Аддитивное изготовление с использованием подачи топливной массы под давлением

Изобретение относится к аддитивному способу изготовления. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств изготовления топливных элементов. Технический результат достигается аддитивным способом изготовления, который включает этап повышения давления топливной массы и ее нагревание. Протекание находящейся под давлением нагретой топливной массы через сопло и нанесение множества слоев топливной массы по заданной модели, причем указанное нагревание выполняют в сопле. При этом нагревание вызывает растворение полимерных частиц жидким пластификатором. Причем используют топливную массу, содержащую пластизоль и твердый энергетический материал. При этом пластизоль представляет собой смесь или суспензию частиц полимера в жидком пластификаторе. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

.

 

Перекрестная ссылка на родственную заявку

[0001] В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США, №62/051 227, поданной 16 сентября 2014 г.

Уровень техники

[0002] Ракетные двигатели и аналогичные устройства содержат твердый энергетический материал, выделяющий после воспламенения сжатые газы, которые могут быть выброшены из сопла для создания тяги. Твердый энергетический обычно отливают, формуют и/или механически обрабатывают, чтобы получить требуемую для ракетного двигателя конфигурацию.

Сущность изобретения

[0003] Аддитивный способ изготовления согласно примеру настоящего изобретения включает в себя повышение давления топливной массы и ее нагревание; протекание находящейся под давлением нагретой топливной массы под давлением через сопло и нанесение топливной массы по заданной модели.

[0004] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов нагревание выполняют в нагревательном блоке, примыкающем к соплу выше по потоку от указанного сопла.

[0005] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления нагревание выполняют в сопле.

[0006] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления нагревание выполняют до температуры, которая равна или больше температуры отверждения топливной массы.

[0007] Дополнительный вариант любого из предшествующих вариантов осуществления включает в себя начало растворения поливинилхлоридного компонента топливной массы во время нагревания.

[0008] Дополнительный вариант любого из предшествующих вариантов осуществления включает в себя начало отверждения топливной массы во время ее нанесения.

[0009] Дополнительный вариант любого из предшествующих вариантов осуществления включает в себя подачу топливной массы из находящегося под давлением сосуда к соплу. Сосуд под давлением имеет давление, составляющее приблизительно от 20 до 500 фунтов на кв.дюйм.

[0010] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления топливную массу нагревают приблизительно до 170-220°F.

[0011] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления топливная масса содержит пластизоль и твердый энергетический материал.

[0012] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления пластизоль содержит по меньшей мере одно из поливинилхлорида или нитроцеллюлозы.

[0013] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления пластизоль содержит по меньшей мере одно из фталатного пластификатора или адипинатного пластификатора.

[0014] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления пластизоль содержит поливинилхлорид и пластификатор в соотношении, по массе, в диапазоне от 80:20 до 20:80.

[0015] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления топливная масса содержит в соотношении, по массе, приблизительно 1:1 пластификатор и по меньшей мере одно из поливинилхлорида или нитроцеллюлозы, и до приблизительно 85% твердого энергетического материала.

[0016] Аддитивный способ изготовления согласно примеру настоящего изобретения включает в себя следующее: нагревание сопла до температуры, которая равна или больше температуры отверждения топливной массы, пропускание топливной массы через сопло, чтобы инициировать отверждение топливной массы, и выдача отверждающейся топливной массы из сопла в соответствии с компьютеризованной моделью.

[0017] Дополнительный вариант любого из предшествующих вариантов осуществления включает в себя подачу топливной массы из находящегося под давлением сосуда к соплу. Данный сосуд под давлением имеет давление, составляющее приблизительно от 20 до 500 фунтов на кв.дюйм.

[0018] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления топливная масса содержит твердый энергетический материал.

[0019] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления топливная масса содержит пластизоль и твердый энергетический материал.

[0020] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления пластизоль содержит по меньшей мере одно из поливинилхлорида или нитроцеллюлозы и по меньшей мере одно из фталатного пластификатора или адипинатного пластификатора.

[0021] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления пластизоль содержит поливинилхлорид и пластификатор в соотношении, по массе, в диапазоне от 80:20 до 20:80.

[0022] В дополнительном варианте любого из предшествующих вариантов осуществления указанная выдача включает в себя нанесение множества слоев топливной массы друг на друга в соответствии с компьютеризованной моделью.

Краткое описание чертежей

[0023] Различные признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны специалистам из нижеприведенного подробного раскрытия изобретения. Сопроводительные чертежи к приводимым примерам можно кратко описать следующим образом:

[0024] На фиг. 1 представлен пример аддитивного способа изготовления,

[0025] На фиг. 2 представлен пример системы для реализации способа по фиг. 1.

Подробное раскрытие изобретения

[0026] На фиг. 1 представлен пример аддитивного способа 20 изготовления, а на фиг. 2 - пример системы 40 для реализации способа 20. Как будет раскрыто, способ 20 можно применять для формования, или «печати», твердых энергетических материалов или других материалов в требуемую конфигурацию. Например, твердые энергетические материалы можно печатать в трехмерной конфигурации, требуемой для ракетных двигателей и аналогичных устройств.

[0027] В настоящем документе способ 20 раскрыт применительно к шагам 22, 24 и 26, а также - к системе 40. Дополнительные шаги обработки могут использоваться до шагов 22, 24 и 26, между ними или после них. В общем, система 40 включает в себя сосуд 42, содержащий топливную массу 44, сопло 46 для выдачи топливной массы 44 и одну или более линий 48, например труб или шлангов, по которым топливную массу 44 подают из сосуда 42 к соплу 46. Сопло 46 может содержать нагревательный блок 46а. Альтернативно или дополнительно, нагревательный блок 46а может располагаться возле сопла 46 и выше по потоку от него, как обозначено позицией 46а'. Сосуд 42, линия 48 и сопло 46 могут содержать один или более клапанов, один или более насосов или аналогичных устройств для подачи топливной массы 44. Контроллер 50 сообщается, по меньшей мере, с соплом 46 и может также сообщаться с сосудом 42, линией 48, нагревательным блоком 46а/46а' и любым клапаном(клапанами) или насосом(насосами), чтобы управлять работой системы 40. Для этого контроллер 50 содержит аппаратную часть, например микропроцессор, программное обеспечение или и то и другое, выполненные и/или запрограммированные для реализации способа 20.

[0028] Для печати твердого энергетического материала топливная масса 44 может содержать смесь пластизоля и твердого энергетического материала. Пластизоль - это смесь или суспензия частиц полимера в жидком пластификаторе. Например, пластификатор содержит фталаты, адипинаты или их сочетания. Фталаты могут включать в себя, не ограничиваясь этим, диизононилфталат (ДИНФ), диизодецилфталат (ДИДФ) и ди-2-этилгексилфталат, а адипинаты могут включать, не ограничиваясь этим, диоктиладипинат (ДОА) и диоктилсебацинат (ДОС). Например, пластизоль содержит полимерные частицы по меньшей мере одного из поливинилхлорида или нитроцеллюлозы, а также жидкий пластификатор. Твердый энергетический материал также обеспечивают в виде частиц и смешивают с пластизолем.

[0029] Твердый энергетический материал выбирают соответственно требованиям конечного использования. Например, твердый энергетический материал может включать, не ограничиваясь этим, металлическое горючее, окислители и смеси топлива с окислителем. Твердый энергетический материал может также содержать одно или более из инертных связующих, присадок для улучшения горения, стабилизаторов и т.п. В одном из примеров топливная масса 44 содержит, по массе, приблизительно 7,5% поливинилхлорида, приблизительно 7,5% пластификатора и приблизительно 85% твердого энергетического материала. В одном из дополнительных примеров энергетический материал содержит, по массе, приблизительно 18% металлического горючего.

[0030] Вернемся вновь к способу 20, в котором на шаге 22 поднимают давление топливной массы и нагревают ее. Давление топливной массы 44 поднимают для облегчения ее подачи из сосуда 42 по линии 48 к соплу 46. Например, давление топливной массы 44 в сосуде 42 поднимают в диапазоне приблизительно от 20 до 500 фунтов на кв.дюйм. Затем топливную массу 44 подают под этим давлением из сосуда 42 к соплу 46. Такое повышенное давление помогает также подавить отверждение до сопла 46, чтобы уменьшить «схватывание». В одном из дальнейших примеров топливная масса 44 на основе вышеописанного состава, содержащая по меньшей мере одно из поливинилхлорида или нитроцеллюлозы, диоктиладипинат и твердый энергетический материал, имеет вязкость менее 20 килопуаз; ее давление в сосуде 42 поднимают до приблизительно 30-40 фунтов на кв.дюйм, и ее нагревают приблизительно до 170-220°F.

[0031] Топливная масса 44 может иметь до нагрева, по существу, температуру окружающей среды. В связи с этим, в одном из примеров, способ 20 включает в себя шаг, на котором топливную массу 44 нагревают в сопле 46 с помощью нагревательного блока 46а. Альтернативно, при использовании нагревательного блока 46а', топливную массу 44 нагревают до сопла 46. До нагревания топливная масса 44 может быть полностью неотвержденной или, по существу, полностью неотвержденной. При соответствующих температуре и давлении нагревание вызывает растворение полимерных частиц (например, поливинилхлорида) жидким пластификатором.

[0032] На шаге 24 находящаяся под давлением нагретая топливная масса 44 вытекает из сопла 46, а на шаге 26 топливную массу 44 из сопла 46 наносят по заданной модели. Топливная масса 44 находится под давлением и нагрета до соответствующей температуры в нагревательном блоке 46а или 46а' сопла 46, однако после выдачи из сопла 46 и охлаждения топливная масса 44 может достичь, по существу, полного отвержденного, или затвердевшего, состояния. Например, в зависимости от расхода топливной массы 44, растворение и отверждение могут начаться в сопле 46 или после выдачи из сопла 46. В одном из примеров нагревание до температуры, которая равна или больше температуры отверждения топливной массы, вызывает растворение полимерных частиц жидким пластификатором и, таким образом, инициирует отверждение и затвердевание топливной массы 44.

[0033] Заданная модель может быть компьютеризованной моделью формуемого изделия. В связи с этим сопло 46 перемещается вперед и назад, избирательно нанося топливную массу 44 в соответствии с компьютеризованной моделью. Дополнительно или альтернативно, в соответствии с компьютеризованной моделью может перемещаться подложка, на которую наносят топливную массу 44. Несколько слоев топливной массы 44 можно избирательно наносить друг на друга, наращивая изделие в соответствии с компьютеризованной моделью.

[0034] В дополнительных примерах сопло 46, также, выполняют или выбирают в соответствии с составом топливной массы. Например, так как топливная масса 44 содержит полимерные частицы и частицы твердого энергетического материала, выдающее отверстие сопла 46, через которое наносят топливную массу 44, по меньшей мере, не уступает размером наиболее крупным частицам состава. Чаще это раздаточное отверстие может быть, по меньшей мере, в несколько раз больше наиболее крупных частиц состава, чтобы снизить вероятность забивания и закупоривания сопла 46. Например, отверстие сопла может иметь, не ограничиваясь этим, размер от 1/64 до 3/64 дюйма.

[0035] В одном из дополнительных примеров состав топливной массы 44 выбирают с учетом степени нагрева, обеспечиваемой нагревательным блоком 46а или 46а'. Например, состав топливной массы 44 определяется массовым отношением, составляющим от 80:20 до 20:80 по количеству поливинилхлорида и/или нитроцеллюлозы к количеству диоктиладипината. В одном из дополнительных примеров это отношение составляет от 60:40 до 40:60.

[0036] Хотя в иллюстративных примерах представлена комбинация отличительных признаков, не обязательно все они должны комбинироваться для получения преимуществ различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Другими словами, система, созданная согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, не обязательно включает все признаки, представленные на всех чертежах, или все части, схематически изображенные на чертежах Кроме того, отдельные признаки одного приведенного в качестве примера варианта осуществления могут комбинироваться с отдельными признаками других приведенных в качестве примера вариантов осуществления.

[0037] Вышеприведенное описание по своей сути является, скорее, иллюстративным, чем ограничивающим. Специалисту могут быть очевидны варианты и модификации раскрытых примеров, не обязательно выходящие за объем настоящего раскрытия. Объем правовой защиты данного изобретения может быть определен только путем изучения прилагаемой формулы изобретения.

1. Аддитивный способ изготовления, содержащий:

повышение давления топливной массы (44) и ее нагревание;

протекание находящейся под давлением нагретой топливной массы (44) через сопло (46) и

нанесение множества слоев топливной массы (44) по заданной модели, причем указанное нагревание выполняют в сопле (46),

отличающийся тем, что используют топливную массу (44), содержащую пластизоль и твердый энергетический материал, причем пластизоль представляет собой смесь или суспензию частиц полимера в жидком пластификаторе,

при этом указанное нагревание вызывает растворение полимерных частиц жидким пластификатором.

2. Способ по п. 1, в котором топливную массу нагревают до температуры, которая равна или выше температуры отверждения топливной массы (44).

3. Способ по любому из пп. 1, 2, дополнительно содержащий инициирование растворения поливинилхлоридного компонента топливной массы (44) во время нагревания.

4. Способ по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащий инициирование затвердения топливной массы (44) во время ее нанесения.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором пластизоль содержит по меньшей мере одно из поливинилхлорида или нитроцеллюлозы.

6. Способ по любому из пп. 1-4, в котором пластизоль содержит по меньшей мере одно из фталатного пластификатора и адипинатного пластификатора.

7. Способ по любому из пп. 1-4, в котором топливная масса содержит в соотношении по массе приблизительно 1:1 пластификатор и по меньшей мере одно из поливинилхлорида и нитроцеллюлозы и до приблизительно 85% твердого энергетического материала.