Мобильная строительная поверхность устройства послойного синтеза

-7
Полезная модель относится к узлам устройства послойного синтеза. Особенность мобильной строительной поверхности устройства послойного синтеза в том, что она изготовлена из материала, имеющего коэффициент линейного теплового расширения меньше 1,0 μm/m-°К (меньше 10,0×10 1/°К) в диапазоне температур от 290°К до 770°К, которая может быть снята и установлена в устройстве послойного синтеза без дополнительной регулировки в любой момент работы устройства послойного синтеза, для чего она смонтирована в корпус из магнитного материала и монтируется на магнитные или электромагнитные опоры.
Техническим результатом полезной модели является снижение технологического времени на снятие и установку строительной поверхности на устройство послойного синтеза, уменьшение времени простоя устройства послойного синтеза из-за нагрева и охлаждения строительной поверхности и возможность использования строительной поверхности в других технологических процессах вне устройства послойного синтеза.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Мобильная строительная поверхность устройства послойного синтеза (предметный стол, стол)- поверхность, на которой устройство строит (изготавливает, печатает и т.п.) тем или иным способом изделие в аддитивном производстве. В частности, может использоваться в технологии послойного наплавления термопластичного материала, известной также как FDM (Fusing Deposition Modeling), или в технологии изготовления посредством расплавления нити, известной также как FFF (Fused Filament Fabrication).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Послойный синтез может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, в основе которых лежит принцип послойного синтеза (создания, выращивания) изделия. Одним из способов является, в частности, технология FDM (Fused Deposition Modeling) - послойная печать расплавленной полимерной нитью, в результате которой изделие формируется путем последовательной укладки на строительную поверхность (предметный стол, рабочая поверхность и т.п.) слоев, каждый из которых формируется расплавленной нитью из плавкого строительного материала (расходного или моделирующего материала), например, пластика. Процесс FDM печати включает в себя, как минимум:
нагрев до текучего состояния нити из исходного материала, в частности, термопласта;
подача экструдером с высокой точностью расплавленного материала тонким слоем на рабочую поверхность 3D-принтера;
после формирования первого слоя на строительной поверхности, слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие.
Таким образом, строительная поверхность - важная часть устройства послойного синтеза аддитивного производства, определяющая производительность устройства и качество получаемого изделия. Важной ее особенностью является плоскостность и параллельность одной из координатных плоскостей опорной системы координат изделия.
Плоскостность строительной поверхности изначально обеспечивается процессом ее изготовления. Аддитивные технологии оказывают незначительные силовые нагрузки на строительную поверхность. Однако некоторые материалы, из которых изготавливаются изделия, требуют нагретой строительной поверхности. Поддержание температуры изделия также важно, поскольку температурные расширения и сужения исходного материала искажают пропорции создаваемого изделия. При технологиях, требующих применения нагрева строительной поверхности выше температуры окружающей среды, плоскостность нарушают неравномерные тепловые расширения. Это вызвано, в частности, как тем, что не всю строительную поверхность занимает изделие, так и не идеальностью нагревательных элементов, которые не могут обеспечить равномерность прогрева за счет неидеальной теплопроводности конструкции.
Все это ведет к изменению положения строительной плоскости относительно экструдера, что искажает само изделие и может привести к сбросу недостроенного изделия.
Кроме того, из-за особенностей самой печати, когда температура нижнего слоя значительно ниже температуры наносимого слоя, возникают напряжения, которые могут вести к короблению изделия и даже его разрушению в процессе изделия. Для снятия этих напряжений изделие подвергают термообработке. По мнению авторов книги "КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПЛАСТМАССЫ И ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ" (Омск 2002 УДК 621.891.669 Ю.К. Машков, М.Ю. Байбарацкая, Б.В. Григоревский) "Термическая обработка полимерных материалов является одним из важных технологических процессов всего комплекса переработки полимеров. Даже в том случае, когда к изделию из пластмасс не предъявляются требования высокой прочности или износостойкости, для снятия внутренних напряжений, образующихся при изготовлении любой детали, необходимо проводить термическую обработку. Рациональной термообработкой термопластических кристаллизующихся полимерных материалов можно повысить плотность, твердость, молекулярную массу, предел прочности при растяжении и сжатии, ударную вязкость, износостойкость и стабильность геометрических размеров деталей в процессе их эксплуатации.
Эффективность термообработки зависит от всего цикла температурных режимов в процессе изготовления изделия из полимеров. Для полимеров так же, как и для металлов применяют четыре вида термообработки: закалка, отжиг, нормализация и отпуск. Термообработка полимеров в узком смысле слова - это нагрев детали до определенной температуры, выдержка и охлаждение с целью желаемого изменения свойств".
Лучшим вариантом является термообработка непосредственно на строительной поверхности. Однако это ведет к длительному простою устройства синтеза. Так, для отжига изделия из термопласта АВС его на строительной поверхности помещают в термошкаф, прогретый до температуры 135°C, на время, зависящее от геометрических размеров изделия. После чего охлаждают изделие вместе с термошкафом или скоростью не более 1°C в минуту. Весь процесс проходит от полутора часов. Как видно из фиг.1, верхнее изделие 1, снятое со строительной поверхности аддитивного устройства, выгнуто по отношению к изделию 2, которое подверглось термообработке.
Из патента US 7939003 B2 (к.8 стр.24-37) известна конструкция строительной поверхности устройства послойного синтеза, состоящая из поверхности, на которую осаждается материал из инструмента осаждения материала. Поверхность предпочтительно выполнена из прецизионной алюминиевой пластины, но может быть изготовлена из любого материала, способного обеспечить плоскостность. Поверхность опирается на опорную конструкцию, которая удерживает поверхность в горизонтальном положении или, альтернативно, может быть отрегулирована для изменения ориентации (то есть угла) плоскости поверхности относительно системы позиционирования. Опорная конструкция предпочтительно имеет жесткую конструкцию. Эта конструкция требует от оператора выполнения калибровки вручную посредством визуального выравнивания, и для каждой смены инструмента требуются трудозатраты и время (1-5 минут для каждой калибровки, возможно, сотни смен инструмента во время относительно простой операции сборки). Для снижения затрат на калибровку патент предлагает метод (к.22 стр.4-30), который автоматизирует этот процесс калибровки. Для этого на основании устанавливается калибровочное устройство. Калибровочное устройство устраняет необходимость в реперном знаке и применение оператора в процессе замера, однако не исключает необходимость оператора в регулировании горизонтальности основания. Патент не предлагает метода обеспечения горизонтальности основания, снятия и установки строительной поверхности без вмешательства оператора.
Из патента RU 2567318 C1 известна система обеспечения горизонтальности рабочего стола. Один из вариантов выполнения механизма калибровки рабочего стола включает, по крайней мере, две стойки с пружинами и зажимами, которые установлены на основании рабочего стола в двух точках по боковым сторонам рабочего стола ближе к его переднему краю, и обеспечивающими подвижность стола в упомянутых точках, при этом стол в точке, расположенной вблизи ходового винта (ближе к заднему краю стола) закреплен неподвижно. В данном варианте исполнения один конец стойки механизма калибровки рабочего стола жестко прикреплен к столу со стороны его нижней поверхности, другой конец установлен на основании через пружину (фиг.17), зажим размещен на основании, который в свободном (расфиксированном) положении обеспечивает положение пружины (без усилий), при котором часть стола в данной точке находится выше уровня стола, закрепленного в «неподвижной» точке, и при перемещении печатающей головки из «неподвижной» точки в «подвижную», в результате которого стойка перемещается по вертикали вниз, сжимая пружину, зажим обеспечивает фиксацию положения стойки в «подвижной» точке на уровне неподвижной. В результате, процесс калибровки требует участие оператора. Кроме того, для снятия рабочего стола нужно его демонтировать, с последующим монтажом и регулировкой.
Из уровня техники известны съемные поверхности, которые достаточно просто удаляются вместе с готовым изделием. Это реализовано, в частности в 3D-принтерах 3DWOX от компании Sindoh,  Prusa i3 MK3 от Jose Prusa. Однако снимается только верхняя часть строительной поверхности, нагревательный элемент остается в устройстве. При этом они гибкие, деформируют изделие при съемке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлены для сравнения два изделие. Первое изделие снято со строительной поверхности после охлаждения в аддитивном устройстве. Второе изделие снято вместе со строительной поверхностью и подвергнуто термообработке для снятия внутренних напряжений.
На фиг.2 представлен вариант практической реализации полезной модели в разрезе.
На фиг.3 представлен вариант практической реализации полезной модели общий план.
Позициями на фигурах обозначены:
1. изделие после охлаждения в устройстве послойного синтеза,
2. изделие после термообработки вместе со строительной поверхностью,
3. строительная поверхность,
4. электронагревательный элемент с датчиком температуры,
5. корпус,
6. плавающие опоры,
7. эластомер,
8. вентиляционные отверстия.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Полезная модель обеспечивает съем и установку строительной поверхности устройства послойного синтеза, которая может быть снята и установлена в устройстве послойного синтеза без дополнительной регулировки в любой момент работы устройства послойного синтеза, в том числе и с готовым изделием, для чего она интегрирована в корпус из магнитного материала, который устанавливается на магнитные или электромагнитные опоры устройства послойного синтеза.
Техническим результатом является снижение технологического времени на снятие и установку строительной поверхности на устройство послойного синтеза, уменьшение времени простоя из-за нагрева и охлаждения строительной поверхности и возможность использования строительной поверхности в других технологических процессах вне устройства послойного синтеза.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Из патента RU 183167 U1 известно, что стабильность размеров строительной поверхности устройства послойного синтеза в диапазоне рабочих температур обеспечивается путем применения материала с предельно низким коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР). Как результат, при колебании температур, строительная поверхность будет минимально изменять свои геометрические размеры, что обеспечивает плоскостность и стабильную адгезию.
Однако отсутствуют доступные конструктивные материалы с низким коэффициентом теплового расширения, для крепления строительной поверхности к устройству послойного синтеза, что усложняет задачу. Предлагаемая полезная модель решает эту задачу.
В основу конструкции полезной модели лежит свободное положение строительной поверхности, с возможностью ее тепловое перемещения относительно конструкционных элементов только в плоскостях, параллельных строительной поверхности. В перпендикулярном направлении строительная поверхность заневолена опорами, которыми она крепиться к корпусу. А уже корпус устанавливается на опоры устройства послойного синтеза. Поскольку корпус имеет КЛТР значительно выше, чем строительная поверхность, то он изменяет свои размеры при нагревании строительной поверхности. Однако в перпендикулярном направлении он перемещается как минимум в N-раз меньше (N=В/Д, где В - высота корпуса, Д - его длина). Поэтому в параллельном направлении опоры плавают, а в перпендикулярном - зафиксированы.
Для этого корпус изготавливается из листового магнитного материала. В нем устанавливаются плавающие опоры из термоизоляционного материала типа фарфора. За счет низкой теплопроводности удлинение опор минимально. Так опора, высотой 20 мм из технического фарфора при температуре строительной поверхности 120°С и температуре окружающей среды 20°С удлиняется на 4,5 мкм. Плавающая опора представляет собой слой эластомера (силиконовой резины) как вариант.
Практическая реализация полезной модели представлена на фиг. 3. Она представляет собой строительную поверхность 3 (фиг. 2), изготовленную из стеклокерамики с нанесенным электронагревательным элементом 4, с датчиком температуры, которая закреплена в корпусе 5 из стали марки aisi 430 через фарфоровые опоры 6 и ограничена от перемещения в параллельном направлении эластомером 7, залитым между корпусом и строительной поверхностью. Корпус со строительной поверхностью устанавливается на магнитные или электромагнитные опоры, позволяющие ему смещаться в параллельном направлении для компенсации теплового расширения. Для уменьшения тепловой деформации в корпусе имеются вентиляционные отверстия 8, что уменьшает температуру опор за счет конвекционного теплообмена. Представленная конструкция позволяет установить и снять строительную поверхность с устройства послойного синтеза вместе с готовым изделием. При этом температура строительной поверхности может оставаться стабильной как требуется долго при подключении к внешнему источнику тока. Также ее можно поместить в термошкаф до 200°С для последующей термообработки.