Экструдер для печати керамическими пастами на 3D-принтере по технологии наплавления

Полезная модель относится к области аддитивных технологий, в частности к экструдерам для 3D-принтеров, работающих по методу FDM (FusedDepositionModeling, моделирование методом послойного наплавления).
Полезная модель относится к экструдерам, которые применяются при FDM-печати. Суть процесса заключается в выдавливании («экструзии») и нанесением расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования. В стандартном процессе печати используются различные нити, которые разматываются с катушки и подаются в экструдер - устройство, с нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания полимерной составляющей, которое в свою очередь подается на рабочую поверхность и производится формирование модели, изделия. Как правило, верхняя часть перед соплом наоборот охлаждается с помощью вентилятора, радиатора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала. Сам экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. В качестве расходных материалов применяются всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известен экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати по патенту РФ №194407, содержащий заднюю пластину для крепления на направляющую FDM-принтера, тефлоновые трубки для подачи расходного материала, корпус экструдера, содержащий каналы под пластину с термобарьером с тефлоном, три выхода под нагревательные блоки с термисторами и соплами, отличающийся тем, что в корпусе экструдера выполнены разъемы и каналы для подачи сжатого воздуха к пневмоцилиндру, взаимодействующему с пластиной с возможностью ее выдвижения и поворота сервоприводом для смены нагревательных блоков с термисторами и соплами, при этом корпус содержит радиальные охладители, а поворотная пластина имеет каналы для жидкостного охлаждения.
Отличием от выше указанных полезных моделей является применение жидкостного охлаждения поворотной пластины с термобарьером; применен револьверный тип смены нагревательного блока с термистором и соплом; для переключения режима используется сервопривод и пневмоцилиндр, который отжимает и прижимает поворотную головку.
Известен экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати по патенту РФ №2740693, характеризующийся тем, что модуль экструдера закреплен на пластине перемещения по оси X при помощи опорных подшипников линейного перемещения болтовыми соединениями, между радиатором охлаждения и опорным подшипником линейного перемещения имеются компенсационные пружины, в нагревательном блоке между нагревательными элементами цилиндрической формы расположено резьбовое отверстие для крепления термобарьера и сопла, с внутренней ступенчатой структурой для более качественного расплава подаваемого материала по всей длине сопла, а также для возможности калибровки высоты сопла за счет компенсационных пружин.
Техническим результатом, который обеспечивается заявленным устройством, является высокое качество внешней поверхности 3D-модели, а также значительное уменьшение времени печати до получения готового изделия, которое обеспечивается за счет системы механического изменения высоты, таким образом, исключается калибровка высоты сопел вручную, так как в данном случае калибровка высоты осуществляется за счет механического пружинного привода.
Известен экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати по патенту РФ №208684, содержащий радиатор, термоблок, на торце которого установлено сопло, в радиаторе и термоблоке выполнен сквозной канал для подачи полимера, термобарьер, одна часть которого установлена в канале термоблока, а другая часть - в канале радиатора, отличающийся тем, что часть термобарьера, расположенная в радиаторе, выполнена из материала теплопроводностью более 350 Вт/(м⋅К), а часть, расположенная в термоблоке, выполнена из материала теплопроводностью менее 25 Вт/(м⋅К), при этом длина участка канала L на выходе из сопла выбрана из соотношения: 5D<L<10D, где D - диаметр сопла.
Достигаемым техническим результатом является резкий градиент температур между горячей и холодной частью термобарьера и снижение паразитного экструдирования в процессе печати.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа
Недостатком данного технического решения, равно как и других известных экструдеров, является то, что на нем возможно печать только пластиками или композитами на их основе, в состав которых входит порядка 5%-различных добавок, в т.ч. керамических, и 95% пластика, но отсутствует возможность печати керамикой. Это связано с тем, что керамические материалы невозможно сформировать в нити, необходимого диаметра и пластичности, для использования их в качестве материалов для 3D-принтеров, работающих по технологии наплавления.
Задачей заявляемой полезной модели является создание новой конструкции экструдера, которая позволяет 3D-принтеру печатать керамическими пастами, вместо пластиков.
Керамические пасты представляют собой смесь керамического порошка от 70% до 90%, парафиновой смеси (смесь парафина и воска в соотношении 80%/20%) от 10% до 30% и диспергатора 0,5-1% сверх 100%. Керамическая паста при комнатной температуре находится в твердом состоянии. Для ее печати необходимо будет нагреть экструдер до температуры 60°С. Диспергатор необходим для того, чтобы в жидком состоянии керамические частицы не оседали в парафиновой смеси. Для достижения необходимых свойств керамического напечатанного изделия, в данные пасты можно вводить различные добавки до 5%, которые способствуют улучшению тех или иных свойств.
Керамические изделия сложной формы обладают высокими эксплуатационными (механическими) характеристиками и находят широкое применения в аэрокосмической промышленности (изготовление деталей спутников, стержней для лопаток турбин двигателей самолетов), литейной промышленности (изготовление литейный форм точных или со сложной внутренней структурой), машиностроения (подшипники, форсунки, части, работающие при больших нагрузках и агрессивных средах), химической промышленности (детекторы, мембраны, катализаторы и пр.), атомной промышленности (катализаторы, изоляторы).
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Согласно полезной модели экструдер для печати керамическими пастами на 3D-принтере по технологии наплавления, включающий двигатель для подачи печатающего материала, резервуар для печатающего материала и сопла для подачи печатающего материала на печатный стол 3D-принтера, характеризующийся тем, что резервуар для печатающего материала выполнен с возможностью загрузки его керамической пастой в твердом состоянии и снабжен средством для нагрева керамической пасты до заданной температуры и термопарой для контроля этого процесса, кроме того внутри резервуара для печатающего материала установлен поршень для принудительного выдавливания расплавленной керамической пасты из резервуара печатающего материала через сопло на печатный стол 3D-принтера, при этом поршень через редуктор связан с двигателем для подачи печатающего материала.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно
средство для нагрева керамической пасты до заданной температуры может быть выполнено в виде нихромовой проволоки с керамическим изоляционным покрытием, обмотанной вокруг резервуара и связанной с источником энергии;
редуктор может быть выполнен в виде в виде набора шестеренок, связанных со штоком поршня.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в возможности контроля процесса нагрева и выдавливания керамической пасты, которая за счет высокой теплоемкости мгновенно застывают на печатном столике 3D-принтера.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид заявленного устройства
На чертеже позициями обозначены: 1 - двигатель, 2 - редуктор в виде набора шестеренок, 3 - шток поршня, 4 - резервуар для керамических паст, 5 - нихромовая проволока (нагреватель), 6 - термопара, 7 - сопло, 8 - печатающееся изделие.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Керамическая паста загружается в резервуар 4 в твердом состоянии. Затем с помощью нагревателя 5 происходит нагрев пасты до заданной температуры, при которой паста переходит в жидкое состояние. Двигатель 1 через редуктор 2 приводит в движение шток 3 поршня, который выдавливает керамическую пасту в расплавленном виде из резервуара 4 через сопло 7 на печатный столик 3D-принтера, где керамическая паста благодаря высокой теплоемкости мгновенно застывает, формируя на печатном столике печатающееся изделие 8. Количество выдавливаемой керамической пасты регулируется параметрами работы двигателя 1, а температура ее нагрева - термопарой 6.
Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.