], обеспечивающее всестороннюю подачу охлаждающего воздушного потока отдельно в область выхода расплава термопласта и отдельно в область печати.
Прототипом заявляемой полезной модели является устройство охлаждения [5. Cults. - Режим доступа: https://cults3d.com/fr/mod%C3%A81e-3d/outil/cooler-for-wanhao-duplicator-i3-stock-fan.], обеспечивающее всестороннюю подачу охлаждающего воздушного потока в область печати.
Недостатки аналогов [1.-4.] и прототипа [5.] следующие:
- устройство [1.] не обеспечивает всестороннюю подачу охлаждающего воздушного потока; охлаждающий воздушный поток направлен непосредственно на область, где расположено сопло печатающей головки 3D-принтера, что приводит к нежелательному отъему тепла у сопла. Для компенсации этого автоматика 3D-принтера затрачивает дополнительную мощность для поддержания заданного температурного режима сопла. Кроме того, такое направление воздушного потока может вызывать переохлаждение только что выдавленного из сопла термопласта и приводить к плохой спекаемости слоев термопласта между собой;
- конструкция устройств [1.], [2.] и [3.] не обеспечивает равномерный расход воздуха по всей площади отверстий, через которые воздушный поток выходит из воздуховода, что приводит к неравномерному охлаждению модели и, как следствие, к плохой спекаемости слоев термопласта между собой;
- в конструкции прототипа [5.] канал подвода воздуха соединяется не только с внешней стенкой воздуховода, но и с внутренней, что не обеспечивает кольцевое замыкание воздушного потока внутри воздуховода. Это приводит к появлению застойных зон внутри воздуховода и к неравномерности воздушного потока, выходящего из воздуховода;
- наличие в конструкции воздуховода аналога [4.] и прототипа [5.] лопаток по типу спрямляющего аппарата на выходе приводит к дополнительным потерям мощности воздушного потока. Для данных конструкций выходящий воздушный поток преимущественно направлен в область сопла, что так же, как в устройстве [1.], приводит к нежелательному отъему тепла у сопла.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение равномерного всестороннего охлаждения области выхода расплава термопластичного материала из сопла 3D-принтера и получаемых из него моделей и минимизация охлаждения самого сопла.
Заявляемое устройство для охлаждения области выхода расплава термопластичного материала из сопла 3D-принтера и получаемых из него моделей содержит центробежный вентилятор, воздуховод с каналом подвода воздуха. Воздуховод представляет собой полый усеченный перевернутый конус с глухой верхней стенкой и с внутренней стенкой, формирующей в его центре сквозное отверстие, ось которого перпендикулярна плоскости области печати. Внешняя стенка воздуховода со стороны области печати выступает относительно внутренней стенки воздуховода. Внутренняя и внешняя стенки воздуховода образуют сплошную кольцевую щель вывода воздушного потока в нижней плоскости воздуховода. Канал подвода воздуха имеет сложную геометрию в сечении. Ось канала подвода воздуха лежит в плоскости, параллельной плоскости области печати. Канал подвода воздуха выполнен за одно целое с внешней стенкой воздуховода с возможностью обеспечения кольцевого замыкания воздушного потока в воздуховоде. В сечении в плоскости, параллельной плоскости области печати, одна стенка канала подвода воздуха расположена по касательной к внешней стенке воздуховода, а другая стенка канала подвода воздуха направлена по касательной к внутренней стенке воздуховода. Ширина канала подвода воздуха не превышает расстояние между внешней и внутренней стенками воздуховода.
Полезная модель поясняется чертежом (фиг. 1), где:
1 - центробежный вентилятор;
2 - воздуховод;
3 - сопло;
4 - нагреватель;
5 - поток воздуха;
6 - канал подачи воздуха;
7 - круговая ось воздуховода;
8 - кольцевая часть воздуховода;
9 - кольцевая щель вывода воздушного потока;
10 - область печати;
11 - модель, создаваемая на 3D-принтере;
12 - первая составляющая воздушного потока;
13 - вторая составляющая воздушного потока;
14 - расплавленный термопласт, поступающий из сопла;
15 - верхний слой термопласта;
16 - нижний слой термопласта;
17 - теплоизоляция;
18 - стенка нагревателя;
19 - внутренняя стенка воздуховода.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Воздушный поток 5 нагнетается центробежным вентилятором 1 через канал 6 подачи воздуха в воздуховод 2. Воздушный поток 5 заходит по касательной к круговой оси 7 в кольцевую часть 8 воздуховода 2. Из кольцевой части 8 через кольцевую щель 9 вывода воздушного потока воздушный поток 5 выходит из воздуховода 2 и попадает в область 10 печати. Вектор скорости выходящего воздушного потока 5 имеет две составляющие. Первая составляющая 12 направлена в сторону модели 11, создаваемой на 3D-принтере. Вторая составляющая 13 параллельна плоскости области печати и направлена по касательной к круговой оси 7 воздуховода 2. Суммарный вектор скорости выходящего из воздуховода 2 воздушного потока 5:
- обеспечивает преимущественное охлаждение верхнего слоя 15 термопласта, который расположен в области печати 10;
- минимизирует турбулизацию выходящего из воздуховода 2 воздушного потока.
Благодаря этому на сопло 3 и на расплавленный термопласт 14, поступающий из сопла 3, попадает только часть отраженного от поверхности модели 11 воздушного потока 5. Такая организация воздушного потока обеспечивает хорошую спекаемость расплавленного термопласта 14, поступающего из сопла 3, с нижним, то есть ранее уложенным, слоем 16 термопласта. При этом обеспечивается хороший отвод тепла от уже спекшихся слоев термопласта.
Конструкция воздуховода 2 позволяет дополнительно теплоизолировать нагреватель 4. Теплоизоляция 17 располагается между стенкой 18 нагревателя 4 и внутренней стенкой 19 воздуховода 2.
Технический результат состоит в обеспечении равномерного всестороннего охлаждения области выхода расплава термопластичного материала из сопла 3D-принтера и получаемых из него моделей.
Достижение технического результата осуществляется тем, что:
- канал подвода воздуха выполнен за одно целое с внешней стенкой воздуховода с возможностью обеспечения кольцевого замыкания воздушного потока в воздуховоде;
- в сечении в плоскости, параллельной плоскости области печати, одна стенка канала подвода воздуха расположена по касательной к внешней стенке воздуховода, а другая стенка канала подвода воздуха направлена по касательной к внутренней стенке воздуховода;
- ширина канала подвода воздуха не превышает расстояние между внешней и внутренней стенками воздуховода.
К преимуществам предлагаемой полезной модели можно отнести:
- энергоэффективность в виду того, что дополнительного потребления электроэнергии на поддержание заданной температуры сопла не требуется;
- экономичность в виду того, что для полноценной работы устройства достаточно только одного вентилятора;
- улучшение спекаемости слоев термопласта между собой и, как следствие, повышение качества и долговечности создаваемой модели в виду заявляемой организации воздушного потока.
Устройство может быть выполнено с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства. Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию «промышленная применимость».
Источники, принятые во внимание
1. Пат. 108327249 CN, МПК В29С 64/118 и др. Rapid Model cooling device of 3D printer / Chengdu Yuyue Technology Co., LTD. -Заявл. 21.12.2017; опубл. 27.07.2018.
2. Пат. 2018114384 WO, МПК B29C 64/209 и др. Cooling device for 3D printer / Blythe Daniel J. и др. - Заявл. 22.12.2016; опубл. 28.06.2018.
3. Официальный интернет-магазин WANHAO в России. - Режим доступа: https://wanhaorus.ru/p377524507-krugovoj-obduv-dlya.html.
4. Пат. 110450416 CN, МПК В29С 64/20 и др. FDM3D (Fused Deposition Modeling Three Dimension) printer model cooling device aimed at PLA (Polylactic Acid) consumables / Lyu Ning, Wang Shaofei, Duan Chongyang. и др. - Заявл. 20.09.2019; опубл. 15.11.2019.
5. Cults. - Режим доступа: https://cults3d.com/fr/mod%C3%A81e-3d/outil/cooler-for-wanhao-duplicator-i3-stock-fan.
6. Пат. 105904724 CN, МПК В29С 67/00, B33Y 30/00. 3D printer head cooling device / Wang Kaisheng, Han Linsong - Заявл. 13.04.2016; опубл. 31.08.2016.
7. Пат. 109795111 CN, МПК B29C 64/20 и др. 3D printer and cooling device thereof / Sun Yuyin, Guo Wantao, Wei Dandan - Заявл. 23.01.2019; опубл. 24.05.2019.
8. Пат. 204322520 CN, МПК B29C 67/00. Wind direction conversion air duct for filament cooling of 3D printer / Cao Jie, Dai Min - Заявл. 09.04.2014; опубл. 13.05.2015.
9. Пат. 204488059 CN, МПК B29C 67/00, B29C 35/16, B33Y 30/00. Printing head for 3D printer with radiating air duct / Wu Huai, Chen Xinyu - Заявл. 18.03.2015; опубл. 22.07.2015.
10. Пат. 205439283 CN, МПК B29C 67/00, B33Y 30/00. Cooling device of 3D printer / Feng Sen-Заявл. 31.03.2016; опубл. 10.08.2016.
11. Пат. 206510430 CN, МПК В29С 64/20, B33Y 30/00. 3D printer cooling device / Miao Yifeng - Заявл. 28.07.2016; опубл. 22.09.2017.
12. Пат. 206967977 CN, МПК B29C 64/20, B33Y 30/00. 3D printer cooling device / Miao Yifeng - Заявл. 28.07.2016; опубл. 22.09.2017.
13. Пат. 207415998 CN, МПК B29C 64/30, B29C 35/16, B33Y 30/00. Cooling device of 3D printer / Li Peixue - Заявл. 30.08.2017; опубл. 29.05.2018.
14. Пат. 20160297110 US, МПК B29C 35/16, B29C 67/00. Cooling device of print head in 3D printer / Huai WU - Заявл. 05.06.2015; опубл. 13.10.2016.
15. Пат. 1020160009229 KR, МПК B29C 67/00. Apparatus for cooling filament and filament extruder of 3D printer / Kim, Han Sungkim, Han Sung-Заявл. 16.07.2014; опубл. 26.01.2016.
16. Пат. 107009619 CN, МПК B29C 64/20, B29C 35/16, B33Y 30/00. Degree all-directional cooling device in 3D printer / Yang Zhouwang, Wang Kang, Guo Liang-Заявл. 10.05.2017; опубл. 04.08.2017.
17. Пат. 106696256 CN, МПК B29C 64/118, B29C 64/209, B33Y 30/00. 3D printing head with air inlet device and cooling method of printing head / Zhao Shunpei, Chen Yuanrong - Заявл. 05.12.2016; опубл. 24.05.2017.