Способ аддитивного производства изделий (варианты) Российский патент 2024 года по МПК B33Y10/00 B33Y30/00 B29C64/106 

Изобретение относится к способам изготовления изделий с применением аддитивных технологий. Изобретение может применяться во многих областях промышленности, народного хозяйства и в личных целях, везде, где необходимо изготовление деталей сложной формы из полимерных материалов, в частности в машиностроении, авиации, станкостроении, электроэнергетике, космонавтике, медицине, строительстве, дизайне, моделировании, в домашнем хозяйстве и в других областях.

В настоящее время известно множество способов аддитивного производства изделий. Большую группу составляют способы аддитивного производства, в основе которых лежит экструзия материла, например, технология FDM (fused deposition modeling). По этой технологии тонкую нить из термопластичного материала подают в зону сопла, расплавляют и наносят расплав, формируя изделие. К группе технологий, основанных на экструзии материала, также можно отнести способы печати двух- и многокомпонентными химически отверждаемыми полимерными материалами RDM (resin deposition modeling). Печать может выполняться, например, двухкомпонентной эпоксидной смолой, полиэфирной смолой, винилэфирной смолой, полиуретаном, силиконом и пр. В технологии RDM смешивают два или более изначально жидких компонента, смесь твердеет (идет процесс гелеобразования), за счет того, что компоненты вступают в химическую реакцию, и через время происходит полное отвердевание материала.

Например, известен способ аддитивного производства, в котором изделие создается из послойно наносимого, многокомпонентного, химически отверждаемого материала, включающий в себя подачу компонентов в печатающую головку по отдельным каналам, их смешивание перед соплом и нанесение послойно, отличающийся тем что время нанесения одного слоя больше времени гелеобразования используемого материала и меньше времени отверждения используемого материала. Для реализации способа, используют отдельные емкости для хранения каждого из компонентов, отдельные насосы для подачи каждого из компонентов, печатающую головку, с каналами для каждого из компонентов, совмещенную со смесителем и соплом, механизм перемещения печатающей головки, область построения изделия, компьютер и программное обеспечение управляющие всеми перечисленными элементами, при этом компьютер и программное обеспечение обеспечивают время нанесения одного слоя больше времени гелеобразования используемого материала и меньше времени отверждения используемого материала. (см. патент РФ на изобретение № 2775993).

Недостатком описанного способа является подтекание материала из сопла, так как печатающая головка не содержит клапанов. Проблема подтекания возникает при выполнении холостых ходов, т.е. таких ходов, во время которых материал не наносится, а головка перемещается, например, от одной части детали к другой.

Данная проблема характерна для всех технологий из группы экструзии, одним из вариантов ее решения является используемая в технологии FDM печатающая головка с пластиной - клапаном, например известна печатающая головка струйного 3D принтера, содержащая выполненную в едином корпусе подвижную платформу с размещенными на ней двумя соплами с нагревателями и механизм переключения сопел, положение которой определяется датчиком положения подвижной платформы и ограничивается позиционным ограничителем, отличающаяся тем, что печатающая головка струйного 3D принтера снабжена клапаном для сопел, выполненном с возможностью прогиба, обеспечивающим запирание одного из сопел и открывание другого при переключении сопел, при этом сопла выполнены с возможностью перемещения относительно клапана, который выполнен неподвижным. (см. патент на полезную модель РФ 161249).

Известное решение позволяет предотвратить подтекание при печати термопластичным материалом по технологии FDM, но такой подход не применим к технологии RDM, в которой требуется перекрытие канала каждого компонента по отдельности. Перекрытие выходного канала сопла приведет к проникновению одного из компонентов в полость другого компонента, за счет незначительных различий в вязкости, плотности и давлении, что приведет к аварийному отверждению смеси в канале одного из компонентов. Также в технологии RDM требуется более качественное уплотнение из-за существенно меньшей вязкости материала.

Обозначенная проблема может быть решена с применением другого способа, в котором использовано известное устройство - узел дозирования компонентов, подаваемых в смесительную камеру печатающей головки 3D-принтера, представляющий собой насос, включающий быстроразъемный корпус, первый полимерный вкладыш и второй полимерный вкладыш, замкнутые в корпусе и образующие рабочую камеру насоса с внутренним объемом 16-20 см3, в которой установлены ведущая шестерня и ведомая шестерня, шестерни установлены на осях, расположенных вдоль оси симметрии корпуса и зафиксированы через подшипники во вкладышах, при этом ось ведущей шестерни выходит за пределы корпуса насоса и соединена с валом шагового мотора, установленного в отсеке, закрепленном на корпусе, во вкладышах выполнены подводящий и отводящий каналы, а также канал перепуска из запираемых зон. (см. патент на полезную модель РФ 209314)

Описанный способ выбран заявителями в качестве прототипа. Этот способ технически обеспечивает «ретракт» материала, т.е. за счет изменения направления вращения шестерен засасывает назад небольшое количество материала, не допуская его подтекания, но описанный способ использует устройство достаточно большое и тяжелое для его размещения непосредственно на печатающей головке принтера, особенно учитывая, что таких устройств необходимо как минимум два, а при размещении на корпусе принтера длинные трубопроводы не позволят эффективно выполнять ретракт из-за большого объема.

Цели настоящего изобретения:

• повышение качества изделий, изготовленных с применением аддитивных технологий.

• повышение удобства и эффективности эксплуатации 3D принтеров.

• повышение технологических возможностей 3D печати и 3D принтеров.

• повышение надежности и упрощение конструкции 3D принтеров.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что изделие создают из текучего материала, который выходит из печатающей головки, при этом в печатающей головке создают всасывающую полость переменного объема, соединенную с выходом из печатающей головки, и обеспечивают ретракт материала за счет увеличения объема всасывающей полости.

Ретракт материала, то есть возврат (обратное движение) материала из смешивающего устройства в печатающую головку достигается за счет того, что при увеличении объема всасывающей полости эта полость заполняется материалом, поступающим из смешивающего устройства. Фактически в печатающей головке реализуется принцип действия объемного гидростатического насоса. В данном случае, обратное движение материала из смешивающего устройства во всасывающую полость происходит за счет гидростатического эффекта, при увеличении объема всасывающей полости, под воздействием на материал атмосферного давления на выходе материала в зону печати.

Сущность изобретения поясняется чертежами и схемами:

Фиг. 1 - печатающая головка, с минимальным объемом всасывающей полости.

Фиг. 2 - печатающая головка, с максимальным объемом всасывающей полости.

Осуществление заявляемого способа аддитивного производства, показано на примере, когда изделие создается из компонентного химически отверждаемого материала. Компоненты материала по отдельности подаются в печатающую головку. Компоненты забираются из соответствующих им баков и дозированно подаются в печатающую головку с помощью насосов. При этом, специальные устройства могут контролировать и поддерживать заданный расход и давление компонентов. На выходе из печатающей головки компоненты смешиваются в смешивающем устройстве и образовавшийся в смешивающем устройстве материал послойно формирует изделие (идет технологический процесс 3D печати). Материал, как правило, наносится через сопло на стол. Стол и/или печатающая головка с соплом перемещаются по заданной программе для построения необходимой геометрии изделия. В печатающей головке образована всасывающая полость переменного объема, которая обеспечивает ретракт материала из смешивающего устройства за счет увеличения объема. Изменение объема всасывающей полости обеспечивает подвижный золотник (фиг. 1 - 2).

После смешивания компонентов в смешивающем устройстве начинается химический процесс образования материала. При этом, некоторое время материал остается текучим и пригодным для 3D печати. Это время называется временем гелеобразования материала. По истечении этого времени, материал превращается в гель и уже не пригоден для 3D печати.

Вариант реализация способа, в котором время ретракта меньше времени гелеобразования материала, позволяет избежать отверждения материала смешивающего устройства с соплом, каналов и полостей печатающей головки, что упрощает обслуживание принтера.

Печатающая головка для осуществления заявляемого способа, изображенная на фиг. 1, включает в себя корпус (1). Корпус может быть выполнен цельным или составным. На фиг. 1,2 изображены варианты составного корпуса с каналами для печатающей головки, предназначенной для печати двухкомпонентными химически отверждаемыми материалами. Изображенный на фигурах вариант корпуса (1) выполнен с двумя профилированными каналами (2) с поверхностью в виде тел вращения с параллельными осями.

Каждый профилированный канал (2) соединен со входным (3) и соединительными каналами (4), содержит уплотняющую поверхность (5) и направляющую поверхность (6). Расположенный в профилированном канале (2) подвижный золотник (7), имеет уплотняющую поверхность (8), торцевую поверхность (9) и направляющую поверхность (10) и снабжен механизмом перемещения золотника (11). Тело золотника (7) может быть выполнено составным, например, с внешними уплотнениями. Механизм перемещения золотника (11) обозначен схематично. Тело корпуса (1), тело золотника (7), уплотняющая поверхность (5) профилированного канала (2), уплотняющая поверхность (8) золотника и торцевая поверхность (9) золотника в совокупности образуют всасывающую полость (12), объем которой (V1) зависит от положения золотника (7) в профилированном канале (2).

Всасывающая полость (12) соединена с соединительным каналом (4), который в свою очередь соединен с полым смешивающим устройством (13). Смешивающее устройство (13) соединено с соплом, в котором выполнен сужающийся выходной канал (14) для выхода материала в зону печати. Возможны варианты печатающей головки:

• сопло выполнено в виде отдельной съемной детали, закрепляемой на смешивающем устройстве.

• сопло выполнено, как неотъемлемая часть смешивающего устройства.

На фиг. 2 показан вариант печатающей головки (фиг.1), в котором золотники (7) находятся в верхнем положении, соответствующем максимальному объему (V1) всасывающей полости (12).

На фиг. 1 и 2 показан вариант печатающей головки, в котором на уплотняющих поверхностях (8) золотников установлены уплотнительные элементы (15).

На фиг. 1 и 2 показано полое смешивающее устройство (13), соединенное с соединительными каналами (4) и через объем V2 которого во время работы устройства проходит материал (как во время печати, так и во время ретракта).

Механизм перемещения золотников (11) изображенный на фиг. 1 и 2 может быть выполнен в виде пневмоцилиндра.

Способ осуществляется следующим образом - при открытых золотниках (7) выполняется печать (фиг.1). При этом каждый компонент материала подается во входной канал (3) и далее по профилированныму каналу (2) в корпусе (1) проходит до соединительного канала (4), из которого попадает в смешивающее устройство (13), В полости смешивающего устройства (13) компоненты смешиваются, происходит химическая реакция и образовавшийся материал подается через выходной канал (14) смешивающего устройства (13) в зону печати, формируя изделие.

При необходимости выполнить ретракт во время холостого хода, или ретракт не связанный с холостым ходом, золотники (7) закрываются (фиг.2). Закрытие происходит за счет вертикального перемещения золотников (7) с помощью механизма (11) в крайнее верхнее положение. При этом, за счет наличия уплотнительных поверхностей (5) и (8) соединительный канал (4) герметично запирается. Движение каждого компонента по входному каналу (3) и профилированному каналу (2) прекращается, поскольку соединительный канал (4) отделяется от профилированного канала (2) герметичным уплотнением поверхностей (5) и (8). Одновременно с движением золотников (7) вверх, всасывающая полость (12) увеличивается в объеме. Поскольку всасывающая полость (12), одновременно с увеличением объема, отделяется (герметично запирается) от профилированных каналов (2), во всасывающую полость (12) за счет гидростатического эффекта засасывается материал из полости смешивающего устройства (13), что обеспечивает ретракт материала и предотвращает его вытекание из смешивающего устройства (13) через выходной канал (14) в сопле, что в свою очередь повышает качество печати.

Возможны варианты осуществления способа и печатающей головки:

• оси всех профилированных каналов расположены под углом к вертикали, при этом перемещение золотников происходит также под углом к вертикали.

• оси профилированных каналов не параллельны, при этом движение по меньшей мере одного золотника происходит под углом к вертикали.

• ось по меньшей мере одного профилированного канала расположена горизонтально, при этом перемещение золотника происходит в горизонтальной плоскости.

При необходимости остановки принтера, золотники (7) закрываются (фиг.2) с помощью механизма (11), при этом за счет наличия уплотнительных поверхностей (5 и 8) соединительный канал (4) отделяется от профилированного канала (2), что предотвращает вытекание жидких компонентов материала из принтера через выходной канал (14), что в свою очередь упрощает обслуживание принтера.

Цели изобретения достигается за счет того, что:

• В печатающей головке создают всасывающую полость переменного объема, соединенную с выходом из печатающей головки, и обеспечивают ретракт материала за счет увеличения объема всасывающей полости.

• В корпусе печатающей головки создают всасывающую полость переменного объема, соединенную с выходным каналом, образованную телом корпуса и подвижным золотником, при этом, обеспечивают ретракт материала через выходной канал, путем увеличения объема всасывающей полости, посредством перемещения золотника.

• Используют термопластичный материал.

• Используют отверждаемый со временем материал.

• Используют компонентный материал.

• Используют химически отверждаемый материал.

• Используют материал, отверждаемый методом фотополимеризации.

• Задают время ретракта материала меньше времени гелеобразования материала.

• Ретракт материала осуществляется во время холостых ходов процесса производства изделия.

• Изделие формируют в жидкой среде, или в порошковой среде.

• Материал подают горизонтально, или под углом к вертикали.

За счет того, что Изделие формируют в жидкой среде и/или материал подают горизонтально или под углом к вертикали, появляется возможность печати изделий с «нависаниями», отрицательными углами.

Для обеспечения правильного режима работы устройства, при котором ретракт выполняется в достаточном для предотвращения подтеканий объеме, но не приводит к чрезмерному засасыванию воздуха в смешивающее устройство с соплом, необходим правильный выбор объема всасывающей полости V1. Необходимо соблюдать соотношение между минимальным объемом всасывающей полости V1 min и максимальным объемом всасывающей полости V1 max и объемом смешивающей полости V2:

0,5 * V2 ≥ V1 ≤ 25 * V2.

Группа изобретений относится к области изготовления изделий с применением аддитивных технологий. Изобретения могут применяться во многих областях промышленности, где необходимо изготовление деталей сложной формы из полимерных материалов. Суть изобретения заключается в том, что изделие создают из текучего материала, который выходит из печатающей головки, при этом в печатающей головке создают всасывающую полость переменного объема, соединенную с выходом из печатающей головки, и обеспечивают ретракт материала за счет увеличения объема всасывающей полости. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ аддитивного производства, заключающийся в том, что изделие создают из текучего материала, который выходит из печатающей головки, при этом в печатающей головке создают всасывающую полость переменного объема, соединенную с выходом из печатающей головки, и обеспечивают ретракт материала за счет увеличения объема всасывающей полости.

2. Способ аддитивного производства, заключающийся в том, что изделие создают из текучего материала, который выходит из выходного канала печатающей головки, в корпусе печатающей головки создают всасывающую полость переменного объема, соединенную с выходным каналом, образованную телом корпуса и подвижным золотником, при этом обеспечивают ретракт материала через выходной канал, путем увеличения объема всасывающей полости, посредством перемещения золотника.

3. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что используют термопластичный материал.

4. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что используют отверждаемый со временем материал.

5. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что используют компонентный материал.

6. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что используют химически отверждаемый материал.

7. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что используют материал, отверждаемый методом фотополимеризации.

8. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что задают время ретракта материала меньше времени гелеобразования материала.

9. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что ретракт материала осуществляется во время холостых ходов процесса производства изделия.

10. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что изделие формируют в жидкой среде или в порошковой среде.

11. Способ по п. 1 или 2, заключающийся в том, что материал подают горизонтально или под углом к вертикали.