Печатающая головка устройства для объемной печати расплавленным металлом

Устройство относится к области изготовления трехмерных физических объектов, а точнее к технологиям 3D-печати, и предназначено для постепенного, по мере подачи в устройство, расплавления металла и постепенного наплавления его на объект, который печатается с использованием устройства. Устройство используется в составе принтеров для объемной печати (3D-принтеров).
На данный момент известно несколько аналогов, которые используются для печати металлом, все они подразумевают аккуратное и постепенное наслаивание исходного металлического сырья слой за слоем для построения заданной фигуры.
Технология SLS, также известная под названием Direct metal laser sintering, позволяет создавать металлические объекты из плавкого порошка - металлической глины. Впервые данный материал был показан в 1990 году в Японии. Тогда его использовали для лепки примитивных форм. В промышленности применять его стали лишь спустя десять лет после открытия. Металлоглина изготавливается из смеси металлической стружки, органического связующего вещества и воды. При обжигании связующее вещество и вода выгорают, что превращает металлический порошок в монолитный объект. Для обработки металлоглины SLS-принтеры используют лазер. Порошок наносится на поверхность платформы ровным слоем, после чего разглаживается специальным валиком. Затем лазерное излучение обжигает слой металлоглины так, как это запрограммировано в шаблоне. Процесс повторяется раз за разом, пока фигура не приобретет нужные размеры. Печать проходит в специальной камере, в которой постоянно поддерживается высокая температура.
Еще один метод - электронно-лучевая плавка. Технология ЕВМ по сути практически не отличается от SLS/DMLS печати металлом. Единственное отличие электронно-лучевой плавки заключается в том, что вместо лазерного луча, сырье плавится при помощи направленных электроимпульсов. Использование электронных пучков высокой мощности, действующих в вакууме, обеспечивает более высокую детализацию печатных объектов. Это объясняется тем, что корректировка электронного луча осуществляется не за счет движения печатной головки, а с помощью манипуляции магнитными полями, то есть на гораздо более точном уровне. Так действует промышленный 3D принтер Arcam Q10.
Недостатками ЕВМ и SLS/DMLS машин является то, что они комплектуются германиевыми и алмазными линзами, сложными электромагнитными приспособлениями и посеребренными или позолоченными зеркалами, из-за чего оборудование имеет высокую стоимость, делает их покупку рентабельной только для крупных промышленных центров.
Еще один метод - технология FDM или fused deposition modeling. В этом случае металлическая глина выдавливается через экструдер на охлажденную платформу построения, где она застывает, слой за слоем, формируя нужный объект.
Недостатками машин работающих по данной технологии является то, что напечатанную глиной модель необходимо обжигать в печи для получения металлического изделия, а также изготовленные изделия содержат много примесей, что снижает их прочность.
Информация получена из сети Интернет 07.10.2017 г. (http://make-3d.ru/articles/3d-printer-po-metallu-kak-eto-vozmozhno/).
Применяется также предварительный нагрев металла в ванне и подача металла к зоне печати уже в расплавленном состоянии и разбрызгивании расплава через множество экструзионных сопел. Так действует 3D принтер Vader (US 2015273577, МПК B22D 21/00, опубл. 01.10.2015).
Недостатками машин работающих по данной технологии является то, что имеются ограничения по сфере применения и используемым для печати металлам (по тугоплавким металлам имеются ограничения), поскольку нагрев относительно большого объема металлов выдвигает требования к помещениям, где располагаются подобные устройства, и не может быть использован в быту.
Наиболее близким аналогом является печатающая головка устройства печати металлом методом непосредственного индукционного нагрева металлической нити, содержащая диэлектрический стержень с продольным отверстием для подачи металлической нити, катушку индукционного нагревателя и непосредственно металлическую нить (патент RU 170109, МПК B22D 19/00, опубл. 14.04.2017).
Недостатком наиболее близкого аналога является его низкая технологичность работы устройства, определяющаяся тем, что при осуществлении 3D печати различными металлами (например, металлами с различным удельным сопротивлением, магнитной проницаемостью, удельной теплоемкостью) каждому виду нужна индивидуальная конфигурация индукционного нагревателя (частота генераций тока в индукторе, размеры индуктора), что значительно повышает стоимость оборудования и печати. Вдобавок такой способ печати имеет очень низкий КПД, так как для КПД не меньше 60% отношение d1/d3 должно быть меньше или равно 2,5 (где d1 - внутренний диаметр индуктора, d3 - максимальный диаметр разогреваемого объекта, в данном случае диаметр металлической нити), которое на практике нереально соблюсти даже при максимальных диаметрах металлической нити: максимальный применяемый на практике диаметр металлической нити составляет 5 мм, значит внутренний диаметр индуктора должен быть не больше 12,5 мм, а толщина теплоизоляционной стенки 3,75 мм, что не хватает для термоизоляций индуктора (индуктор недопустимо нагревать выше 70 градусов Цельсия) от расплавленного металла. Изготавливаемая деталь имеет невысокие механические свойства из-за отсутствия защитной газовой среды, при отсутствии которой активно образуется оксидная пленка на металлической нити при нагреве и расплаве металла, которая резко уменьшает адгезию слоев металла. Отсутствует охлаждение индуктора, который сильно нагревается во время работы, что значительно уменьшает время непрерывной работы устройства, сопровождается вынужденным простоем (перерывом в работе) печатающей головки 3D принтера. Также недостатком указанного устройства является то, что при перерывах в работе на сопле остается металл, который во время простоя застывает и образует облой, который при возобновлении работы устройства мешает нагнетать печатающий материал и также нарушает форму объекта печати.
Задача данного технического решения заключается в разработке конструкции, печатающей головки 3D принтера, позволяющей устранить указанные выше недостатки.
Техническим результатом при использовании данной конструкции печатающей головки является повышение функциональности, повышение качества создаваемых объектов, уменьшение стоимости оборудования, повышение КПД и надежности. Эти особенности существенно увеличат возможности по практическому применению устройств 3D печати металлом в системе образования, быту и бизнесе.
Технический результат достигается за счет того, что печатающая головка устройства для объемной печати расплавленным металлом содержит индукционный нагреватель, металлическую нить и диэлектрический теплоизоляционный стержень с продольным отверстием, причем в диэлектрический теплоизоляционный стержень вмонтирован электропроводный стержень с продольным каналом для подачи металлической нити, который выполнен с диаметром, равным диаметру металлической нити, а в месте расплава металлической нити имеет меньший диаметр, чем диаметр металлической нити, при этом индуктор индукционного нагревателя представляет собой спиралевидную трубку, которая обвита вокруг теплоизоляционного стержня и внутри которой течет теплоноситель, причем печатающая головка устройства и печатаемый объект находятся в защитной газовой среде, а электропроводный стержень и диэлектрический теплоизоляционный стержень выполнены из материалов, температура плавления которых превышает температуру плавления металла подаваемой нити.
Кроме того, она содержит индуктор индукционного нагревателя, представляющий собой спиралевидный провод, который обвит вокруг теплоизоляционного стержня.
Кроме того, она содержит несколько индукторов расположенных последовательно.
Кроме того, она и печатаемый объект находятся в вакууме.
Кроме того, отношение d1/d2, где d1 - внутренний диаметр индуктора, d2 - внешний диаметр электропроводного стержня, меньше или равно 2,5.
Конструкция настоящей полезной модели, показанная на чертеже, состоит из диэлектрического теплоизоляционного стержня 1 с продольным отверстием, в которое вмонтирован электропроводный стержень 2 с продольным каналом для подачи металлической нити; катушки индукционного нагревателя 3, внутри которой течет теплоноситель 4; и непосредственно металлической нити 5.
Металлическая нить 5, входя в устройство в твердом состоянии, разогревается при помощи электропроводного стержня 2 (который ранее нагрет с помощью индукционного нагревателя), и по мере прохождения через канал электропроводного стержня 2 преобразуется в расплав 6. Таким образом, к моменту выхода из устройства, металл нити находится в жидком состоянии, и наносится на основание или предыдущий слой металла создаваемой трехмерной модели 7.
При этом при нанесении расплава печатающая головка немного сжимает расплав с целью повышения адгезий между слоями создаваемой трехмерной модели 7.
Температура плавления диэлектрического теплоизоляционного стержня 1 и электропроводного стержня 2, для сохранения работоспособности устройства, должна быть выше температуры плавления применяемого в металлической нити 5 металла.
Вся вышеописанная система находится в защитной газовой среде или в вакууме, с целью защиты расплава 6 и нагретой металлической нити 5 от окисления и иных отрицательных химических воздействий. Таким образом, в защитной газовой среде повышается способность адгезий между слоями металла и, соответственно, повышается прочность создаваемой трехмерной модели 7.
Так как индукционные токи воздействуют только на токопроводящие материалы, диэлектрический теплоизоляционный стержень 1 не будет разогреваться индукционным нагревателем. Нагрев диэлектрического теплоизоляционного стержня 1 будет происходить только из-за контакта с разогреваемым электропроводным стержнем 2. Электропроводный стержень 2 (выполняет функцию сопла) будет подвергаться индукционному нагреву, при этом тепловая энергия, имеющаяся в электропроводном стержне 2, будет передаваться металлической нити 5 (путем теплопроводности), которая будет плавиться. Таким образом, получается косвенный индукционный нагрев металлической нити 5. При таком способе появляется возможность плавки металлической нити 5 из разных металлов (сплавов), которые ранее не могли быть эффективно нагреты путем непосредственного индукционного нагрева, таким образом, повышая функциональность устройства.
Устройство (печатающая головка) использует индукционный нагрев электропроводного стержня с целью расплавления металлической нити и использования ее расплава металла для построения объемной модели из металла путем послойного его нанесения на печатаемую модель. Металлическая нить, входя в устройство в твердом состоянии, по мере движения по устройству разогревается электропроводным стержнем путем теплопроводного контакта, (который ранее нагрет с помощью индукционного нагревателя) и переходит в жидкое состояние, после чего наносится на печатаемую трехмерную модель для формирования слоя печати, охлаждается и застывает (твердеет).
Стоит отметить, что при использовании металлических нитей из разных металлов (сплавов) отпадает необходимость перенастройки индукционного нагревателя, так как отмечалось выше, индукционному нагреву подвержен только электропроводный стержень 2, который имеет один и тот же материал даже при смене материала металлической нити 5.
Использование электропроводного стержня 2 значительно повышает КПД индукционного нагревателя, т.к из-за большого диаметра электропроводного стержня 2 (то есть максимальный диаметр разогреваемого объекта в этом случае это диаметр электропроводного стержня 2 - d2), можно заменить величину d3 величиной d2 в формуле dl/d3, что приведет к получению отношения d1/d2 (где d1 - внутренний диаметр индуктора 3, d2 - внешний диаметр электропроводного стержня 2, который в разы больше диаметра металлической нити 5), которое должно быть меньше или равно 2,5, которое уже возможно соблюсти на практике, так как расчетная толщина термоизоляции по этой формуле будет уже больше 20 мм, что уже вполне достаточно для термоизоляции индуктора от расплава.
Появляется возможность использования низкочастотных токов, взамен токам высокой частоты. Это связано с тем, что диаметр электропроводного стержня 2 в разы больше, чем диаметр металлической нити 5, что значительно удешевляет стоимость радиодеталей и других комплектующих индукционного нагревателя.
Металлическая нить 5 в твердом состоянии, подаваемая в верхнюю часть устройства, исполняет роль поршня для выдавливания металла в жидком состоянии 6 из нижней части устройства.
Если ранее принтер производил печать, то на сопле печатающей головки оставались остатки застывшего металла, которые образуют облой, который мог бы при возобновлении работы печатающей головки мешать нагнетать печатающий материал. Для решения этой задачи электропроводный стержень 2 может полностью нагреться сам и нагреть металлическую нить 5 до места, где выходит нить. И тогда можно вновь расплавить облой теплом, переданным через электропроводный стержень 2, и теплом, переданным через металлическую нить 5, так как суммарная площадь диаметрального сечения электропроводного стержня и металлической нити 2 больше, чем отдельная площадь диаметрального сечения металлической нити, следовательно, теплопроводность и скорость нагрева выше. Ранее это было не совсем реально или малоэффективно при непосредственном индукционном нагреве нити, так как при таком виде нагрева нагрев нити осуществляется с центра области электромагнитного воздействия индуктора, и в связи с низкой теплопроводностью нити, нить не может быть быстро и эффективно нагрета у самого выходного отверстия, что в итоге снижало надежность устройства. Благодаря этому улучшению повышается надежность устройства.
А также повышается надежность устройства за счет того, что в индукторе индукционного нагревателя, представляющий собой спиралевидную трубку, течет теплоноситель, который отводит лишнее тепло от индуктора, предотвращая его перегрев.
В описываемом устройстве диаметр отверстия электропроводного стержня 2 (63) не одинаков по всему протяжению и может иметь сужения в виде сопла на конце с диаметром (d4), где происходит истекание жидкого металла. Таким образом, при уменьшении диаметра (d4) можно достигать более высокой точности 3D печати.