Область техники

Настоящее изобретение относится к технике фотополимерной 3D печати и предназначено, в том числе, для окончательной обработки изделий, полученных методом фотополимерной 3D печати.

Предшествующий уровень техники

В последнее время широкое применение находит технология 3D печати, которая используется для производства функциональных и декоративных изделий сложной формы, основанная на послойном или объемном нанесении материала на основу в виде плоской базы или осевой заготовки.

Данная технология обеспечивает изготовление высокоточных изделий как по размеру, так и по форме, за счет чего наиболее востребованной она является при производстве функциональных изделий таких отраслей промышленности, как авиакосмическая отрасль, автомобиле- и машиностроение, медицина и другие. В частности, такие изделия все чаще используют для применения в стоматологическом протезировании, при изготовлении типографских клише для штампов (печатей), и в других областях.

Одним из основных материалов, используемых для создания изделий с помощью 3D печати, являются фотополимерные смолы, которые представляют собой жидкие полимеры, затвердевающие при воздействии электромагнитного или ионизирующего излучения. Как правило, такие материалы чувствительны к ультрафиолетовому диапазону, но также могут быть использованы и другие виды излучения.

При изготовлении изделий используют фотополимер, как правило, в виде мономера или низкомолекулярного полимера, либо смеси мономеров и олигомеров, который может содержать фотокатализаторы и фотоинициаторы. Фотополимер обычно находится в жидком состоянии, его подвергают воздействию излучения с длиной волны около 350-450 нм, при этом засвеченные зоны фотополимера полимеризуются.

В современном производстве для изготовления 3 D-печатных изделий используют различные источники света для фотовоздействия, среди них различные ультрафиолетовые источники излучения, например, кварцевые ртутные лампы среднего, высокого и низкого давления, наполненные аргоном лампы, фотографические лампы накаливания, импульсные ксеноновые лампы, электродуговые угольные светильники, высокоинтенсивные светодиоды и т. и.

Точность выполнения 3D печати зависит от многих факторов, в основном от качества материалов и конструкции принтеров. Из-за особенности фотополимерной 3D печати на точность выполнения влияет тот фактор, что отпечатанная деталь после окончания фотополимерной печати покрыта слоем неполимеризованного фотополимера, который сглаживает и закрывает все мелкие элементы модели. Это особенно критично в случае, когда напечатанные изделия имеют сложный рельеф поверхности и большое количество углублений, полостей, изгибов, выступов и других сложнодоступных мест. Если напечатанное изделие не промыть, то значительно ухудшаются его характеристики, такие как точность размерных параметров и детализация. Чтобы получить мелкие элементы модели с высокой точностью, необходимо тщательно удалить остатки неполимеризованного фотополимера с поверхности модели.

Таким образом, для возможности эксплуатации полученного изделия необходимо сразу же после изготовления удалить загрязнения с поверхности, для чего после воздействия излучения неполимеризованные остатки обычно смывают с помощью растворителя (например, изопропиловый спирт), в котором полимеризованный фотополимер растворяется очень плохо. Чтобы хорошо промыть изделие, нужен чистый растворитель и обеспечение его течения на поверхности детали. Самые сложные и глубокие элементы необходимо промывать под напором струи растворителя.

Соответственно, в этом случае используемый растворитель сразу же после первой промывки загрязняется фотополимером, то есть это уже не чистый растворитель, а раствор полимера в растворителе. Такой раствор имеет худшие характеристики, и после извлечения изделия и испарения растворителя с его поверхности на изделии остается фотополимер, который скапливается на поверхности и мелких элементах. Качество каждой следующей промывки ухудшается, и с каждой промывкой качество растворителя все более снижается, очень быстро доходя до полной непригодности .

На практике растворитель необходимо заменять уже после нескольких промывок, чтобы избежать негативных эффектов загрязнения. Операция замены растворителя занимает время, что негативно сказывается на скорости и себестоимости работ. Кроме того, необходимость постоянно заменять растворитель влечет его существенный расход. Дополнительным фактором, негативно влияющим на стоимость процесса, является то, что загрязнённый растворитель относится к классу опасных отходов, и должен утилизироваться особым способом, что также экономически нецелесообразно.

Помимо всего вышеперечисленного, для регулярной замены растворителя требуется хранить запас чистого растворителя, что также является небезопасным и требует соответствующим образом оборудованных помещений.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание устройства для очистки жидкости (растворителя) от растворенного в ней фотополимера в замкнутом цикле, которое может быть использовано при промывке изделий фотополимерной 3D печати и позволяет избежать вышеуказанных проблем.

В уровне техники хорошо известны различные физические, химические или физико-химические способы очистки растворителей от загрязнений.

Химические способы подразумевают обработку загрязненного растворителя различными реагентами, путем их химического связывания/превращения с последующим отделением различными способами. Однако химические способы не применимы в случае изделий 3D печати, поскольку требуют использования дополнительных реагентов и, зачастую, сложных реакционных систем, а также дополнительных мер для удаления остатков реагентов из растворителя.

Среди физических способов можно выделить ректификацию с охлаждением и сбором дистиллята.

Подобные технологии хорошо известны, например, в документе JP 2001072623 раскрыт способ очистки органических растворителей, заключающийся в том, что в куб загружают исходный растворитель, нагревают его в кубе до температуры кипения и направляют пары в ректификационную колонну. Затем пары конденсируют в дефлегматоре, откуда конденсат через сепаратор подают в верхнюю часть ректификационной колонны в виде флегмы, которая, контактируя с парами растворителя, конденсирует его труднолетучие компоненты. Растворитель в виде жидкой фазы, обогащенной труднолетучими компонентами, направляют обратно в куб с формированием в кубе таким образом остатка, а пары растворителя, обогащенные легколетучими несконденсированными компонентами, направляют в дефлегматор, в котором их охлаждают и конденсируют. Затем часть конденсата направляют в виде флегмы в ректификационную колонну, а другую часть конденсата в качестве продукта перегонки - в емкости для сбора продукта перегонки. В документе US2006287213 А1 описано известно устройство для очистки растворителей от растворенных в них загрязнений путем нагрева растворителя до газообразного состояния, сбора не перешедших в газообразное состояние загрязняющих веществ и последующего охлаждения очищенного растворителя. Устройство содержит нагревательный элемент для нагрева загрязненного растворителя для его перевода в газообразное состояние, контейнер для сбора загрязняющих веществ, которые не переходят в газообразное состояние, и охлаждающий элемент для охлаждения газообразного растворителя до жидкого состояния после того, как загрязняющие вещества, которые не превращаются в газообразное состояние, были собраны в контейнере для сбора.

Недостатком вышеуказанных технических решений является энергоемкость и пожароопасность устройства.

Другим известным способом очистки и обеззараживания жидкости является обработка загрязненной жидкости озоно-воздушной смесью при интенсивном перемешивании, как описано в документе RU 140860 Ш. Известное устройство предназначено для очистки таких жидкостей, как молоко, соки, вина, питьевая и сточная вода в коммунальном хозяйстве. Устройство обеспечивает очистку от биологических загрязнений (бактерий, вирусов), химических примесей (солей тяжелых металлов, хлорорганики, цианистых соединений). Устройство содержит бактерицидную лампу с защитным кварцевым чехлом, расположенную внутри цилиндрического корпуса с образованием кольцевой полости между стенками кварцевого чехла и корпуса. В указанную кольцевую полость подается очищаемая жидкость и озоно-воздушная смесь. Устройство также содержит насос лопастного или роторного типа для смешивания озоно -воздушной смеси, полученной в полости кварцевого чехла, с исходной жидкостью, последовательно подключенный фильтр и эжектор для подачи очищенной в фильтре жидкости в полость, образованную между кварцевым чехлом и цилиндрическим корпусом. В описанном устройстве жидкость и озон поступают в рабочую камеру насоса, где происходит их интенсивное перемешивание в центробежном поле, создаваемом в жидкости. При этом из-за разницы плотностей смешиваемых компонентов легкая фаза (озоно- воздушная смесь) перемещается от периферии рабочей камеры к центру, а тяжелая - жидкость, движется от центра к периферии, и за счет этого достигается максимально возможная реакционная способность процесса окисления - очистки от загрязняющих веществ и обеззараживания. При взаимодействии с озоном ионы металлов образуют нерастворимые гидроксильные вещества, которые извлекаются фильтрацией.

Недостатками этого технического решения являются конструктивная сложность устройства и невозможность его использования для очистки растворителя (например, изопропилового спирта) от неполимеризованного фотополимера в устройстве для промывки изделий фотополимерной 3D печати, поскольку озоно-воздушная смесь может вызвать воспламенение растворителя и растворенного фотополимера.

Таким образом, вышеописанные способы очистки не применимы для случаев очистки растворителей от фотополимера, и существует потребность создать простое в эксплуатации, недорогое устройство, которое можно будет использовать в области 3D печати как в производствах большого масштаба, так и при небольшой загрузке, например, в домашних условиях.

Раскрытие изобретения

Указанная выше задача решается с помощью устройства и способов очистки жидкости по изобретению.

Предлагаемое устройство для очистки жидкости от растворенного в ней фотополимера по изобретению содержит емкость для неочищенной жидкости и очищающий узел, имеющий корпус со сквозным внутренним каналом, выполненным с возможностью протекания через указанный канал неочищенной жидкости. Стенка сквозного внутреннего канала выполнена прозрачной для излучения.

Внутри корпуса очищающего узла также расположен источник излучения, установленный в указанном корпусе с возможностью направления излучения внутрь указанного канала.

Очищающий узел также содержит впускной патрубок для подачи неочищенной жидкости внутрь сквозного канала очищающего узла и выпускной патрубок для выпуска обработанной жидкости из очищающего узла.

Также устройство содержит фильтр механической очистки и насос для перемещения жидкости.

При этом указанные элементы устройства последовательно соединены в замкнутый контур с возможностью протекания жидкости через сквозной внутренний канал очищающего узла.

В одном из вариантов реализации устройства для очистки жидкости фильтр механической очистки расположен на выпускном патрубке очищающего узла или на впускном патрубке очищающего узла.

В одном из вариантов реализации устройства для очистки жидкости насос расположен на выпускном патрубке очищающего узла или на впускном патрубке очищающего узла с возможностью обеспечивать протекание жидкости по замкнутому контуру.

В одном из вариантов реализации устройства для очистки жидкости источник излучения представляет собой источник электромагнитного излучения, выбранного из группы, включающей в себя видимый свет, ультрафиолетовое (УФ) излучение, рентгеновское излучение и гамма- излучение, причем частота и мощность излучения указанного источника выбрана таким образом, чтобы обеспечивать полимеризацию указанного растворенного в неочищенной жидкости фотополимера с образованием нерастворимого в такой жидкости продукта полимеризации. В одном из вариантов реализации устройства для очистки жидкости источник излучения представляет собой источник ионизирующего излучения, выбранного из группы, включающей в себя электронный пучок, рентгеновское излучение, гамма-излучение и поток заряженных частиц, причем частота и мощность излучения указанного источника выбрана таким образом, чтобы обеспечивать полимеризацию указанного растворенного в неочищенной жидкости фотополимера с образованием нерастворимого в такой жидкости продукта полимеризации.

В одном из вариантов реализации устройство для очистки жидкости предназначено для очистки жидкости, используемой при очистке изделий, полученных методом фотополимерной 3D печати.

В одном из вариантов реализации устройства для очистки жидкости емкость для неочищенной жидкости представляет собой бак для промывки изделий, полученных методом фотополимерной 3D печати.

В одном из вариантов реализации устройство для очистки жидкости дополнительно содержит таймер отключения циркуляционного насоса и/или таймер отключения источника излучения.

В одном из вариантов реализации устройство для очистки жидкости дополнительно содержит адсорбционный и/или абсорбционный фильтр, подключенный последовательно после фильтра механической очистки.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предложен способ очистки жидкости от растворенного в ней фотополимера, в котором используют устройство для очистки жидкости, описанное выше, и в котором:

подают неочищенную жидкость в сквозной канал очищающего узла, где сквозной канал выполнен с возможностью протекания через указанный канал неочищенной жидкости;

подвергают неочищенную жидкость в указанном сквозном канале воздействию электромагнитного или ионизирующего излучения от источника излучения для обеспечения полимеризации растворенного в такой жидкости неполимеризованного фотополимера с образованием нерастворимого в такой жидкости продукта полимеризации; и

отделяют полученный продукт полимеризации от очищаемой жидкости.

В одном варианте осуществления способа очистку осуществляют в замкнутом цикле, и очищенную жидкость возвращают в емкость для неочищенной жидкости.

В одном варианте осуществления способа очистку выполняют в непрерывном режиме.

В одном варианте осуществления способа для перемещения жидкости используют насос.

В одном варианте осуществления способа продукт полимеризации отделяют от неочищенной жидкости с помощью фильтра механической очистки.

В одном варианте осуществления способа источник излучения включают периодически в зависимости от очищаемого объема и/или концентрации растворенного в неочищенной жидкости фотополимера.

В одном варианте осуществления способа жидкость дополнительно пропускают через абсорбционный и/или адсорбционный фильтр для отделения нефотополимеризуемых веществ, растворенных в указанной жидкости.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предложен способ очистки жидкости от растворенного в ней фотополимера, в котором неочищенную жидкость подвергают воздействию электромагнитного или ионизирующего излучения для обеспечения полимеризации растворенного в такой жидкости неполимеризованного фотополимера с образованием нерастворимого в такой жидкости продукта полимеризации; а затем отделяют полученный продукт полимеризации от неочищенной жидкости. В одном варианте осуществления способа используют источник излучения, который представляет собой источник электромагнитного излучения, выбранного из группы, включающей в себя видимый свет, УФ излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение, причем частота и мощность излучения указанного источника выбрана таким образом, чтобы обеспечивать полимеризацию указанного растворенного в неочищенной жидкости фотополимера с образованием нерастворимого в такой жидкости продукта полимеризации.

В одном варианте осуществления способа используют источник излучения, который представляет собой источник ионизирующего излучения, выбранного из группы, включающей в себя электронный пучок, рентгеновское излучение, гамма-излучение и поток заряженных частиц, причем частота и мощность излучения указанного источника выбрана таким образом, чтобы обеспечивать полимеризацию указанного растворенного в неочищенной жидкости фотополимера с образованием нерастворимого в такой жидкости продукта полимеризации.

В одном варианте осуществления способа неочищенная жидкость представляет собой изопропиловый спирт, загрязненный фотополимером.

Устройство и способы очистки жидкости по изобретению обеспечивают следующие преимущества.

Значительно повышается качество используемого растворителя, которое достигается за счет включения очищающего узла в замкнутый цикл, что позволяет осуществлять непрерывную очистку растворителя с необходимой скоростью и интенсивностью.

Достигается экономия растворителя за счет снижения количества замен растворителя в производственном процессе - можно использовать одну порцию растворителя для выполнения большого количества промывок. Процесс очистки изделий 3D печати ускоряется за счет устранения стадии замены растворителя и повышения качества промывки готовых изделий.

Также предлагаемое устройство характеризуется простотой и ремонтопригодностью конструкции, все его компоненты являются легко заменяемыми и коммерчески доступными.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанные и другие аспекты настоящего изобретения станут понятны специалисту в данной области техники при ознакомлении с сопроводительными чертежами и нижеследующим подробным описанием представленных вариантов осуществления.

На Фиг. 1 представлена схема устройства очистки жидкости по изобретению;

На Фиг. 2 представлена схема устройства очистки жидкости, проиллюстрированного на Фиг. 1 , дополнительно содержащего адсорбционный фильтр.

Осуществление изобретения

Варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи. Тем не менее, следует понимать, что описанные варианты осуществления данного изобретения приведены исключительно в качестве примеров, которые могут быть осуществлены в различных формах. Фигуры необязательно приведены в масштабе, и некоторые признаки могут быть увеличены или уменьшены с целью изображения деталей конкретных элементов. Конкретные конструкционные и функциональные особенности, изложенные в настоящем описании изобретения, не могут быть истолкованы как ограничивающие, и приведены лишь в качестве наглядного примера для ознакомления специалистов в данной области техники с вариантами применения раскрытой сущности изобретения. На Фиг. 1 схематически показана компоновка устройства, содержащего емкость 8 для неочищенной жидкости и очищающий узел 5, имеющий корпус со сквозным внутренним каналом 6 со стенкой, прозрачной для излучения.

При этом в контексте настоящего изобретения стенка считается прозрачной, когда излучение может пройти сквозь нее и достичь содержимого, например, неочищенной жидкости, находящейся внутри канала.

Под термином «неочищенная жидкость» в настоящем изобретении понимается жидкость, содержащая растворенный фотополимер, до ее обработки с помощью устройства по настоящему изобретению.

Под растворенным фотополимером в контексте настоящего изобретения понимается фотоотверждаемый полимер с такой степенью полимеризации, включая мономеры, когда он находится в растворенном состоянии в жидкости, от которой его отделяют, например, в неочищенной жидкости.

Внутри корпуса очищающего узла 5 также расположен источник 4 излучения, установленный в указанном корпусе с возможностью направления излучения внутрь указанного сквозного канала 6. При этом источник 4 излучения может быть расположен в любом месте корпуса, обеспечивая как прямое, так и отраженное попадание излучения внутрь канала под любым углом. Одним из вариантов расположения, которое обеспечивает наиболее эффективное отверждение фотополимера, является размещение источников излучения в непосредственной близости от сквозного канала 6, с возможностью испускания излучения непосредственно в сторону указанного сквозного канала 6.

Очищающий узел также содержит впускной патрубок 1 для подачи неочищенной жидкости внутрь сквозного канала 6 очищающего узла 5 и выпускной патрубок 2 для выпуска обработанной жидкости из очищающего узла 5.

Устройство по изобретению содержит фильтр 3 механической очистки и насос 7 для перемещения жидкости. При этом в контексте настоящего изобретения фильтром 3 механической очистки может быть может быть механическое фильтрующее устройство, устройство для центрифугирования, устройство для декантирования или любое другое устройство, которое позволяет отделить нерастворимые компоненты смеси от жидкости. В варианте воплощения, когда компоненты устройства объединены в замкнутый цикл, фильтр 3 механической очистки может быть расположен в любом месте такого замкнутого контура, однако предпочтительным расположением является непосредственно после очищающего узла, чтобы минимизировать загрязнение отвержденным фотополимером других компонентов устройства.

Насос 7 может представлять собой, например, циркуляционный насос и располагаться, например, на выпускном патрубке 2 очищающего узла 5 или на впускном патрубке 1 очищающего узла 5 с возможностью обеспечивать протекание очищаемой жидкости по замкнутому контуру. Аналогично расположению фильтра 3 механической очистки, насос 7 может быть расположен в любом месте замкнутого контура устройства, при условии, что он обеспечивает прокачку жидкости через этот контур.

При этом при использовании устройства для очистки жидкости, используемой при очистке изделий, полученных методом фотополимерной 3D печати, емкость 8 для неочищенной жидкости может представлять собой бак для промывки полученных изделий. Такой бак также может содержать дополнительные средства для увеличения течения на поверхности детали, например, вибрационные устройства или устройства струйной подачи растворителя на деталь. В альтернативном варианте осуществления устройство может работать не в непрерывном режиме, когда после промывки изделия и загрязнения растворителя фотополимером изделие вынимают из емкости 8, пропускают загрязненный растворитель через очищающий узел 5, а после фильтра очищенный растворитель не возвращают в емкость 8, а сливают в отдельный резервуар для повторного использования в этом или другом устройстве.

Если устройство содержит таймер отключения насоса 7 и/или таймер отключения источника 4 излучения (не показаны), устройство может быть включено и отключено в заранее заданном режиме и с заранее заданной периодичностью, обеспечивая необходимое время обработки с учетом концентрации загрязняющих веществ, объема неочищенной жидкости, скорости перемещения насоса и др.

На Фиг. 2 показано то же устройство, что и на Фиг. 1, но дополнительно содержащее адсорбционный и/или абсорбционный фильтр 9, подключенный последовательно после фильтра 3 механической очистки. Такие фильтры позволяют отделять нефотополимеризуемые вещества, растворенные в указанной жидкости, например, красители и другие примеси, которые не являются фотополимерами по смыслу настоящего изобретения.

Устройство работает следующим образом.

Неочищенную жидкость, находящуюся в емкости 8, с помощью насоса 7 подают через впускной патрубок 1 в сквозной канал 6 очищающего узла 5. В сквозном канале 6, имеющем прозрачную стенку, неочищенную жидкость подвергают воздействию электромагнитного или ионизирующего излучения от источника 4 излучения для обеспечения полимеризации растворенного фотополимера. Например, фотополимеры марки HARZ Labs Model Natural Clear Resin (доступен в интернет магазине по адресу https :// store.harzlabs .com/) полимеризуются под действием УФ излучения с длиной волны от 350 до 405 нм. Для других полимеров может использоваться излучение с другой длиной волны, обеспечивающей полимеризацию, как хорошо понятно специалисту в данной области. В частности, для обработки неочищенной жидкости может быть использован источник такого же излучения, как и при осуществлении фотополимерной 3D печати соответствующих промываемых деталей.

В результате в сквозном канале 6 происходит полимеризация растворенного фотополимера, который из раствора переходит в твердую фазу, и полученный продукт полимеризации затем отделяют от очищаемой жидкости с помощью фильтра 3 механической очистки.

Очищенную жидкость, если необходимо, затем возвращают в емкость 8 для неочищенной жидкости и продолжают очистку в замкнутом цикле в непрерывном режиме или периодически.

Для улучшения качества очистки жидкость можно дополнительно пропускать через абсорбционный и/или адсорбционный фильтр 9, подключенный последовательно за фильтром 3 механической очистки и предназначенный для отделения нефотополимеризуемых веществ, растворенных в указанной жидкости.

Ниже приведены примеры использования устройства по изобретению для очистки растворителя от фотополимера. Качество очистки жидкости согласно примерам 1-2 контролировали с помощью ареометра АОН-1 760- 820, АОН-1 820-880 ГОСТ 18481-81.

Пример 1

В смеси изопропилового и этилового спирта плотностью 806 г/л растворяли 200 мл фотополимера, представляющего собой смесь полиэтиленгликоль диметакрилата, уретан-метакрилового олигомера, 2- гидроксиэтилметакрилата и фотоинициатора дифенил(2,4,6- триметилбензоил)фосфин оксида (фотополимер марки HARZ Labs Model Natural Clear Resin, поставщик Harz Labs, Россия). В результате плотность раствора повысилась до 828 г/л из расчёта 0,11 г/л на 1 г фотополимера. Полученный раствор фотополимера помещали в емкость, раствор из емкости циркулировали в очищающий узел со скоростью 2 л/мин, где подвергали воздействию УФ излучения с длиной волны 365 нм. После этого жидкость с отвержденным полимером пропускали через фильтр механической очистки с размером пор 5 мкм (поставщик ООО «Еврофильтр», Россия). После фильтра жидкость возвращали обратно в емкость. Через 4500 мин плотность раствора составила 808 г/л, что соответствует удалению из раствора 168 мл полимера из исходных 200 мл, или степени очистки 85%.

Пример 2

Изделие, напечатанное из фотополимера Formlabs Clear Resin (метакриловый мономер, метакриловый олигомер и дифенил-(2,4,6- триметилбензоил)фосфин оксид), промывали в ванне, наполненной этиловым спиртом в течение 15 минут. Затем изделие удаляли из ванны и запускали циркуляцию растворителя со скоростью 1 л/мин. В процессе циркуляции растворитель подвергали в очищающем узле воздействию УФ излучения с длиной волны 405 нм, после чего растворитель пропускали через фильтр механической чистки с размером пор 2 мкм (поставщик ООО «Еврофильтр», Россия). Через 10 часов чистота спирта составила более 90%, что позволяет его использовать как чистый в данном процессе.

Вышеприведенные результаты демонстрируют, что устройство и способы по изобретению позволяют быстро и эффективно очистить растворитель от растворенного в нем в различной степени фотополимера.

Раскрытые выше конкретные примеры осуществления приведены для целей иллюстрирования и описания. Их не следует толковать как исчерпывающие или ограничивающие изобретение именно раскрытыми формами. При этом следует понимать, что возможны разнообразные модификации и изменения, следующие из раскрытой в настоящем описании идеи изобретения. Объем защиты определен пунктами прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентами.