RU170109U1 - PRINTING HEAD OF THE DEVICE FOR VOLUME PRINTING WITH MELTED METAL - Google Patents

Abstract

Устройство предназначено для постепенного, по мере подачи в устройство, расплавления металла и постепенного наплавления его на объект, который печатается с использованием устройства. Устройство используется в составе принтеров для объемной печати (3D-принтеров).Устройство (печатающая головка) использует индукционный нагрев металлической нити для ее расплавления с целью построения объемной модели из металла путем послойного его нанесения на печатаемую модель. Металлическая нить подается в принимающую часть устройства в твердом состоянии, по мере движения по устройству разогревается индукционным нагревателем и переходит в жидкое состояние, после чего наносится на печатаемую трехмерную модель для формирования слоя печати, охлаждается и застывает (твердеет).The device is intended for the gradual, as it is fed into the device, the melting of metal and its gradual fusion to an object that is printed using the device. The device is used as a part of volume printers (3D-printers). The device (printhead) uses induction heating of a metal filament to melt it in order to build a volume model of metal by layer-by-layer applying it to the printed model. The metal thread is supplied to the receiving part of the device in a solid state, as it moves through the device it is heated by an induction heater and turns into a liquid state, after which it is applied to a printed three-dimensional model to form a printing layer, it cools and solidifies (hardens).

Description

Устройство (печатающая головка) предназначено для постепенного, по мере подачи в устройство, расплавления металла и постепенного наплавления его на объект, который печатается с использованием устройства. Устройство используется в составе принтеров для объемной печати (3D-принтеров).The device (printhead) is designed to gradually, as it is fed into the device, the metal melts and gradually fuse it onto an object that is printed using the device. The device is used as part of printers for volume printing (3D printers).

На данный момент известно несколько устройств, которые используются для печати металлом, все они подразумевают аккуратное и постепенное наслаивание исходного металлического сырья слой за слоем для построения заданной фигуры.At the moment, several devices are known that are used for metal printing; all of them imply accurate and gradual layering of the initial metal raw material layer by layer to build a given figure.

Технология SLS, также известная под названием Direct metal laser sintering, позволяет создавать металлические объекты из плавкого порошка - металлической глины. Впервые данный материал был показан в 1990 году в Японии. Тогда его использовали для лепки примитивных форм. В промышленности применять его стали лишь спустя десять лет после открытия. Металлоглина изготавливается из смеси металлической стружки, органического связующего вещества и воды. При обжигании связующее вещество и вода выгорают, что превращает металлический порошок в монолитный объект. Для обработки металлоглины SLS-принтеры используют лазер. Порошок наносится на поверхность платформы ровным слоем, после чего разглаживается специальным валиком. Затем лазерное излучение обжигает слой металлоглины так, как это запрограммированно в шаблоне. Процесс повторяется раз за разом, пока фигура не приобретет нужные размеры. Печать проходит в специальной камере с бескислородной средой, в которой постоянно поддерживается высокая температура.SLS technology, also known as Direct metal laser sintering, allows you to create metal objects from fusible powder - metal clay. This material was first shown in 1990 in Japan. Then it was used for modeling primitive forms. In industry, they began to use it only ten years after the discovery. The metal clay is made from a mixture of metal chips, an organic binder and water. When fired, the binder and water burn out, which turns the metal powder into a monolithic object. SLS printers use a laser to process metal clays. The powder is applied to the surface of the platform in an even layer, after which it is smoothed out with a special roller. Then the laser radiation burns the metal clay layer as it is programmed in the template. The process is repeated time after time until the figure acquires the desired dimensions. Printing takes place in a special chamber with an oxygen-free medium in which high temperature is constantly maintained.

Еще один метод - электронно-лучевая плавка. Технология ЕВМ по сути практически не отличается от SLS/DMLS печати металлом. Единственное отличие электро-лучевой плавки заключается в том, что вместо лазерного луча, металлоглина плавится при помощи направленных электроимпульсов. Использование электронных пучков высокой мощности, действующих в вакууме, обеспечивает более высокую детализацию печатных объектов. Это объясняется тем, что корректировка электронного луча осуществляется не за счет движения печатной головки, а с помощью манипуляции магнитными полями, то есть на гораздо более точном уровне. Так действует промышленный 3D принтер Arcam Q10.Another method is electron beam melting. The EBM technology essentially does not differ from metal SLS / DMLS printing. The only difference between electro-beam melting is that instead of a laser beam, the metal clay melts using directional electric pulses. The use of high-power electron beams operating in a vacuum provides higher detail on printed objects. This is because the correction of the electron beam is carried out not due to the movement of the print head, but by manipulating the magnetic fields, that is, at a much more accurate level. This is how the Arcam Q10 industrial 3D printer works.

ЕВМ и SLS/DMLS машины комплектуются германиевыми и алмазными линзами, сложными электромагнитными приспособлениями и посеребренными или позолоченными зеркалами, из-за чего стоимость оборудования делает его покупку рентабельной только для крупных промышленных центров.Computers and SLS / DMLS machines are equipped with germanium and diamond lenses, complex electromagnetic devices and silver-plated or gold-plated mirrors, because of which the cost of the equipment makes its purchase cost-effective only for large industrial centers.

Еще один метод - технология FDM или fused deposition modeling. В этом случае металлическая глина выдавливается через экструдер на охлажденную платформу построения, где он застывает, слой за слоем формируя нужный объект. Однако, при использовании этого метода, напечатанную глиной модель необходимо обжигать в печи для получения металлического изделия. Среди устройств, работающих по такому принципу, можно выделить The Mini Metal Maker.Another method is FDM technology or fused deposition modeling. In this case, the metal clay is extruded through an extruder onto a cooled building platform, where it freezes, layer by layer forming the desired object. However, using this method, a clay-printed model must be burned in an oven to produce a metal product. Among the devices working on this principle, the Mini Metal Maker can be distinguished.

Информация получена из сети Интеренет 29.04.2016 г.(http://make-3d.ru/articles/3d-printer-po-metallu-kak-eto-vozmozhno/)Information received from the Internet on April 29, 2016 (http://make-3d.ru/articles/3d-printer-po-metallu-kak-eto-vozmozhno/)

Также зарегистрирована модель (US 9027378 (В2), опубликовано 2015-05-12), в которой в общих чертах описано устройство, содержащее экструзионную головку, через которую расплавленный металл подается в камеру печати.A model is also registered (US 9027378 (B2), published 2015-05-12), which outlines a device containing an extrusion head through which molten metal is fed into a print chamber.

Применяется также предварительный нагрев металла в ванне и подача металла к зоне печати уже в расплавленном состоянии и разбрызгивании расплава через множество экструзионных сопел. Так действует 3D принтер Vader (US 2015273577, опубликовано 2015-10-01). Подобный метод имеет ограничения по сфере применения и используемым для печати металлам (по тугоплавким металлам имеются ограничения), поскольку нагрев относительно большого объема металлов выдвигает требования к помещениям, где располагаются подобные устройства и не может быть использован в быту.Pre-heating of the metal in the bath and supply of metal to the print zone already in the molten state and spraying of the melt through many extrusion nozzles are also used. This is how the Vader 3D printer works (US 2015273577, published 2015-10-01). This method has limitations on the scope and metals used for printing (there are restrictions on refractory metals), since heating a relatively large volume of metals makes demands on the premises where such devices are located and cannot be used in everyday life.

Вместе с тем, полезная модель имеет ближайшим аналогом не устройства печати металлом, а устройства (3D-принтеры), использующие технологию FDM (fused deposition modeling), и печатающие пластиками. Для примера возьмем 3D-принтер Призма Окта (http://prizma.info/produkciya найдено в сети Интернет 29.04.2016). В нем исходный материал (пластик) подается в печатающую головку в виде твердой нити, по мере прохождения нити через печатающую головку из металла, она нагревается при помощи резистивных (использующих для нагрева выделение тепла при прохождении электрического тока через электрический резистор) нагревателей, расплавляется и наносится на печатаемую модель после выдавливания через экструзионное сопло.At the same time, the utility model has the closest analogue not to metal printing devices, but devices (3D printers) using FDM (fused deposition modeling) technology and printing with plastics. For example, take the 3D printer Prism Octa (http://prizma.info/produkciya found on the Internet April 29, 2016). In it, the initial material (plastic) is fed into the print head in the form of a solid filament, as the filament passes through the metal print head, it is heated using resistive (using heat to heat when an electric current passes through an electric resistor) heaters, it is melted and applied on the printed model after extrusion through an extrusion nozzle.

Конструкция настоящей полезной модели состоит из диэлектрического стержня 1 (см. Фиг. 1) с продольным отверстием для подачи металлической нити, катушки индукционного нагревателя 4 и непосредственно металлической нити 2. Металлическая нить 2, входя в устройство в твердом состоянии, разогревается при помощи индукционного нагревателя по мере прохождения через отверстие в диэлектрике 1 и преобразуется в расплав 3. Таким образом, к моменту выхода из устройства, металл нити находится в жидком состоянии, и наносится на основание или предыдущий слой металла создаваемой трехмерной модели 5.The construction of this utility model consists of a dielectric rod 1 (see Fig. 1) with a longitudinal hole for supplying a metal thread, an induction heater coil 4 and directly a metal thread 2. The metal thread 2, entering the device in a solid state, is heated using an induction heater as it passes through the hole in the dielectric 1, it is converted into melt 3. Thus, by the time of exiting the device, the metal of the thread is in a liquid state and is applied to the base or previous layer metal created three-dimensional model 5.

Так как индукционные токи воздействуют только на токопроводящие материалы, диэлектрик 1 не будет разогреваться индукционной катушкой. Нагрев диэлектрика будет происходить только из-за контакта с разогреваемым металлом. Таким образом, температура плавления диэлектрика, для сохранения работоспособности устройства, должна быть выше температуры плавления применяемого в металлической нити металла.Since induction currents affect only conductive materials, the dielectric 1 will not be heated by an induction coil. Dielectric heating will occur only due to contact with the heated metal. Thus, the melting temperature of the dielectric, in order to maintain the operability of the device, must be higher than the melting temperature of the metal used in the metal thread.

Металлическая нить 2 в твердом состоянии, подаваемая в верхнюю часть устройства, исполняет роль поршня для выдавливания металла в жидком состоянии 3 из нижней части устройства. Это необходимо, так как при малом диаметре d2, добавочное давление, создаваемое поверхностным натяжением (обратно-пропорционально диаметру, согласно формуле Лапласа

может превысить вес столба расплавленного металла 3 внутри отверстия в диэлектрике 1, и тогда истекание жидкости снизу устройства будет происходить лишь при создании избыточного давления, которое и должен создать твердый конец металлической нити, исполняющий роль поршня при подаче нити в направлении сверху-вниз (от 2 к 3) рисунка (Фиг. 1). Соответственно прекращение подачи нити 2 останавливает истекание из устройства жидкого металла 3.The solid metal thread 2, supplied to the upper part of the device, acts as a piston for extruding metal in the liquid state 3 from the lower part of the device. This is necessary, since with a small diameter d2, the additional pressure created by surface tension (inversely proportional to the diameter, according to the Laplace formula

can exceed the weight of the column of molten metal 3 inside the hole in the dielectric 1, and then the outflow of liquid from the bottom of the device will occur only when excessive pressure is created, which should create a solid end of the metal thread, acting as a piston when filing the thread in the direction from top to bottom (from 2 to 3) the figure (Fig. 1). Accordingly, the termination of the filament 2 stops the flow of liquid metal 3 from the device.

В описываемом устройстве диаметр отверстия в диэлектрике (d1) одинаков по всему протяжению и не имеет сужения в виде сопла на конце, где происходит истекание жидкого металла. Подобная конструкция предотвратит разбрызгивание металла из-за ускорения, возникающего в сопле, а также позволит снизить требования к подгонке диаметров отверстия (d1) и нити (d2) с целью уменьшения зазора между нитью и стенками диэлектрика для обеспечения возможности исполнения нитью роли поршня.In the described device, the diameter of the hole in the dielectric (d1) is the same over the entire length and does not narrow in the form of a nozzle at the end where the outflow of liquid metal occurs. Such a design will prevent metal spraying due to acceleration occurring in the nozzle, and will also reduce the requirements for fitting the diameters of the hole (d1) and thread (d2) in order to reduce the gap between the thread and the dielectric walls to enable the thread to play the role of the piston.

При малых диаметрах нити перевод металла в жидкое состояние будет требовать менее мощных индукционных нагревателей, что существенно увеличит возможности по применению устройств печати металлом в системе образования и быту, снизит массогабаритные параметры оборудования, параметры энергопотребления, что позволит значительно удешевить устройства трехмерной печати металлами.With small filament diameters, the conversion of metal to a liquid state will require less powerful induction heaters, which will significantly increase the ability to use metal printing devices in the education system and everyday life, reduce the overall dimensions of equipment, energy consumption parameters, which will significantly reduce the cost of three-dimensional metal printing devices.

Claims (1)

Печатающая головка устройства для объемной печати расплавленным металлом, отличающаяся тем, что она содержит диэлектрический стержень с продольным каналом для подачи металлической нити и индукционный нагреватель для ее расплавления, при этом канал диэлектрического стержня выполнен с диаметром, равным диаметру металлической нити, а диэлектрический стержень выполнен из материала, температура плавления которого превышает температуру плавления металла подаваемой нити.The print head of the device for volumetric printing with molten metal, characterized in that it contains a dielectric rod with a longitudinal channel for supplying metal filaments and an induction heater for melting it, while the channel of the dielectric rod is made with a diameter equal to the diameter of the metal filament, and the dielectric rod is made of material, the melting point of which exceeds the melting temperature of the metal of the supplied filament.

Images