ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА СТРУЙНОГО 3D ПРИНТЕРА

Полезная модель относится к области технологий синтеза, т.е. изготовления трехмерных физических объектов добавочным нанесением (наслоением) с использованием, в частности, полимерных материалов, а точнее к технологиям струйной 3D печати. Техническое решение может найти свое применение при изготовлении трехмерных моделей широкой сферы их последующего использования, в частности, науке, образовании, инженерии, медицине и пр.
Раскрытая в описании настоящего решения технология относится к области струйной 3D печати, реализуемой, чаще всего, с использованием раздаточной головки, сопла (сопел), элементов настройки и контроля за работой головки 3D принтера, а также полимерного строительного (термопластика), в качестве рабочего материала.
Из уровня техники известны аналогичные технические решения, сущность которых заключается в том, что раздаточная головка струйного 3D принтера выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика (полимерного материала). Капли быстро застывают, формируя при этом слои будущего объекта.
Так из - уровня техники известен 3D принтер со сменяемыми модулями (соплами) печати - WO 2015038072, (BIO3D TECHNOLOGIES PTE LTD, SG), B33Y 10/00, от 19.03.2015 г.
Аналогичные решения раскрыты в следующей патентной документации: CN 203945698, (CHEN LIANG), 19.11.2014 г., - «Раздаточная головка 3D принтера», CN 203945690, (INSTITUTE OF AUTOMATION OF HEILONGJIANG ACADEMY OF SCIENCES), 19.11.2014 r. - «3D принтер на основе БП», CN 104149352, (SANYA SIHAI INNOVATIVE ELECTRICAL AND MECHANICAL ENGINEERING CO., LTD, CHEN MINGOJAO), 19.11.2014 г. - «Раздаточная головка 3D принтера».
Также из уровня техники известна технология струйной 3D печати, в частности, из описаний к патентам США: US 5121329, «Stratasys, lnc.», опубл.: 09.06.1992 г., - «Способ и устройства создания 3D объектов», US 5340433, «Stratasys, lnc.», опубл.: 23.08.1994 г. - «Устройство для создания 3D объектов», US 5738817, «Stratasys, lnc.», опубл.: 14.04.1998 г., «Автоматическое дозирование в процессе 3D печати», US 5764521, «Stratasys, lnc.», опубл.: 09.06.1998 г. - «Способ и устройство для БП», US 6022207, «Stratasys, lnc.», опубл.: 08.02.2000 г. - «Мультиэкструдер»
В указанных патентах раскрыта технология и используемые при ее осуществлении устройства (оборудование): построения 3D-объектов по заранее подготовленной модели методом «слой за слоем» путем экструзионного осаждения строительного материала (чаще всего полимерного).
При этом строительный материал подается через сопло раздаточной головки, и осаждается в виде последовательности дорожек на подложке в XY-плоскости. Затем печатающая головка поднимается относительно подложки по оси Z (перпендикулярной XY-плоскости) на один шаг, и процесс повторяется для формирования 3D-объекта, подобного CAD-модели.
В указанных аналогах для осуществления необходимых технологических операций, связанных с заменой рабочего строительного материала, приходилось отводить головку принтера с экструдером из зоны печати а также дополнительно нагревать и остужать сопла, что занимало дополнительное время.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели патент US 7625200 опубл. 01.12.2009, в котором печатающая головка струйного 3D принтера содержит выполненную в едином корпусе, подвижную платформу с размещенными на ней двумя соплами с нагревателями и механизм переключения сопел, положение которой определяется датчиком положения подвижной платформы и ограничивается позиционным ограничителем.
Недостатком наиболее близкого аналога является его низкая технологичность работы устройства, определяющаяся тем, что при осуществлении струйной 3D печати одного изделия (одной модели) различными материалами (например, различных цветов или плотности) возникают перерывы в работе, вызванные тем, что печатать одновременно двумя материалами сопровождается вынужденным простоем (перерывом в работе) единственного сопла головки принтера, что связано с необходимостью замены строительного материала (например, полимеры различных свойств) и его подготовки к работе, а именно разогрева одного сопла и нагрева другого. При использовании устройства наиболее близкого аналога оба сопла остаются нагретым, при этом из нерабочего сопла, находящегося в режиме простоя будет течь пластик. Вытекающий пластик будет попадать на поле печати, и тем самым нарушать рисунок печати. Также недостатком указанного устройства является то, что при перерывах в работе на сопле остается пластик, который во время простоя застывает и образуется облой, который при активации сопла мешает нагнетать печатающий материал и также нарушает рисунок печати.
Задача данного технического решения заключается в разработке новой конструкции, печатающей головки струйного 3D принтера, позволяющей устранить указанные выше недостатки.
Технический результат заявленного технического решения заключается в повышение качества получаемых 3D моделей, при уменьшении времени на изготовление одной 3D моделей.
Указанная задача решается следующим образом за счет создания печатающей головка струйного 3D принтера, содержащей выполненную в едином корпусе, подвижную платформу с размещенными на ней двумя соплами с нагревателями и механизм переключения сопел, положение которой определяется датчиком положения подвижной платформы и ограничивается позиционным ограничителем. Печатающая головка струйного 3D принтера снабжена клапаном для сопел, выполненном с возможностью прогиба, обеспечивающим запирание одного из сопел и открывание другого при переключении сопел, при этом сопла выполнены с возможностью перемещения относительно клапана, который выполнен неподвижным.
В частном варианте исполнения механизм переключения сопел содержит эксцентрик, приводимый от мотора эксцентрика, управляемого модулем управления принтера, ведомые шестерни первого и второго сопел, последовательно входящие в зацепление с ведущей шестерней.
В другом частном варианте выполнения печатающей головки струйного 3D, клапан для сопел выполнен в виде единой планки с отверстиями для размещения активных сопел, кромка которых обеспечивает снятие облоя с сопла.
В еще одном частном варианте выполнения печатающей головки струйного 3D принтера, клапан для сопел выполнен в виде двух отдельных дугообразных или Г-образных планок, кромка которых обеспечивает снятие облоя с сопла.
Еще один вариант выполнения печатающей головки струйного 3D принтера раскрывает подвижную платформу приводимую в движение вокруг оси осевого винта, при этом ее траектория движения ограничивается и направляется направляющими роликами.
Ниже приводятся графические материалы, поясняющие сущность заявленного решения, никоим образом не ограничивающие любые иные варианты осуществления заявленного решения.
На фиг 1: общий вид печатающей головки 3D принтера,
На фиг. 2: общий вид подвижной платформы печатающей головки 3D принтера в исходном положении,
На фиг 3: положение печатающей головки, в котором активно сопло 9,
На фиг 4: положение печатающей головки, в котором активно сопло 10,
На фиг 5: варианты выполнения клапана для сопел.
На фиг. 6: вариант выполнения клапана для сопел с теплоотводящими отверстиями показан вид снизу.
На фиг. 1-5 изображены следующие элементы конструкции:
1. Направляющие ролики.
2. Осевой винт.
3. Эксцентрик.
4. Позиционный ограничитель.
5. Клапан для сопел.
6. Ведущая шестерня.
7. Ведомая шестерня второго сопла.
8. Ведомая шестерня первого сопла.
9. Второе сопло с нагревателем.
10. Первое сопло с нагревателем.
11. Подвижная платформа.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Печатающая головка предназначена для послойного выращивания объемных моделей из пластикового прутка. Послойное нанесение отверждающегося материала на создаваемую модель осуществляется через экструдер печатающей головки. Данный материал в виде намотанной на катушку нити поступает через дозатор в нагреватель, где он переходит в эластичное или пастообразное состояние, после чего под давлением, создаваемым дозатором, подается в сопло. В процессе работы 3D принтера может возникнуть необходимость смены материала. В заявленном устройстве данная задача решается посредством переключения с минимальным прерыванием процесса печатания.
Переключение сопел печатающей головки происходит следующим образом. Положение подвижной платформы (11) определяется датчиком положения подвижной платформы (1), которое ограничивается позиционным ограничителем (4). Датчик положения подвижной платформы определяет два состояния: позиция 1 и позиция 2. Позиция 1 - определяет положение необходимое для работы второго сопла (9), позиция 2 - определяет положение для работы первого сопла (10). При необходимости привести в рабочее положение сопло 9 модуль управления принтером (материнская плата) включает мотор эксцентрика, который передает вращение на эксцентрик. Подвижная платформа (11), траектория движения которой ограничивается и направляется направляющими роликами (1), приводится в движение вокруг оси осевого винта (2). В процессе перемещения подвижной платформы (11) из положения активного сопла 9 в активное сопло 10 происходит расцепление ведомой шестерни второго сопла (7) с ведущей шестерней (6) и зацепление ведомой шестерни первого сопла (8) с ведущей шестерней (6). Перемещение подвижной платформы (11) смещает положения сопел относительно клапана для сопел (5, рис 1), запирая отверстие второго сопла (9) и открывая отверстие первого сопла (10). После полной фиксации подвижной платформы (11) в положении активации первого сопла принтер продолжает печать первым соплом.
Клапан сопел (5) может быть выполнен в виде одного из следующих вариантов. Конструкция клапана может быть представлена, как единая планка с отверстиями для размещения активных сопел, в которой также выполнены отверстия, совмещенные с отверстием для сопел для обрезки облоя. При переходе подвижной платформы из одного положения, в котором активно одно из сопел в положение, в котором активно другое сопло, режущая кромка отверстия для обрезки облоя срезает остатки материала с сопла переходящего из активного в неактивное положение и одновременно клапан запирает неактивное сопло, и одновременно, активное сопло размещается в отверстии планки.
Клапан сопел также может состоять из двух отдельных дугообразных или Г-образных планок для каждого сопла отдельно. При таком выполнении отверстия для отверстия облоя расположены на краях планки, которые входят в контакт с соплами и также при переключении сопел кромка отверстия снимает облой с сопла, которое переходит в неактивное состояние, при том клапан его запирает, а сопло, переходящего в активное состояние, размещается между планками.
Для отведения тепла, выделяемого нагретыми соплами на клапане в месте размещения неактивного сопла выполнены дугообразные отверстия, на фиг. 6 показан вариант с двумя дугообразными отверстиями. Также на фиг. 6 показана кромка для срезания облоя, усиленная за счет отгибания крайней части клапана, расположенной у срезающей облой кромки.
Механизм переключения сопел также может быть выполнен в другом варианте, например, в виде сервопривода.
Преимущества заявляемого принтера заключаются в использование одного экструдера при смене материала, которое обеспечивается сменой положения сопел (отведения их из рабочего положения в положение «ожидание»), за счет чего достигается возможность быстрой смены подачи рабочего материала в экструдер и, соответственно, изготовление 3d модели. Также качество изделий повышается за счет обрезки облоя с неактивного сопла, которое позволяет при активации сопла добиться высокого качества 3D печати и бесперебойной работы устройства. Это обеспечивает существенное сокращение времени 3D печати и, соответственно, временных затрат на изготовление 3D моделей.