УСТРОЙСТВО ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ АДДИТИВНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области аддитивных технологий и может быть использована для температурной подготовки рабочей области изделия при изготовлении деталей и конструкций из композитных материалов, армированных непрерывными волокнами, таких как кронштейны, фитинги, корпусные элементы, носимые изделия, сетчатые и сотовые конструкции, различные оснастки для применения в авиационной, ракетно-космической технике, медицине, автомобилестроении и других отраслях промышленности. Более конкретно настоящая полезная модель относится к устройству для обеспечения необходимого температурного режима для производства изделий из композитных материалов с использованием сжатого воздуха.
Уровень техники
Из предшествующего уровня техники известна печатающая головка для аддитивного производства изделий, состоящая из механизма подачи пластиковой нити, механизма подачи армирующего волокна, механизма обрезки армирующего волокна, подающих трубок и нагревательного блока. RU 2662015 С1 опубл.: 23.07.2018 Бюл. №21.
Также из предшествующего уровня техники известна печатающая головка для 3D-принтера, содержащая выполненную в едином корпусе подвижную платформу с размещенными на ней: шаговым электродвигателем; зубчатым шкивом; основанием; фланцем; направляющей пластиной; радиатором; экструдерным узлом в сборе; каналами филамента; шкивом ременной передачи; вентилятором; пружиной, прижимающей ведомый зубчатый шкив к ведущему; направляющей осью, установленной между двумя опорами; ремнем и опорами. RU 174069 U1 опубл.: 28.09.2017 Бюл. №28.
Также из предшествующего уровня техники известна комбинированная система для нагрева и охлаждения - вихревая трубка. В трубке, содержащей завихритель и диффузор, соединенные вихревой трубкой, и патрубки холодного и горячего потоков, отверстия и центральные тела завихрителя и диффузора размещены по оси вихревой трубки, причем завихритель соединен с центральным телом радиальными лопатками, имеющими минимальный угол закрутки около центрального тела и максимальный около завихрителя, причем отверстие холодного потока выполнено кольцевым и размещено между завихрителем и вихревой трубкой. RU 2671555 С2, опубл.: 01.11.2018 Бюл. №31.
В описанных выше технических решениях для повышения качества изделия и скорости печати используется вентиляторы охлаждения печатной детали, направленные непосредственно под сопла печатающих головок. Такое охлаждение позволяет быстро снизить температуру выложенного слоя расплавленного полимера (в том числе армированного непрерывными волокнами) и тем самым препятствует существенному изменению герметических параметров детали, вызываемому ползучестью разогретого материала. Нагрев детали в описанных решениях отсутствует.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение механических свойств, обеспечение качества изготавливаемой детали, а также повышение скорости ее изготовления.
Техническим результатом заявленной полезной модели является: повышение скорости выкладки очередного слоя расплавленного термопластичного полимера, армированного или неармированного непрерывными волокнами; увеличение межслоевой адгезии; обеспечение заданной геометрии изготавливаемых деталей; предотвращение сползания армирующего волокна, снижающего прочность изготавливаемых изделий; снижение остаточных напряжений, появляющихся вследствие неравномерного остывания слоев материала изделий.
Технический результат достигается за счет того, на кронштейне, расположенном на подвижном узле установки для аддитивного производства, вблизи печатающей головки закреплена вихревая трубка, работа которой основана на эффекте разделения рабочего тела (газа или жидкости) на две фракции при его закручивании в цилиндрической или конической камере.
Также технический результат достигается за счет локального подогрева предыдущего слоя в области работы сопла экструдера для увеличения межслоевой адгезии, повышения скорости выкладки очередного слоя материала (в случае выкладки армированного термопластичного полимера) и уменьшения внутренних остаточных напряжений, что в свою очередь приводит к увеличению прочности изделия. При этом текущий слой может быть подогрет до температуры, находящейся в диапазоне, ограниченном температурой рабочего тела трубки и температурой, превышающей температуру рабочего тела на 110°С.
Также технический результат достигается за счет локального охлаждения текущего слоя в области работы сопла экструдера для обеспечения требуемой геометрической формы изготавливаемой детали и для предотвращения сползания армирующего волокна с заданной траектории армирования (в случае выкладки армированного термопластичного полимера). При этом текущий слой может быть охлажден до температуры, находящейся в диапазоне, ограниченном температурой рабочего тела трубки и температурой, превышающей температуру рабочего тела на 110°С.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 - Устройство для локальной термостабилизации изделий из композитных материалов при аддитивном производстве.
На фигуре цифрами обозначены следующие позиции:
1 - трубка подвода рабочего тела вихревой трубки; 2 - кронштейн; 3 - печатающая головка для аддитивного производства; 4 - сопла экструдера печатающей головки; 5 - вихревая трубка; 6 - конец вихревой трубки для выхода горячей фракции рабочего тела.
Осуществление полезной модели
Устройство локальной термостабилизации изделий из композитных материалов при аддитивном производстве представляет собой совокупность закрепленных на удерживающем кронштейне (2) печатающей головки для аддитивного производства (3) изделий и вихревой трубки (5). Печатающая головка способна выкладывать армированный или неармированный термопластичный полимер. Вихревая трубка устанавливается таким образом, что конец трубки, из которого выходит нагретый воздух (6), располагается над рабочей областью сопла экструдера (4), что обеспечивает локальный нагрев предыдущего слоя и одновременное охлаждение текущего слоя до температуры, находящейся в диапазоне, ограниченном температурой рабочего тела трубки и температурой, превышающей температуру рабочего тела на 110°С.
Устройство температурной подготовки изделий из композитных материалов при аддитивном производстве работает следующим образом:
- печатающая головка для аддитивного производства изделий, установленная на перемещающий механизм, в соответствии с управляющей программой и схемой армирования производит выкладку термопластичного полимера, армированного или неармированного волокном;
- в вихревую трубку подается рабочее тело под избыточным давлением, где, благодаря эффекту Ранка-Хилша, происходит его разделение на две фракции - горячую и холодную. Горячая фракция подается в рабочую область сопел экструдеров, где происходит процесс локального нагрева предыдущего слоя и, одновременно, локальное охлаждение текущего слоя.
Печатающая головка для аддитивного производства может быть представлена печатающими головками, описанными в патентах RU 2662015 С1 или RU 174069 U1.
Перемещающий механизм может быть представлен многокоординатным промышленным роботом, например, KUKA KR3 R540.
Управляющая программа может быть представлена набором команд, выполненным на языке программирования устройств с числовым программным управлением - G-code по ГОСТ 20999-83.
Термопластичная нить может быть представлена серийными пластиками: ПЛА, АБС, ПА (нейлон), ПЕТ-Г, ПК, ПЭИ и т.д.
Армирующее волокно может быть представлено композитной углеродной нитью CCF-1.5, производства ООО «Анизопринт».
Вихревая трубка может быть представлена вихревой трубкой, описанной в RU 2671555 С2.
Рабочее тело вихревой трубки может быть представлено сжатым воздухом давлением 6,5 кПа. Такое давление дает стабильные характеристики фракций рабочего тела. Вместе с этим холодная фракция из вихревой трубки может быть использована для охлаждения рабочего пространства промышленного робота, температура которого не должна превышать 55°С.