Экструдер для аддитивного производства изделий из композитных материалов

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области аддитивных технологий и может быть использовано для изготовления крупногабаритных деталей и конструкций из композитных материалов, таких как корпусные элементы, композитные панели для применения в авиационной, ракетно-космической технике, автомобилестроении и других отраслях промышленности.
Уровень техники
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, взятого за прототип, является метод аддитивного производства изделий, армированных волокнами (см. [1] заявка на патент США №20150165691, МПК В29С 67/00, опубл. 18.06.2015). В заявке описан экструдер специальной конструкции для печати с использованием композитного волокна. Экструдер состоит из сопла с установленным на него нагревательным блоком, термобарьера с радиатором и подающей фторопластовой трубки, проходящей через термобарьер и входящей в сопло.
Описанное устройство обладает следующими недостатками:
- в конструкции присутствуют фторопластовые элементы, что не позволяет использовать данный экструдер для печати термопластами с температурой переработки выше 250°С.
- в конструкции используется патронный нагреватель, не обеспечивающий широкий температурный диапазон нагрева, необходимый для печати суперконструкционными термопластами.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей заявленной полезной модели является изготовление методом трехмерной печати крупногабаритных панелей, в частности панелей космических аппаратов. В связи с тем, что изделие является крупногабаритным, необходимо обеспечить высокую производительность процесса выкладки материала и возможность применения суперконструкционных термопластов, способных работать в широком диапазоне температур, характерном для эксплуатации на орбите.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение производительности процесса выкладки материала с применением конструкционных и суперконструкционных термопластов.
Технический результат достигается за счет того, что экструдер для аддитивного производства изделий из композитных материалов содержит корпус с двумя каналами, на нижнем торце которого установлено сопло, термобарьер с радиатором и подающей трубкой, при этом корпус выполнен цилиндрической формы с установленным на нем хомутовым нагревателем, первый канал снабжен центральной подающей трубкой для подачи армирующего волокна, второй канал для подачи пластиковой нити расположен под острым углом к оси корпуса, в нижней части корпуса, непосредственно перед соплом, имеется цилиндрическая рабочая камера, при этом сопло снабжено герметизирующим выступом, который входит в соответствующий паз в корпусе экструдера и крепится к корпусу при помощи винтов.
Также технический результат достигается за счет того, что центральная подающая трубка имеет длину не менее 10 мм.
Также технический результат достигается за счет того, что угол расположения второго канала составляет 15°.
Также технический результат достигается за счет того, что герметизирующий выступ выполнен в виде кольца вокруг рабочей камеры.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 - Экструдер.
На фигуре цифрами обозначены следующие позиции:
1 - корпус; 2 - хомутовый нагреватель; 3 - центральная подающая трубка; 4 - отверстие подачи армирующего волокна; 5 - термобарьер; 6 - отверстие для подачи пластиковой нити; 7 - радиатор; 8 - сопло; 9 - герметизирующий выступ; 10 - рабочая камера; α - угол между трубками подачи армирующего волокна и пластиковой нити.
Осуществление полезной модели
Экструдер представляет собой цилиндрический корпус 1, на который установлен хомутовый нагреватель 2. Корпус изготавливается из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, например латуни. Сочетание массивного корпуса и хомутового нагревателя мощностью не менее 100 Вт позволяет осуществлять плавление подаваемых в экструдер конструкционных и суперконструкционных термопластов с высокой производительностью, что важно при печати крупногабаритных конструкций. В корпусе имеются два отверстия (канала): осевое - для подачи армирующего волокна и расположенное под острым углом α к оси - для подачи пластиковой нити. В корпусе установлены центральная подающая трубка 3 с отверстием (первым каналом) 4, служащим для подачи армирующего волокна, и термобарьер 5 с отверстием (вторым каналом) 6 для подачи пластиковой нити. Первый канал 4 имеет диаметр 1 мм, второй канал 6 - диаметр, несколько превышающий диаметр пластиковой нити, например для нити диаметром 1,75 мм диаметр отверстия 6 составляет 2,0 мм. Термобарьер изготавливается из материала со сравнительно небольшой теплопроводностью, например стали, и служит для предотвращения теплоотвода от корпуса экструдера к блоку подачи пластиковой нити. Для увеличения его эффективности на термобарьер устанавливается радиатор 7, который может дополнительно охлаждаться при помощи вентилятора.
На нижнюю часть корпуса устанавливается сопло 8, через отверстие которого осуществляется направление армированной пластиковой нити для формирования изделия. Сопло снабжено уплотняющим (герметизирующим) выступом 9, выполненным в виде кольца вокруг рабочей камеры. При сборке экструдера сопло устанавливается на нижнюю часть корпуса экструдера так, чтобы выступ сопла входил в соответствующий паз в корпусе, и крепится к корпусу винтами. При затяжке винтов выступ сопла плотно входит в паз в корпусе экструдера. Такая конструкция сопла препятствует утечке пластика из рабочей камеры экструдера 10 в процессе печати и обеспечивает возможность удобного доступа к камере экструдера для ее чистки при обслуживании экструдера.
3
При изготовлении детали экструдер при помощи хомутового нагревателя 2 разогревается до температуры, превышающей температуру плавления пластиковой нити. Через отверстие 4 в экструдер подается армирующее волокно таким образом, чтобы оно проходило насквозь через рабочую камеру 10 и отверстие в сопле 8. Экструдер устанавливается на трехкоординатном манипуляторе и в процессе печати движется по заданной программе. В процессе пластиковая нить подается в рабочую камеру экструдера 10 через соответствующий канал 6. Скорость подачи регулируется в зависимости от скорости печати и диаметра отверстия в сопле 8 таким образом, чтобы в камере 10 создавалось избыточное давление пластика, и он выходил из отверстия сопла 8. Рабочая камера имеет объем 0,3 см, что позволяет накапливать в ней расплав термопласта и устраняет дефекты печати, которые могут возникать из-за запаздывания подачи пластика в экструдер при печати на высокой скорости. При этом утечка пластика из камеры 10 через канал подачи армирующего волокна предотвращается за счет наличия центральной подающей трубки 3 с узким отверстием для подачи армирующего волокна. Под давлением расплав термопласта проходит вверх по трубке, однако, так как канал является длинным и узким и в данном канале при печати движется волокно, расплаву не удается достичь верхнего края трубки. Для достижения данного результата необходимо, чтобы длина трубки была не менее 10 мм, и диаметр отверстия в ней  не более 1 мм. Также, находясь в отверстии трубки, расплав термопласта нагревает и смачивает армирующее волокно. Процесс совмещения армирующего волокна с расплавом термопласта завершается в рабочей камере 10, и покрытое термопластом армирующее волокно выходит через отверстие в сопле 8. Выходящее из сопла армирующее волокно, покрытое термопластом, послойно укладывается на стол, формируя деталь.
Например, описываемый экструдер состоит из следующих элементов:
3
1) Корпус с рабочей камерой объемом 0.3-0.4 смКорпус имеет цилиндрическую форму (для установки хомутового нагревателя). В корпусе имеется два канала - первый канал расположен по оси и служит для подачи армирующего волокна, второй канал расположен под углом 15° к оси и служит для подачи пластиковой нити. В нижней части корпуса, непосредственно перед соплом, имеется цилиндрическая рабочая камера, которая служит для накопления расплавленного термопласта.
2) Хомутовый нагреватель, устанавливаемый на цилиндрический корпус,  служит для нагрева корпуса до температуры, соответствующей температуре переработки термопласта.
3) Центральная подающая трубка устанавливается в осевой канал корпуса. Трубка имеет осевое отверстие диаметром 1,0 мм, через которое подается армирующее волокно. Трубка имеет длину не менее 10 мм и служит для предварительного прогрева армирующего волокна для улучшения его смачиваем ости термопластом и для предотвращения противотока пластика из камеры через отверстие для подачи армирующего волокна.
4) Сопло устанавливается на нижний торец корпуса и служит для укладки пластика и армирующего волокна на рабочий стол для формирования изделия.
5) Термобарьер устанавливается в канал для подачи пластиковой нити и служит для изоляции нагретого корпуса экструдера от холодной зоны, где расположен податчик пластиковой нити. Термобарьер имеет осевое отверстие для подачи пластиковой нити.
Технический результат (высокая производительность процесса печати с использованием конструкционных и суперконструкционных термопластов) достигается следующим образом:
1. Корпус с большой теплоемкостью, расположенный внутри хомутового нагревателя ,позволяет осуществлять плавление поступающего в камеру термопласта с высокой производительностью.
2. Хомутовый нагреватель мощностью не менее 100 Вт обеспечивает нагрев экструдера до высоких температур (порядка 400°С), что позволяет осуществлять печать использованием конструкционных и суперконструкционных термопластов.
3
3. Рабочая камера экструдера имеет объем не менее 0,3 см, что устраняет дефекты печати, которые могут возникать из-за несвоевременной подачи пластика в экструдер при печати на высокой скорости.
4. Центральная подающая трубка имеет длину более 10 мм, что препятствует утечке пластика через отверстие подачи армирующего волокна, а также позволяет предварительно прогреть армирующее волокно для его лучшей смачиваемости расплавом термопласта.
5. Сопло снабжено уплотняющим (герметизирующим) выступом, выполненным в виде кольца вокруг рабочей камеры. При сборке экструдера сопло устанавливается на нижнюю часть корпуса экструдера так, чтобы выступ сопла входил в соответствующий паз в корпусе, и крепится к корпусу винтами. При затяжке винтов выступ сопла плотно входит в паз в корпусе экструдера, что препятствует утечке пластика через соединение сопла с корпусом экструдера.