Печатающая головка для 3D-принтера

Полезная модель относится к устройствам для послойного изготовления трехмерных объектов, а именно к головкам для нанесения и отверждения слоев жидких или вязких фотополимерных материалов без поддержки снизу. Техническое решение предназначено, в частности, для применения в строительной индустрии для 3D-печати из композитов объектов сложной формы.
Из патентного документа WO 2019191733 А1 от 03.10.2019 известен принтер для послойного изготовления трехмерных объектов из светоотверждаемого материала по технологии робокастинга с УФ-подсветкой, называемой UV-DIW (Ultraviolet-Assisted Direct Ink Write). Известный принтер включает в состав своей конструкции печатающую головку, содержащую DIW-систему с экструдером для фотополимерной композиции, а также источник УФ-излучения, смонтированные на приводе для линейного перемещения устройства в горизонтальной плоскости по двум координатным осям. При этом источник УФ-излучения установлен возле сопла экструдера, но не направлен на данное сопло, что сделано с целью предотвращения закупорки сопла затвердевшим материалом, опасность чего существует в случае облучения ультрафиолетом непосредственно выходного отверстия сопла. Принтер запрограммирован на такое перемещение своей печатающей головки, чтобы энергии УФ-излучения было достаточно для отвердения нанесенного фотополимера. Однако из-за известного конструктивного выполнения привода невозможно наложение в плане траекторий движения сопла экструдера и рабочей зоны источника УФ-излучения для однопроходной обработке криволинейных участков, что ведет к необходимости прерывания процесса экструзии в указанных зонах для отдельного позиционирования источника УФ-излучения и локальной засветки участка напечатанного слоя в данном месте. Вызванные этим значительные временные задержки приводят к неравномерности подачи и засветки фотополимерной композиции, а следовательно, повышают неоднородность слоя печати, в том числе из-за сдвиговых нагрузок на экструдированный материал в плане, что отрицательно сказывается на качестве изготовления синтезируемых объектов.
Решаемой технической проблемой является улучшение качества изготовления объектов, синтезируемых по технологии робокастинга с УФ-подсветкой рабочей зоны устройства.
Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в повышении однородности слоя печати по технологии робокастинга с УФ-подсветкой, в увеличении равномерности подачи фотополимерной композиции в рабочую зону при 3D-печати по указанной технологии, а также в увеличении равномерности засветки нанесенной фотополимерной композиции при такой печати.
Технический результат достигается благодаря тому, что в печатающей головке для 3D-принтера, содержащей экструдер для послойной печати по технологии робокастинга фотополимерной композицией, и источник УФ-излучения, расположенный эксцентрично относительно продольной оси экструдера, экструдер выполнен составным из соосных несущей части и выступающего сопла. При этом головка включает в состав своей конструкции поворотный механизм, через который источник УФ-излучения подвижно связан с несущей частью экструдера для углового перемещения относительно продольной оси экструдера, а сопло неподвижно соединено с указанным поворотным механизмом с возможностью осевого вращения относительно несущей части экструдера.
В частном случае осуществления полезной модели источник УФ-излучения содержит пару модулей засветки, выполненных с возможностью независимого изменения угла наклона рабочих осей данных модулей относительно продольной оси экструдера.
Также в частном случае источник УФ-излучения выполнен с возможностью динамической регулируровки интенсивности света.
В другом частном случае экструдер содержит управляемый отсечной клапан для регулирования подачи фотополимерной композиции в сопло.
Сущность полезной модели поясняется следующими графическими изображениями, на которых в качестве примера показано выполнение предпочтительного варианта конструкции устройства.
Фиг. 1: печатающая головка для 3D-принтера.
Фиг. 2: схема направления вектора линейной скорости экструдера относительно поперечного сечения экструдера, вид в плане.
Фиг. 3: пример движения печатающей головки по криволинейной траектории, вид в плане.
3D-принтер для аддитивного производства объемных изделий по технологии робокастинга содержит координатное устройство, расходную емкость для раствора композитного материала, линию подачи материала, насос, устройство управления, блок электропитания, а также печатающую головку, которая служит для подачи композитного материала в область многослойного нанесения и создания трехмерного объекта в результате фотополимеризации материала в зоне печати.
Печатающая головка включает экструдер для нанесения слоев вязких фотополимерных композитов, источник УФ-излучения для отверждения принявших заданную форму материалов, и поворотный механизм для вращательного перемещения источника УФ-излучения и сопла экструдера в рабочей плоскости принтера относительно продольной оси экструдера касательно пути следования сопла в границах текущего слоя изделия.
Экструдер содержит несущую часть 1 и сопло 2, выполненные в виде тел вращения трубчатой формы (фиг. 1). Сопло 2 закреплено на нижнем концевом участке несущей части 1 через уплотнительные элементы с образованием сальникового узла 3. При этом обеспечена возможность осевого вращения выступающего вниз сопла 2 относительно несущей части 1 экструдера с сохранением герметичности соединения, что достигается, в частности, благодаря круглой форме элементов экструдера в поперечном сечении, соответствию их размеров и общей соосности. Верхний концевой участок несущей части 1 образует коннектор для соединения головки с подвесом координатного устройства и линией подачи композитного материала, при этом форма коннектора выбрана из условия быстроты соединения для оперативной замены головки при необходимости. В зависимости от требуемого режима печати рабочему концу сопла 2, или насадке на него, придают подходящую конфигурацию и геометрию. На входном отверстии несущей части 1 экструдера установлен управляемый отсечной клапан для регулирования подачи фотополимерной композиции внутрь экструдера.
Источник УФ-излучения содержит пару спаренных регулируемых модулей засветки 4 с лампами для получения фокусированного освещения области печати с целью отверждения экструдированного материала.
Поворотный механизм включает в себя несущую платформу вращения 5 для сопла 2 и модулей засветки 4, втулку 6, зубчато-ременной привод 7, электрический серводвигатель 8 и опорную плиту 9. Платформа 5 выполнена с отверстием в своей центральной части, и жестко соединена с ведомым шкивом привода 7 через втулку 6. При этом платформа 5, ведомый шкив привода 7 и втулка 6 насажены на несущую часть 1 экструдера с возможностью их свободного вращения относительно оси несущей части 1 и фиксированного продольного положения на ней. Ведущий шкив привода 7 закреплен с возможностью вращения на несущей плите 9, с которой неподвижно соединены серводвигатель 8 и несущая часть 1 экструдера. Модули засветки 4 шарнирно соединены с нижней стороной платформы 5 с возможностью независимой регулировки положения данных модулей в двух плоскостях. Сопло 2 неподвижно соединено своей кромочной частью с нижней стороной платформы 5.
Все элементы головки являются сборочными единицами, неразъемно соединенными между собой сборочными операциями и находящимися в функционально-конструктивном единстве.
Устройство работает следующим образом.
Для соединения печатающей головки с базой 3D-принтера коннектор на конце несущей части экструдера головки фиксируют в ответной части на подвесе координатного устройства, при этом сопрягают внутренний канал экструдера с линией подачи композитного материала, и стыкуют электрические разъемы для связи отсечного клапана экструдера, ламп источника УФ-излучения, серводвигателя поворотного механизма с устройством управления и блоком электропитания через сигнальные и силовые кабели соответственно.
После этого программируют устройство управления 3D-принтера, задавая инструкции G-кодом для описания процесса печати, исходя из параметров создаваемого изделия и используемого материала.
Затем выставляют наклон модулей засветки 4 вдоль направления печати и по отношению к продольной оси сопла 2 экструдера для совместной фокусировки света модулей 4 в области засветки, с целью придания пятну засветки такого размера и положения, чтобы обеспечить необходимую экспозицию фотополимерной композиции под действием УФ-излучения полностью или преимущественно вне зоны экструзии. Изображенная на фиг. 1 конструкция устройства характеризуется областью фокусировки излучения с центром в точке F на рабочей плоскости устройства, лежащей эксцентрично в плане по отношению к центру зоны экструзии Ρ с линейным сдвигом на расстояние Ζ.
При переходе 3D-принтера в режим печати автоматика устройства включает приводы координатного устройства и сначала позиционирует печатающую головку в начальной точке рабочей траектории, по которой производится укладка первого слоя изделия.
В процессе работы 3D-принтера координатное устройство перемещает головку по заданной траектории движения, одновременно с чем насос нагнетает раствор композитного материала из расходной емкости в линию подачи, посредством которой материал поступает в несущую часть экструдера через отсечной клапан, и выдавливается из сопла в зону экструзии. При этом отсечной клапан устраняет инертность системы подачи материала, позволяя при необходимости практически мгновенно прекратить подачу материала в сопло, а сальниковый узел предотвращает утечку материала в месте соединения указанных частей экструдера.
Одновременно с укладкой слоя производят засветку ранее напечатанного участка данного слоя в непосредственной близи от текущей зоны экструзии с необходимой для отверждения материала динамически регулируемой интенсивностью света посредством источника УФ-излучения.
В процессе печати слоя продукта координатное устройство перемещает центр сопла экструдера по заданной траектории. Причем при проходе криволинейного участка поворотный механизм головки придает соплу экструдера дополнительное осевое вращение относительно несущей части экструдера, а источник УФ-излучения при этом совершает угловое перемещение относительно продольной оси экструдера. Команды записанной в память устройства управления программы определяют пространственные характеристики для необходимого угла поворота, скорости и ускорения несущей платформы вращения. При этом платформу вращают из условия постоянства перпендикулярности поперечного сечения экструдера T вектору линейной скорости экструдера V (фиг. 2), что достигается поворотом платформы 5 с опережением поворота несущей части 1 экструдера. Благодаря указанному угловому перемещению источника УФ-излучения относительно продольной оси экструдера достигается возможность засветки напечатанного участка слоя объекта без схода сопла экстрактора с траектории печати слоя, что ведет к увеличению равномерности подачи фотополимерной композиции в рабочую зону при технологии робокастинга с УФ-подсветкой за счет непрерывности подачи материала. На увеличение равномерности подачи фотополимерной композиции в рабочую зону также положительно влияет отсутствие инертности в подаче материала благодаря работе отсечного клапана, благодаря которому исключено нанесение лишнего количества материала.
В процессе печати при вращении источника УФ-излучения один модуль засветки проходит более длинную траекторию по сравнению с другим модулем, из-за чего центр пятна засветки L смещается относительно траектории движения сопла экструдера (стадия В на фиг. 3), что позволяет регулировать интенсивность освещения командами вращения и направления движения источника УФ-излучения для увеличения равномерности засветки нанесенной фотополимерной композиции. Дополнительно равномерность засветки повышает независимая динамическая регулировка изменения угла наклона рабочих осей модулей засветки относительно продольной оси экструдера, благодаря которой центр пятна засветки L максимально приближен к траектории движения сопла экструдера, на достаточном удалении от сопла, чтобы не вызвать его загрязнение отвердевшим материалом.
После возвращения головки в исходную точку траектории в плане начинают аналогичный цикл укладки следующего слоя печатаемого материала.
Увеличение равномерности подачи фотополимерной композиции в рабочую зону, а также увеличение равномерности засветки нанесенной фотополимерной композиции при такой печати, ведет к повышению однородности слоя печати, чему также способствует вращение сопла экструдера совместно с источником УФ-излучения при повороте головки, так как при этом снижена механическая сдвиговая нагрузка на наносимый материал, вызывающая его сдвиговую деформацию, а следовательно качество изготовления объектов улучшено.