Часть 2 Несколько устройств, работа которых основана на использовании способа электродинамического псевдоожижения.
Практические работы по изготовлению магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторы) [29] начались примерно в середине 20 века. Работа МГД-генератора основана на действии силы Лоренца, и его главным преимуществом является прямое преобразование механической энергии электропроводящей среды, движущейся в поперечном магнитном поле, в электрическую энергию. Другими словами, это преобразователь видов энергии.
МГД-генератор состоит из канала, по которому движется поток заряженной среды, системы электромагнитов для создания магнитного поля поперек потока заряженной среды и электродов, которые отводят полученную электрическую энергию к потребителю.
Традиционно электролиты, жидкие металлы и ионизированные газы (плазма) рассматриваются как заряженная среда в МГД-генераторах.
Использование жидких проводящих сред (электролитов и жидкого металла) в мощных МГД-генераторах ограничено, поскольку эффективность МГД-генератора напрямую зависит от скорости среды (чем выше скорость проводящей среды, тем выше эффективность преобразования кинетическая энергия движущейся заряженной среды в электрическую энергию).
По этой причине начали разрабатываться МГД-генераторы на основе плазмы, поскольку плазму можно разгонять до высоких скоростей. Однако оказалось, что при температурах ниже 3000 ° C электропроводность плазмы существенно уменьшается и магнитогидродинамическое взаимодействие с магнитным полем практически исчезает. Поэтому возникла проблема создания конструкционных материалов, способных работать при температурах около 3000 ° C в течение длительного времени. К сожалению, как сейчас, так и в будущем эта проблема оказалась неразрешимой. И работы в этом направлении, практически, прекратились.
Однако 7 августа 2008 г. появилась открытая публикация [30] «Порошковый МГД-генератор», в которой заявитель пытался обойти трудности, связанные с использованием плазмы. Для этого было предложено использовать вместо плазмы новую рабочую среду: порошок из мелких, твердых, электропроводящих заряженных частиц, которые могут иметь хорошую электропроводность и при комнатной температуре. Движение порошка должно было осуществляться в вакуумированном замкнутом объеме в электрическом поле за счет кулоновских сил, и порошок ускорялся за счет ускорения на электродах в виде сетки или в форме «сопла Лаваля» [28].
Этой патентной заявке, в патентном ведомстве, был противопоставлена заявка на европейский (авторы: из Италии) патент [31], в котором также использовался порошок мелких, твердых, электропроводящих заряженных частиц, но в форме суспензии в жидкости, которая представляет собой воду или спирт. Из FIG.1 из этой заявки видно, что такая конструкция – гораздо сложнее предлагаемой, поскольку она содержит генератор газа 2, газ смешивается с порошком из заряженных электропроводных частиц, который проходит через область 6 выработки электроэнергии, теряя часть своей скорости, затем ускоряется в сопле Лаваля 5. Затем из смеси удаляется газ через пористую стенку 3с, а порошок летит по трубе 3, вновь смешиваясь с газом, и т. д,, «по кругу». Но, между мной и патентными поверенными возник спор о возможности реализации предложенного устройства, поскольку здесь порошок электропроводящих частиц также перемещается в замкнутом пространстве, но в вакууме, без помощи жидкости или газа. В ответ я сослался на работу [14], а также на мои патенты, которые были получены ранее. Однако, мои аргументы не были приняты во внимание (мне сообщили, что такой процесс - им неизвестен), и этот патент был отклонен - решением патентного суда.
Конечно, они были неправы, так как широко известно, что заряженные частицы могут перемещаться вдоль силовых линий электрического поля - и в вакууме. Примером этого является электростатическая окраска корпусов авто в сильном электрическом поле в автомобильном производстве. Хоть это происходит в обычной атмосфере, но процесс мог бы происходить: и в вакууме. Так же, перемещаются электроны в вакуумированных электронных трубках. Наконец, также, происходят технологические процессы, при изготовлении элементов микроэлектроники.
К сожалению, я тогда – сильно заболел, и мне понадобилась срочная, операция. 9 часов наркоза, клиническая смерть в реанимации. А потом, года 1,5 – ушло: на восстановление. Потом, я продолжил заниматься патентованием, но время было: упущено …
Но теперь, когда ясно, что электродинамическое псевдоожижение позволяет управлять движением твердых, электропроводных, заряженных частиц даже в вакууме - можно вернуться: к рассмотрению такого устройства.
Теперь, также, можно выбрать [31] в качестве прототипа и сравнить эти два технических решения.
Как упоминалось выше, жидкость в прототипе [31] является движущим веществом, которое перемещает заряженные частицы порошка из драгоценных или щелочных металлов или сплавов олова и свинца. Также предлагается использовать в качестве заряженных частиц маленькие капли ртути. Для приведения жидкости в движение используется сжатый газ, который вырабатывается при сжигании топлива, и сопло (сопло Лаваля [28]) используется для ускорения жидкости. Затем, газ удаляется через пористые стенки в криволинейной части замкнутой гидросистемы, а коллоидный раствор в замкнутой системе снова попадает в поток сжатого газа и так - «по кругу». Очевидно, что такая система сложна и технически трудна для реализации.Как и в прототипе, в моём генераторе, в качестве рабочих зон используются прямые участки труб, которые соединяются плавными переходами, но образуют замкнутую вакуумную систему. Эти трубы и плавные переходы имеют прямоугольное сечение (в прототипе сечение труб и гладких переходных участков круглое) и изготовлены из изоляционного материала. В этом примере показаны два таких участка трубы, хотя их может быть больше (как в прототипе [31]).
В верхней части трубы находится сам МГД-генератор, который практически идентичен прототипу [31], за исключением упомянутого выше прямоугольного сечения самой трубы, которое можно увидеть на рис. 3б (Сечение A-A). Это неудивительно, поскольку в обоих случаях используется один и тот же принцип [29].
В прототипе [31] второй прямой отрезок трубы используется только как элемент для создания замкнутой гидравлической системы. То же верно и для плавных переходов, хотя по крайней мере один из них имеет пористую стенку для удаления газа из двухфазной газожидкостной смеси. Однако эти плавные переходы вызовут замедление коллоидного раствора из-за вязкости текущей газожидкостной смеси и трения о стенки гидравлической системы.
Предлагаемый порошковый МГД-генератор может также содержать внутри сухой воздух или другой сопутствующий газ, хотя здесь он не выполняет никакой полезной функции. Главное, чтобы этот воздух или другой газ имел достаточную электрическую прочность, при используемом напряжении и давлении газа. Но лучше, чтобы внутри - был вакуум.
В нижней трубке 2 закрытой откачанной полости (фиг. 4а) имеется несколько пар электродов 3 в виде «сопла Лаваля» (фиг. 3). Их количество определяется только необходимостью получения необходимого ускорения твердых электропроводящих заряженных частиц 6.
Прежде чем такой МГД-генератор будет запущен в эксплуатацию, его, конечно, необходимо «заправить» путем подачи необходимого количества электропроводных частиц порошка 6 в вакуумированную зону. Для этого в выходной части одного или нескольких «сопел Лаваля» и соответственно в трубе 2 предусмотрены отверстия для подключения питателей 16.
Также подобные питатели 16 и отверстия для них будут использоваться в других устройствах, обсуждаемых ниже.
Известно (например, из [32]), что электрическое поле изменяет кинетическую энергию заряженной частицы. А магнитное поле изменяет не кинетическую энергию этой заряженной частицы, а только траекторию ее движения.
Поэтому на каждом плавном переходе устанавливают источники 15 магнитного поля, которые могут быть в виде электрических обмоток, а для небольших порошковых МГД-генераторов для этого можно использовать мощные неодимовые постоянные магниты. В результате кинетическая энергия заряженных частиц 6 не теряется на плавных переходах замкнутой вакуумной полости, как в прототипе [31].
Отдельно, отметим важную роль одиночного электрода 14, который расположен у входа в плавный переход слева (фиг. 4а) и имеет форму полосы, которая крепится на всех внутренних стенках нижней трубки 2. Дело в том, что частицы с разными типами зарядов отклоняются в разные стороны в одном магнитном поле [27], [31]. Но в процессе электродинамического псевдоожижения всегда используются противоположно заряженные частицы 6.
И поэтому частицы 6, ускоряемые с помощью «сопел Лаваля», попадут в пространство единственного электрода 14, имеющего такой знак заряда, который необходим для правильного изменения траектории в магнитном поле источника 15. Частицы 6, знак заряда которых совпадает со знаком заряда отдельных электродов 14, пролетают на максимально возможное расстояние от электрода (посередине). Но частицы 6 с противоположным зарядом касаются электрода 14 за счет кулоновских сил притяжения, передают свой заряд источнику питания и получают новый заряд от электрода 14 и летят с нужным знаком заряда в магнитное поле источника 15 (что необходимо - и для правильной работы МГД-генератора).
Далее, однополярно заряженные частицы 6 влетают в поперечное магнитное поле МГД- генератора 11, где и происходит преобразование кинетической энергии заряженных частиц 6 в выходное напряжение на электродах 12, 13.
Конечно желательно, эти электроды делать - сегментированными, чтобы уменьшить действие эффекта Холла [27], [32].
Затем униполярные заряженные частицы 6 движутся к плавному переходу вправо, где траектория 17 заряженных частиц 6 изгибается под действием магнитного поля второго источника 15. А когда частицы 6 покидают плавный переход справа, они попадают в первое (правое) «сопло Лаваля», где частицы 6 снова входят в электродинамический процесс псевдоожижения, они ускоряются, и все повторяется.
Энергозатраты здесь будут ниже, чем у прототипа [31], а также у «классического» плазменного МГД-генератора [29], поскольку здесь отсутствуют затраты энергии на генерацию и дальнейший нагрев плазмы.
А, с учетом небольшого размера твердых электропроводящих заряженных частиц 6, используемых в качестве рабочего тела (от долей единиц до десятков микрометров), возможно их ускорение до высоких скоростей в вакууме и в электрических полях, что обеспечивает высокую эффективность преобразования: кинетической энергии - в электрическую.
Наконец, такой источник электроэнергии является экологически чистым, поскольку движение заряженных частиц происходит в замкнутом объеме и, при обычной для человека, температуре. Использование мощных электромагнитов для генерации сильного магнитного поля может потребовать использования сверхпроводящих обмоток, которые (на данный момент) работают при очень низких температурах, но это не оказывает существенного влияния на общую экологичность такого устройства для выработки энергии. Поэтому такие устройства можно размещать вблизи потребителей этой энергии, например, в черте больших городов, под землей и даже на крышах многоэтажных домов. Они также подходят для использования в качестве бортового источника питания для различных видов транспорта, в космосе и т. д.
В [24] представлен электрический ракетный двигатель для ориентации космических аппаратов на орбите спутника Земли.
Однако принцип электродинамического псевдоожижения позволяет разработать электрический ракетный двигатель для космических полетов: на большие расстояния.
В [34] был предложен двигатель, в котором плазма была заменена порошком из мелких твердых электропроводящих частиц, а для дальнейшего увеличения скорости предлагалось применить закон сохранения количества движения [35]. Поэтому эти частицы, после линейного ускорителя, подавались в трубку в виде спирали Архимеда [10].
Идея увеличения скорости частиц с помощью закона сохранения количества движения [35] очень интересна, тем более что мы сталкиваемся с их проявлениями в повседневной жизни. Например, танцоры на льду ускоряют вращение, прижимая руки к груди, и замедляют вращение - вытягивая руки в стороны. Наблюдая за воронкой на поверхности воды (гидромассажная ванна, слив воды в раковину или ванну), можно увидеть, что скорость воды увеличивается по мере приближения к центру вращения. Другими словами, когда радиус вращения частицы уменьшается относительно оси вращения, ее скорость увеличивается.
Однако использование спирали Архимеда [10] здесь непрактично, поскольку электродинамический псевдоожижение использует заряженные частицы, которым требуется большое количество источников магнитного поля для их направления вдоль закрученной траектории. Это неоправданно увеличит размер и вес космического корабля, а также потребление энергии. Это больше подходит - для ускорителей элементарных частиц на Земле [36] ...
И в этом проекте предлагается использовать метод [37], который был разработан при изготовлении высокопроизводительного парогенератора. В устройстве, реализующем этот метод, нагретая вода впрыскивается в цилиндр по касательной к внутренней окружности цилиндра, который, когда он ударяется о стенку цилиндра, начинает скручиваться от большего диаметра к меньшему. В этом случае линейная скорость частиц воды увеличивается по закону сохранения момента количества движения [35].
Кратко рассмотрим, отчего это происходит.
Импульс L материальной точки с массой m, которая движется со скоростью v в точке, описываемой радиус-вектором r, вычисляется по следующей формуле:
L = r x mv
Но L = const, а масса материальной точки – также неизменна. Исходя из этого, получается, что с уменьшением радиус-вектора r должна, соответственно, увеличиваться скорость v.
Вернемся к парогенератору [37]. Расстояние между молекулами воды непрерывно возрастает и когда она достигает центра цилиндра, вода переходит в новое агрегатное состояние – в пар, который вырывается наружу через центральное отверстие в дне цилиндра. Там есть и другие детали, которые сейчас менее интересны, поскольку мы здесь не рассматриваем вопросы самого парообразования.
На рис. 4а показана конструкция такого ракетного электродвигателя:
Как видно, такой мотор состоит из двух, четко выраженных частей:
1. Линейный ускоритель, который по своей конструкции фактически повторяет конструкцию второй нижней трубки порошкового МГД-генератора, описанного выше (рис. 3а).
2. Плоский, полый диск 18 из изоляционного материала. Поскольку он действует как ускоритель, назовем его «ускоряющим диском».
В ускоряющем диске 18 есть два отверстия: К первому отверстию 19 - герметично подсоединен линейный ускоритель 2, причем так, чтобы, вылетающие из него заряженные частицы 6 перемещались по касательной к внутреннему диаметру ускоряющего диска 18. Второе, выходное отверстие 20 ускоряющего диска 18 - находится в центре одной из плоских стенок ускоряющего диска 18. Рассмотрим, как работает такой электроракетный двигатель.
Сначала подается высокое напряжение на электроды 3, и электрод 14. Затем, через питатель 16 первого (правого) «сопла Лаваля» поступает порошок, твердые электропроводные частицы 6 которого получают заряд электрода 3, возникает процесс электродинамического псевдоожижения, частицы 6 разной полярности перемещаются вдоль трубы 2, ускоряясь далее посредством других «сопел Лаваля», проходят через электрод 14 и, уже в одной полярности зарядов поступают по касательной к внутреннему диаметру ускоряющего диска 18. Там, встретив изогнутую стенку, поток частиц 6 закрутится, причем с максимального (внутренний радиус ускоряющего диска 18) на меньший радиус. А это, в силу закона сохранения момента количества движения, приведет к увеличению линейной скорости частиц 6, которые будут выброшены наружу через центральное отверстие 20 плоской стенки ускоряющего диска 18 создавая реактивную тягу. Но, направление тяги под углом к ускоряющему диску 18 – неудобно, с точки зрения габаритов космического корабля, на котором могут быть установлены такие двигатели. Поэтому на выходе 20 установлен источник магнитного поля 15, который поворачивает поток частиц 6 – параллельно линейному ускорителю 2.
На Рис.4б показан вид предлагаемого электроракетного мотора – вид сверху.
На Фиг. 4в показано, как может выглядеть космический корабль 22 с подобными электроракетными двигателями, работающими с использованием электродинамического псевдоожижения.
В главном, герметичном отсеке 23 космического корабля 22 находится экипаж, рабочие отсеки и места для отдыха, оборудование и запас рабочего вещества. Снаружи, к главному отсеку 23 жестко прикреплена решетчатая ферма 24, на которой крепятся линейные ускорители 2 с ускоряющими дисками 18, а далее защитный экран 25, за которым закреплен замкнутый отсек 26 с источником энергии космического корабля 22 (ядерный реактор). Здесь показан космический корабль 22 с четырьмя такими электроракетными моторами. Однако, их количество не лимитировано. А расположение отсека 26 с ядерным реактором в зоне выброса электроракетных моторов – совершенно безопасно, так как здесь отсутствуют высокие температуры и какие-либо излучения. Такое размещение отсека 26 минимизирует опасное воздействие излучений от ядерного реактора ни людей и оборудование. К решетчатой ферме также могут быть прикреплены небольшие посадочные корабли с ядерными или химическими двигателями, дополнительные емкости с топливом и так далее.
Что даст применение таких электроракетных моторов?
Во-первых, электродинамическое псевдоожижение, используемое в таком ракетном электрическом двигателе, характерно малым энергопотреблением. А твердые электропроводящие частицы очень небольшого размера могут быть ускорены в линейном ускорителе до высоких скоростей, например, 50 км / с (это не самая высокая скорость рабочего тела, которая уже была достигнута, например, в ионных двигателях [38]).
Но, в нашем случае, это не выходная скорость, как в ионных моторах [38], так как здесь поток заряженных частиц поступает далее - в ускоряющий диск 18, где он закручивается с уменьшением радиуса закрутки и соответствующим увеличением линейной скорости частиц. И все это – без затрат дополнительной энергии. Если внутренний диаметр ускоряющего диска 18 будет 100 см, а выходное отверстие 20 -1 см, то можно ожидать увеличения скорости потока частиц 6 – примерно, в 100 раз, что позволит получить скорость истечения порядка 500 км/сек. Однако, ничто не мешает увеличить диаметр ускоряющего диска и получить скорость и в тысячи км/сек, при приемлемом, для практических целей, диаметре ускоряющего диска 18.
И здесь, основным элементом энергопотребления – является, только: источник магнитного поля 15.
В ионных двигателях [38], обычно используют, в качестве рабочего тела: инертные газы (аргон, ксенон), а иногда и ртуть. Но ксенон стоит дорого, а ртуть, при обращении с ней - токсична. Кроме того, инертные газы должны храниться в сильно сжатом состоянии в течение длительного времени, для чего требуются подходящие емкости. Например, первая японская космическая миссия «Хаябуса» (полет к астероиду, для взятия проб вещества астероида) потерпела неудачу - из-за утечки инертного газа.
Здесь же, в качестве рабочего вещества можно использовать мелкозернистые порошки из графита, различных металлов и т. д. А, это: упрощенное хранение по сравнению с инертными газами, причем более дешевое и нетоксичное, как ртуть.
Наконец, использование мелких, твердых, электропроводных частиц увеличивает тягу, поскольку эти частицы, с одной стороны, имеют массу, значительно превышающую массу молекул инертных газов, а с другой стороны, их масса достаточно мала, чтобы ускорять эти частицы - до высоких скоростей.
Можно предположить, что использование ракетных электродвигателей с электродинамическим псевдоожижением решит проблему космических полетов, в нашей, Солнечной системе.
Принтеры - одни из самых востребованных периферийных устройств современных компьютеров. Наиболее часто используемые сегодня принтеры [39] — это лазерные принтеры с высокой скоростью печати и струйные принтеры, которые, хоть и не печатают так быстро, как лазерные принтеры, но имеют высококачественные изображения в оттенках серого, да и работают они, все же быстрее, чем матричные принтеры. Поэтому их широко используют для печати цветных и черно-белых фотографий. Кроме того, струйные принтеры используются там, где просто невозможно использовать лазерные принтеры. Это рисование печатных плат, а также рисование на поверхностях, недоступных для контакта. Например, их (точнее их печатающие головки) можно использовать для печати на хрупких, шерстяных материалах и
т. д.
В струйных принтерах, как и в матричных принтерах, изображение создается из точек, но точки образуются - жидкими красителями.
Струйные принтеры могут быть с непрерывной подачей чернил (Continuous Ink Jet), но наиболее распространенными являются принтеры с подачей чернил по требованию (Drop-on-Demand).
Чернила для струйного принтера — это коллоидная смесь частиц красителя (порошка) в быстросохнущей жидкости. Для обеспечения высокого качества печати каждая компания, производящая струйные принтеры, выпускает собственные чернила (обычно в виде заправленных картриджей). И эти чернила - довольно дорогие.
Несмотря на свою распространенность, струйные принтеры имеют существенный недостаток: при некоторой паузе с печатью, чернила высыхают в маленьком отверстии сопла, через которое подаются чернила (диаметр – всего несколько микрон), и дальнейшая печать становится дефектной или вообще прекращается. Чаще всего, современные струйные принтеры автоматически (или в ручном режиме) чистятся теми же чернилами, но это - существенно увеличивает их расход.
Да, и такая чистка - не всегда помогает, и принтеры приходится нести в ремонтную мастерскую. Иными словами, современные печатающие головки струйных принтеров имеют низкую надежность в работе, причем независимо от способа подачи чернил: Пьезоэлектрическая (Piezoelectric Ink Jet) или Термическая (Thermal Ink Jet), также называемая BubbleJet.
Здесь предлагается головка струйного принтера, которая будет обладать высокой надежностью работы, т. к. сопло никогда не будет засоряться.
Для этого предлагается разделить чернила на составляющие: через сопло будут подаваться только капли электрически нейтральной жидкости, а частицы порошка - образуют пространственное облако, через которое будут лететь капли жидкости, захватывать по пути частицы порошка и транспортировать все это на поверхность, где нужно нанести изображение. С жидкостью – все понятно: спирт, к примеру – электрически нейтрален. Пространственное облако порошка будет образовано – с использованием электродинамического псевдоожижения. При этом может быть использован обычный порошок красителя, так как, как уже было показано [14], что, при высокой напряженности электрического поля частицы, практически, любого вещества - будут достаточно электропроводными для осуществления процесса электродинамического псевдоожижения. На Рис.5 показана конструкция подобной головки 27.
Имеется трубка 2 из твердого электроизоляционного материала прямоугольного (квадратного) сечения, плотно закрытая сверху. Вверху также находится сопло 28 для жидкости. Внутри трубки 2 плоские электроды 3 прикреплены к противоположным стенкам почти по всей своей длине и электрически изолированы друг от друга. Но около нижнего конца трубки 2 электроды 3 сдвинуты вместе под определенным углом и образуют зону E с более высокой напряженностью электрического поля.Электроды 3 имеют несколько отверстий для питателей 16, и каждый такой питатель 16 может вводить частицы 6 красителя своего цвета в трубку 2.
Работает такая головка следующим образом. На электроды 3 подается напряжение, создающее высокую напряженность электрического поля. Затем нужный питатель 16 подает в междуэлектродное пространство порошок частиц 6 своего цвета. Начинается процесс электродинамического псевдоожижения, в результате которого в междуэлектродном пространстве, между параллельными частями электродов 3, образуется облако хаотично перемещающихся заряженных частиц 6 одного цвета. Это облако ограничено с 4 сторон и сверху - стенками трубки 2, а снизу – запорной зоной Е, имеющей повышенную напряженность электрического поля. «По требованию», из дюзы 27 вылетает капля 29 жидкости (и здесь не имеет значения, каким образом - пьезоэлектрически, термически, образуется эта капля), которая летит вниз и включает в себя частицы 6, причем высокая скорость капли жидкости позволяет преодолеть запорную зону Е и достичь печатной поверхности 29. Также можно поступить и с частицами порошка 6 - другого цвета. Наконец, можно одновременно подать в ограниченную зону псевдоожижения, между плоскими частями электродов 3, порошки разного цвета - в необходимой пропорции, чтобы на печатной поверхности 29 была отпечатана точка с нужным цветовым оттенком.
На Фиг.. 5, также, показана стрелка в направлении движения бумаги, на которой печатается изображение. Когда головка используется в промышленных целях, сама головка движется в трех измерениях. Тогда, придется постоянно наблюдать за печатной поверхностью, которая может иметь сложную форму.
Здесь нужно отметить, что, поскольку, при струйной печати используются капли жидкости малого размера (микроны), то и трубка 2 может иметь соответствующее малое внутреннее сечение (например, от одного до 3 миллиметров). А, как было показано ранее [19], при малом междуэлектродном расстоянии можно получить большую напряженность электрического поля – при малой разности потенциалов на противолежащих электродах 3. Это обеспечит дополнительную безопасность, при работе с таким струйным принтером.
Таким образом, электродинамическое псевдоожижение позволяет создавать, надежно работающие струйные принтеры, которые вместе с другими их преимуществами повышают привлекательность и конкурентоспособность по сравнению, например, с лазерными принтерами.
Теперь, перейдем к 3D-печати, информация о которой хорошо известна в Интернете.
Это аддитивная технология [40], реализуемая 3D- принтерами, которая создает объекты 3D печати путем послойного наращивания объектов. Их широко применяют при моделировании, ремонте, создании отдельных изделий, в строительстве, литейном производстве, в медицине, кулинарии и т. д.
3D- принтеры имеют различную конструкцию, способы перемещения печатающих головок (декартовый – по трем направляющим, Дельта, поворотный стол), используют различные материалы (пластмасса, керамика, металлы).
Однако остановимся на 3D-печати металлом. 3D-печать металлом — это интенсивно развивающаяся отрасль, которая применяется в автомобильной, аэрокосмической и других областях техники.
Там широко используются технологии SLM и DMLS. В этих технологиях 3D печати порошок из мелких частиц металла наносится слоями, последовательно, причем, обычно, только небольшая часть этого порошка -участвует в формировании металлического слоя изготавливаемого изделия. А манипуляции со слоями порошка занимают некоторое время, что увеличивает время изготовления изделия из металла.
Другая технология 3D-печати порошком металла — это Directed Energy Deposition (DED), когда струя порошка из мелких частиц металла подается непосредственно в зону нагрева, без использования слоев этого порошка. При этом используется только необходимое количество порошка, из мелких частиц металла.
Здесь предлагается новая технология DED, в которой использован способ электродинамического псевдоожижения порошка из мелких частиц металла.
Главное отличие предлагаемой новой технологии 3D-печати металлом состоит в том, что порошок металла подается в зону плавки или спекания в виде дозированной тонкой струи порошка металла - без каких-либо дополнительных веществ в виде газа, жидкости или термопласта, частицы которого плавятся или спекаются лазером (или другим высокоэнергетическим источником излучения) на подложке. При этом управление подачей порошка из мелких частиц в зону нагрева, осуществляется чисто электронным способом.
Реализуется такая технология посредством специальной головки для 3D-печати металлами, которую можно установить, к примеру, на обычный 3D-принтер для печати пластиком (технология FDP), используя его механизмы перемещения, или создать на базе такой головки (или нескольких таких головок) - новые, высокопроизводительные и точные 3D-принтеры для печати металлами.
На Фиг.6 показана конструкция такой печатающей головки 31 для 3D-печати металлами, с использованием электродинамического псевдоожижения.
Коротко рассмотрим элементы, показанные на этом рисунке:
2 – трубка, в которой выполняется электродинамическое псевдоожижение. Она имеет прямоугольный (в сечении) корпус из изоляционного материала (например, пластмассы), с хорошими антиадгезионными свойствами внутри (например, здесь можно применить фторопласт). Трубка закрыта с пяти сторон, а её низ - выполнен в виде небольшой,
полой пирамиды, в вершине которой имеется небольшое выходное отверстие (дюза). Через неё могут («по требованию») свободно «вылетать» наружу электропроводные частицы 6 металла.
Внутри трубки 2, на двух её противоположных параллельных стенках размещены электроды 3, а на внутренних, противоположных стенках пирамиды - электроды 7, которые отделены от электродов 3 и не имеют с ними - прямой, электрической связи. Все электроды имеют выводы наружу (они здесь - условно не показаны, как и внешний источник регулируемого высокого напряжения), без нарушения целостности корпуса трубки 2.
В стенках трубки 2 и, соответственно, в плоских электродах 3 имеется несколько отверстий 16 питателей, через каждый из которых может подаваться порошок своего вида металла. Механизм подачи порошка – может быть любым, известным (например, с помощью шнека).
Трубка 2, вертикально и жестко закреплена на плоской плате 32 печатающей головки 31. а рядом, под углом к трубке 2, также жестко, закреплена лазерная головка 33. При сборке печатающей головки 31 положение лазерной головки 33 регулируется так, чтобы её луч 34 пересекал поток 35 частиц 6 металла из зоны псевдоожижения - на определенном, постоянном расстоянии от нижнего конца трубки 2. И эта точка пересечения - находится на печатной поверхности 36, на которой и будет формироваться будущее изделие. Мощность лазерной головки 33 регулируется и зависит от материала частиц 6 и от требуемого режима работы (плавление или спекание).
Такая головка 31, для 3D-печати металлов, с использованием электродинамического псевдоожижения, работает следующим образом:
На электроды 3 и 7, одновременно, подается требуемое постоянное напряжение от источника питания и между электродами возникает постоянное электрическое поле с высокой напряженностью. Затем, через отверстие 16 одного из питателей подается порошок из мелких частиц 6 металла, которые, при прохождении отверстия 16 в электроде 3, приобретают заряд того же знака что и этот электрод, и кулоновские силы отталкивания толкают частицы 6 - к противоположному электроду 3, который имеет электрический потенциал напряжения противоположного знака. Когда частицы 6 достигают этого электрода 3, они отдают ему свой заряд, приобретают заряд с противоположным знаком и летят обратно. Происходит процесс псевдоожижения, который выражается в образовании облака хаотично движущихся (типа Броуновского движения) мелких заряженных частиц 6 металла в пространстве между параллельными электродами 3.
Область электродинамического псевдоожижения ограничена с 5 сторон - стенками трубки 2, а снизу - областью E с повышенной напряженностью электрического поля, которое создается парой дополнительных непараллельных электродов 7, где расстояние между ними уменьшается и, соответственно, повышается напряженность электрического поля.
В нужный момент («по требованию») напряжение на электродах 7 отключается и частицы 6 металла вылетают из зоны псевдоожижения вниз, наружу (туда, где напряженность электрического поля существенно ниже).
Система управления 3D- принтером включает лазерную головку 33 в тот момент, когда поток частиц 6 достигает печатной поверхности 36. При этом частицы металла или плавятся, или спекаются между собой (в зависимости от заданной энергии излучения лазерной головки 33).
Дальнейший процесс осуществляется при горизонтальном перемещении головки 31 в плоскости, параллельной плоскости печатной поверхности 36. По завершении печати слоя, печатная поверхность 36 опускается на толщину одного такого слоя вниз и процесс 3D- печати продолжается до полного изготовления изделия (конечно, здесь может, наоборот, перемещаться вверх головка 31 (на толщину слоя) и тогда печатная поверхность 36 должна оставаться неподвижной).
Очевидно, что здесь необходима мощность лазера – существенно меньшая, чем в SLM или DMLS технологиях, поскольку здесь не происходит отток тепла - на слои металлического порошка. Это позволяет уменьшить габариты и массу головки 31.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Примерная аналогия этому процессу: если надуть детский шарик, закрыть его, чтобы воздух не выходил, а затем проткнуть его кончиком тонкой иголки, то из шарика начнет выходить струйка воздуха.
В нашем случае, роль такого шарика играет трубка 2, где происходит процесс электродинамического псевдоожижения, давление – это напряженность постоянного электрического поля, а роль кончика иголки – играет процесс снятия напряжения с электродов 7 запорной зоны Е.
Только, в отличие от шарика, здесь расходное вещество (порошок из мелких частиц 6 металла) – постоянно пополняется.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Здесь, в любой момент, можно прекратить истечение потока этого порошка, подав высокое напряжение на электроды 7 запорной зоны Е. Лазерная головка 33, при этом, конечно, выключается.
Теперь нужно отметить, зачем нужны дополнительные отверстия 16 питателей. Если должен быть напечатан не чистый металл, а его сплав с другими металлами, частицы каждого из этих металлов проходят через свои отверстие 16 питателя в зону псевдоожижения, где они интенсивно смешиваются, а когда попадают в зону луча 34 лазерной головки 33 - плавятся. Это создает в точечной области плавления - легированный металл.
Например: из одного легирующего металла - слишком дорого делать целиком режущий инструмент. Однако здесь можно легировать только необходимую часть инструмента (режущую кромку), а остальную часть - изготовить из недорогого металла. Это значительно снизит стоимость всего инструмента. В результате получится единая, прочная отливка, при которой легирование происходит - только в определенных, необходимых местах, а необходимость в прочном креплении дополнительной режущей кромки (как части такого инструмента) - отпадает.
Для плавления металлов лазером требуется особая газовая среда (например, азот, аргон), для чего необходимо разместить 3D-принтер - в соответствующем, изолированном объёме. Это касается и вопросов дальнейшего повышения производительности и печати изделий большого размера, где также можно использовать уже известные, отработанные решения.
Дополнительно нужно отметить, что такая технология - достаточно проста в реализации.
Подводя итоги, можно сказать, что здесь дано определение процессу псевдоожижения, что позволяет в перспективе искать и другие виды псевдоожижения. Высказано предположение о широкой распространенности видов псевдоожижения в природе.
Дано определение электродинамическому псевдоожижению твердых, электропроводных частиц микро и нано размеров в постоянном электрическом поле.
Приведены примеры четырех устройств из различных областей техники, работа которых основана на способе электродинамического псевдоожижения, который позволяет решить задачи, которые трудно решить другими технологиями.
Таким образом, можно сделать вывод о перспективности и целесообразности использования принципа электродинамического псевдоожижения в различных областях науки и техники.
Список источников, использованных автором
28. https://de.wikipedia.org/wiki/Lavald%C3%BCse
29. http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetohydrodynamischer_Generator
30. Offenlegungsschrift DE 10 2007 005 586 A1 Pulver MHD Generator
31. European Patent Application Nr. EP 1 548 919 A2 „Electric generator having a
magnetohydrodynamic effect “.
32. https://www.schule-bw.de/faecher-und-schularten/mathematisch-naturwissenschaftliche-
faecher/physik/unterrichtsmaterialien/e_lehre_2/teilchenfeld/vergl_eb.htm
33. https://de.wikipedia.org/wiki/Hall-Effekt
34. Gebrauchsmuster Nr. 20 2006 003 251.7 „Geräte mit Pulver“.
35. https://de.wikipedia.org/wiki/Drehimpuls
36. https://de.wikipedia.org/wiki/Teilchenbeschleuniger
37. Bescheinigung über die Urheberschaft UdSSR Nr. 419687 „Dampferzeugungsmethode“,
15.03.1974
38. https://de.wikipedia.org/wiki/Ionenantrieb
39. https://de.wikipedia.org/wiki/Tintenstrahldrucker
40. https://de.wikipedia.org/wiki/3D-Druck