Способ Стрельцова усовершенствования 3D принтера, предназначенного для изготовления металлических изделий
STRELTSOV METHOD FOR IMPROVEMENT OF 3D PRINTERS, INTENDED FOR PRODUCTION OF ARTICLES FROM METAL

Изобретение относится к 3D принтерной технике, предназначенной для изготовления металлических изделий сложной формы. Прототипами заявленного изобретения являются: заявка на изобретение № 2002122072 RU и японское изобретение - патент № 4578317 JP. Заявленный способ, отличается тем, что вместо лазера, имеющего низкий КПД, в 3D принтере, предназначенном для изготовления металлических изделий, используют ультразвуковую электродуговую фокусирующую форсунку.
Для этого в атмосфере инертного газа (например, аргон) форсунку, имеющую по оси полый канал, подключают к положительному полюсу электрического источника питания, металлическую подложку будущего изделия подключают к отрицательному полюсу электрического источника питания. Возбуждают ультразвуковые колебания форсунки. Вдоль осевого канала форсунки подают предварительно расплавленный металл, который после выхода из канала форсунки разбрызгивается под действием ультразвуковых колебаний. Между форсункой и подложкой возникает электрическая дуга. В дополнение к ультразвуковому распылению также возможна организация газовой пульверизации с помощью аргона или др. инертного газа. Капли расплавленного металла в следствие термоэмиссии и потери электронов приобретают положительный заряд и летят в сторону отрицательно заряженного изделия, приобретая дополнительный разогрев в дуговом разряде. Кроме того, в сторону изделия капли расплавленного металла увлекает газовый поток, обдувающий форсунку в направлении изделия, а при необходимости и гравитационное поле Земли.
Вокруг форсунки установлена фокусирующая цилиндрическая насадка, аналогичная описанной в японском патенте № 4579317 Jp. Холодный инертный газ, вытекая из такой фокусирующей цилиндрической насадки, движется в сторону изделия и, расширяясь от тепла электродугового разряда, обжимает электродутовой разряд вместе с распыленными в нем каплями металла в пятно малого диаметра, которое перемещают по поверхности изделия, осуществляя локальное послойное наращивание металла на изделии. Применение подобной фокусирующей цилиндрической насадки обеспечивает узкую (точечную) диаграмму набрызгивания расплавленного металла, что в совокупности позволит заявленному способу конкурировать в 3D принтере с лазером при изготовлении крупногабаритных металлических изделий низкого класса точности.
Учитывая то, что указанная выше японская фирма «NAKAYAMA STEEL WORKS, LTD» успешно применяет описанный в патенте № 4579317 Jp способ фокусировки набрызгивания расплавленного металла для нанесения аморфных металлических покрытий на валы автомашин в течение нескольких лет, можно надеяться, что при использовании подобной форсунки в 3D принтере и подборе определенных технологических режимов удастся получить объемные толстые металлические 3D изделия сложной формы с аморфной структурой расположения атомов. (Как известно, металлы с аморфной структурой расположения атомов не подвержены коррозии и обладают прочностными характеристиками в несколько раз лучшими по сравнению с традиционными металлическими изделиями с кристаллической решеткой).
Общая схема ультразвуковой фокусирующей форсунки показана на фигуре № 1, где 1 - металлическое изделие сложной формы, на которое осуществляют набрызгивание очередного слоя металла; 2 - разбрызгивающая форсунка, совершающая ультразвуковые колебания; 3 - канал подачи предварительно расплавленного металла; 4 - канал подачи инертного газа, предназначенного для распыления (пульверизации) расплавленного металла; 5 - электродуговой разряд с металлическими каплями, сужающийся в пятно малого диаметра под действием расширяющегося инертного газа 6, подаваемого в цилиндрическую насадку 7, окружающую форсунку; 8 - электрический источник, создающий дуговой разряд; 9 - инертный газ, нагнетаемый в зазор между форсункой и цилиндрической насадкой, увлекающий капли разбрызганного металла в направлении изделия.
Подобная электродуговая форсунка позволит изготавливать на 3D - принтере сложные металлические изделия (возможно с аморфной структурой расположения атомов) с меньшим количеством оксидов по сравнению 3D лазерными принтерами, использующими порошковые металлические «чернила».
Таким образом, замена в 3D принтере лазера на разбрызгивающие электродуговую фокусирующую форсунки (или их совместное, поочередное использование) дает следующие преимущества:
1) экономит энергию,
2) улучшает прочностные характеристики изделий,
3) отрывает перспективу изготовления объемных сложных деталей из аморфных металлических сплавов.