Способ Стрельцова усовершенствования 3D принтера,
предназначенного для изготовления металлических изделий.

Сайт написан по материалам патента на изобретение  ©  :-) 

Изобретение относится к 3D-принтерной технике, предназначенной для изготовления металлических изделий сложной формы.

П. 1. Отличие заявленного изобретения от прототипа в том, что вместо лазера, имеющего низкий КПД (обычно в лазере в излучение преобразуется  до 20%  подводимой энергии, остальная энергия переходит в тепло и бесполезно рассеивается), используется форсунка, разработанная специалистами японской фирмы «NAKAYAMA STEEL WORKS, LTD» для нанесения аморфного металлического покрытия на валы автомашин (патент Японии № 4579317). Указанная форсунка в процессе плавления металла имеет больший КПД по сравнению с лазером (большая часть энергии, подводимой к форсунке, идет на плавление металла или же в саму форсунку подаётся уже расплавленный металл), что позволит понизить энергетические затраты при создании металлических изделий на 3D принтере. Указанная форсунка имеет узкую (точечную) диаграмму набрызгивания расплавленного металла, что в совокупности вполне позволяет ей конкурировать в 3D принтере с лазером при изготовлении крупногабаритных металлических изделий низкого класса точности.

Кроме того, в традиционном 3D лазерном принтере, изготовляющем металлические изделия, в качестве «чернил» используется металлический порошок. Однако известно, что при измельчении вещества увеличивается площадь поверхностного слоя, а, следовательно, и площадь слоя окисления. Поэтому в металлических изделиях, изготовленных на традиционных 3D лазерных принтерах с использованием порошковых металлических «чернил», неизбежно в значительном количестве присутствует и оксид металла (кислород), что сказывается на прочностных характеристиках изделий. (Пояснение: каждая крупинка порошковых «чернил» в процессе изготовления и хранения почти наверняка будет окислена снаружи кислородом атмосферы, условно говоря,  покроется «ржавчиной», пусть даже это будет очень тонкий слой. В традиционном 3D принтере под действием лазера в атмосфере инертных газов эта крупинка плавится, внутренне содержимое крупинки вытекает из оксидной оболочки и сплавляется с другими слоями металла, наплавленными на изделие ранее, однако оксидная оболочка «ржавчина» при этом ни куда не девается – она тоже остаётся в изделии. В дальнейшем это может привести к увеличению хрупкости изделия).

В случае же использования форсунки проблем с оксидами в изделии меньше, т.к. можно предварительно получить расплав из более массивных кусков металлического сырья, имеющего меньшую площадь наружного слоя, например, из проволоки или предварительно расплавленного в тигле металла, т.е. в набрызгиваемом расплаве будет меньше содержаться оксидов металла и тем самым можно улучшить прочностные характеристики изделия.

Кроме того, с целью улучшения прочностных характеристик изделия между форсункой и изделием в процессе изготовления можно создать разность электрических потенциалов: форсунку подключить к положительному источнику напряжения, изделие – к отрицательному. Расплавленные капли металла, вылетающие из форсунки, из-за термоэлектронной эмиссии и потери электронов, будут иметь положительный заряд. Вследствие чего они приобретут в электрическом поле дополнительное ускорение в сторону изделия, и, кроме того, разность потенциалов между каплями металла и изделием увеличит когезию, что положительно скажется на прочностных характеристиках изделия.

Учитывая то, что указанная выше японская фирма успешно применяет указанную форсунку для получения аморфных металлических покрытий в течение нескольких лет, можно надеяться, что при использовании подобной форсунки в 3D принтере и подборе определенных технологических режимов удастся получить толстые металлические 3D изделия сложной формы с аморфной структурой расположения атомов. (Как известно,  металлы с аморфной структурой расположения атомов не подвержены коррозии и обладают прочностными характеристиками в несколько раз лучшими по сравнению с традиционными металлическими изделиями с кристаллической решеткой).

П.2. Способ, отличающийся тем, что вместо лазера (фокусирующей разбрызгивающей форсунки, описанной в патенте № 4578317 Jp) в 3D принтере используют ультразвуковую электродуговую фокусирующую форсунку, прототип которой описан в моей заявке на изобретение от 2003 года.

Для этого в атмосфере инертного газа  (например, аргон) форсунку, имеющую по оси полый канал, подключают к положительному полюсу электрического источника питания, металлическую подложку будущего изделия подключают к отрицательному полюсу электрического источника питания. Возбуждают ультразвуковые колебания форсунки. Вдоль  осевого канала форсунки подают предварительно расплавленный металл, который после выхода из канала форсунки разбрызгивается под действием ультразвуковых колебаний. Между форсункой и подложкой возникает электрическая дуга. В дополнение к ультразвуковому распылению также возможна организация газовой пульверизации с помощью аргона или др. инертного газа. Капли расплавленного металла в следствие термоэмиссии и потери электронов приобретают положительный заряд и летят в сторону отрицательно заряженного изделия, приобретая дополнительный разогрев в дуговом разряде. Кроме того, в сторону изделия капли расплавленного металла увлекает газовый поток, обдувающий форсунку в направлении изделия, а при необходимости и гравитационное поле Земли. Вокруг форсунки установлена фокусирующая цилиндрическая насадка, аналогичная той, которая описана в японском патенте № 4579317 Jp.

Общая схема ультразвуковой фокусирующей форсунки условно показана на фигуре:

Где: 1 – металлическое изделие сложной формы, на которое осуществляют набрызгивание очередного слоя металла; 2 – разбрызгивающая форсунка, совершающая ультразвуковые колебания; 3 – канал подачи предварительно расплавленного металла; 4 – канал подачи инертного газа, предназначенного для распыления (пульверизации) расплавленного металла; 5 – электродуговой разряд с металлическими каплями, сужающийся в пятно малого диаметра под действием расширяющегося инертного газа 6, подаваемого в цилиндрическую насадку 7, окружающую форсунку; 8 – электрический источник, создающий дуговой разряд; 9 – инертный газ, нагнетаемый в зазор между форсункой и цилиндрической насадкой, увлекающий капли разбрызганного металла в направлении изделия.

Подобная электродуговая форсунка позволит изготавливать на 3D–принтере сложные металлические изделия с меньшим количеством оксидов по сравнению со способом, описанным в П. № 1. Возможно, данный способ позволит изготавливать объемные металлические изделия сложной формы с аморфной структурой расположения атомов, если БЫСТРО поочередно наносить ТОНКИЕ слои металла.

Также вполне вероятно, что с помощью технологии, аналогичной описанной здесь, удастся получить в 3D принтере изделия из тугоплавких металлов. Для этих целей, однако, придётся использовать плазмотрон с фокусирующей насадкой, а в качестве "чернил" порошок тугоплавкого металла.

Таким образом, замена в 3D принтере лазера на разбрызгивающие  форсунки (или их совместное, поочередное использование) дает следующие преимущества:

1)    экономию энергии (стоимость изделий может снизится до такой степени, что изготовление деталей может оказаться экономически выгодным не только для прототипирования, но и для серийного промышленного производства)

2)     улучшение прочностных характеристик изделий

3) отрывает перспективу изготовления объемных сложных деталей из аморфных металлических сплавов.

Историческая справка:  справедливости ради надо сказать, что уже давно пытались получать   металлические   изделия  путём  набрызгивания  расплавленного  металла - см. журнал "Юный техник" № 9 за 1975 г. стр. 8 - 11.