3Д ПРИНТЕР ПОРТАЛЬНОГО ТИПА
PORTAL 3D PRINTER

Область техники
Изобретение относится к строительной отрасли и робототехнике, а именно к строительным роботизированным системам, и может быть использовано как установка для автономного послойного наращивания конструкций зданий и строений и выполнения механической обработки поверхностей.
Уровень техники
Из уровня техники известен 3д принтер возведения утепленной бетонной стены (см. [1] патент РФ № 2744829, МПК E04B 2/00, B33Y 10/00, опубл. 16.03.2021), содержащий несущие узлы: ось X, ось Y, ось Z, верхнюю консоль, вертикальную и продольную каретки, печатающую головку, фрезерную головку, шарнир системы подачи, стрелу, распределительный узел.
Недостатком данного аналога является сложность конструкции, дороговизна, из-за наличия четырех вертикальных колонн, и как следствие необходимости использования большого количества приводов. Также основным недостатком является ограниченная область печати, из-за конечных размеров осей принтера.
Из уровня техники известен 3д принтер (см. [2] патент Южной Кореи № 101526827, МПК B22F3/105; B28B1/00; B29C67/00; опубл. 05.06.2015), содержащий несколько вариантов реализации устройства: с четырьмя опорными колоннами или с двумя опорными колоннами.
Недостатком данного аналога является сложность конструкции, дороговизна, из-за наличия четырех вертикальных колонн, и как следствие необходимости использования большого количества приводов. Более эффективным решением является конструкция п-образного портала, перемещающегося в продольном направлении по рельсовым направляющим, однако данное решение также имеет ограничения по габаритам печатаемого изделия, обусловленное конечными размерами осей самого принтера
Существует принтер компании cobod (см. [3] https://cobod.com/bod2/), в которой реализована конструкция с модульными масштабируемыми осями. Но в этой конструкции используется вариант компоновки с четырьмя вертикальными колоннами, недостатки которой описаны выше. К тому же модульные балки выполнены как сварные металлоконструкции, что, при необходимости сохранения прямолинейности всей оси в сборе, предполагает использование сложной технологической оснастки, увеличивая стоимость и время изготовления принтера. Также, в качестве направляющих здесь используется швеллер, по которому катаются ролики. Такое конструктивное решение предполагает либо наличие отклонений от прямолинейности при перемещении по направляющим кареток или балок, либо дополнительные регулируемые ролики, ограничивающие такие отклонения. Но даже при использовании таких роликов не всегда удается добиться желаемого эффекта, так как сварные балки предполагают наличие значительных отклонений в геометрии от прямолинейности своих поверхностей. Таким образом, данная конструкция не обеспечивает достаточной точности печати.
Вариант выполнения балок с механической обработкой поверхностей под установку направляющих является технически трудоемким, предполагает использование фрезерных станков с большой областью обработки и в конечном счете все равно не обеспечивает отсутствия отклонений от формы установочных поверхностей без значительных затрат времени и использования высокоточного оборудования.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является многофункциональный строительный робот (см. [4] патент РФ на полезную модель № 161181, МПК B25J 11/00, E04G 21/02, опубл. 10.04.2016), содержащий портал, перемещающийся по направляющим рельсам, содержащий каретку, расположенную на портале с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном к направлению рельсового пути, приводы и контроллер, предназначенный для управления приводами, при этом портал содержит телескопические колонны с возможностью перемещения по вертикали верхней части портала, а каретка снабжена автономной системой послойного наращивания конструкций зданий и строений, содержащей манипулятор со встроенным смесителем-экструдером, выполненным с возможностью в автономном режиме приготовления строительной смеси и обеспечения ее последующей экструзии, при этом конечное звено манипулятора снабжено модулем для фиксации обрабатывающего инструмента с возможностью вращения инструмента вокруг вертикальной и горизонтальной осей.
Недостатком прототипа является наличие телескопических колонн, что снижает надежность устройства в целом при одновременном увеличении стоимости устройства.
Сущность изобретения
Задачей заявляемого изобретения является расширение возможностей строительной 3д печати за счет конструкции с масштабируемыми осями, при этом время и сложность технологии изготовления принтера снижается по сравнению с известными решениями.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей, ускорение и упрощение процесса изготовления и сборки конструкции принтера, увеличение универсальности и применяемости.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата предлагается 3Д принтер портального типа, содержащий две вертикальные колонны, выполненные с возможностью перемещения по рельсовым направляющим и соединенные между собой горизонтальной неподвижной балкой, рельсовые направляющие установлены на основании принтера, при этом на вертикальных колоннах с возможностью перемещения в вертикальном направлении установлена поперечная балка, на которой закреплена с возможностью продольного перемещения каретка с закрепленной на ней печатающей головкой, причем рельсовые направляющие оснащены системой выравнивания, которая содержит шайбы, гайки и винты, последние из которых вмонтированы в основание принтера, при этом вертикальные колонны и поперечная балка оснащены V-образными рельсовыми направляющими с дополнительной системой выравнивания, а перемещение вертикальных колонн и поперечной балки осуществляется при помощи кареток с роликами за счет привода и косозубой рейки.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что дополнительная система выравнивания содержит основание с пазами, в которых установлена пара клиньев с возможностью перемещения при помощи регулировочных винтов, в клинья установлен ложемент при помощи пазов, а на ложемент установлена V-образная рельсовая направляющая, при этом в ложементе имеется сквозной паз, через который проходит винт, прижимающий V-образную рельсовую направляющую и ложемент к основанию.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ложемент имеет регулировочные винты, позволяющие закрепить положение V-образных рельсовых направляющих в необходимом положении.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что вертикальные колонны, горизонтальная неподвижная балка и поперечная балка являются модульными и состоят из секций.
Также задача решается, а технический результат достигается за счет того, что рельсовые направляющие являются модульными и состоят из секций.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – Внешний вид принтера.
Фиг. 2 – Дополнительная система выравнивания V-образных рельсовых направляющих.
Фиг. 3 – Система выравнивания рельсовых направляющих.
На фигурах обозначены следующие позиции: 1 – вертикальная колонна; 2 – неподвижная балка; 3 – поперечная балка; 4 – рельсовая направляющая; 5 – каретка; 6 – печатающая головка; 7 – основание; 8 – клин; 9 – ложемент; 10 - V-образная рельсовая направляющая; 11 – винт, прижимающий V-образную рельсовую направляющую и ложемент (9) к основанию; 12 – ролик каретки; 13 – каретка; 14 – регулировочный винт, позволяющий закрепить положение V-образной рельсовой направляющей; 15 – регулировочный винт, для перемещения и фиксации клиньев; 16 – винт системы выравнивания рельсовых направляющих; 17 – гайка системы выравнивания рельсовых направляющих; 18 – шайба системы выравнивания рельсовых направляющих.
Осуществление изобретения
Заявленный 3Д принтер (фиг.1) состоит из двух вертикальных колонн (1), которые выполнены с возможностью перемещения по рельсовым направляющим (4). Рельсовые направляющие (4) установлены на основании принтера. Вертикальные колонны (1) соединены между собой горизонтальной неподвижной балкой (2). На вертикальных колоннах с возможностью перемещения в вертикальном направлении установлена поперечная балка (3), на которой закреплена с возможностью продольного перемещения каретка (5) с закрепленной на ней печатающей головкой (6). Существенным отличием от других конструкций является то, что вертикальные колонны (1), горизонтальная неподвижная балка (2) и поперечная балка (3) являются модульными и состоят из одинаковых элементов – секций (секции могут быть одинаковыми или нескольких типоразмеров по требованию заказчика).  На вертикальных колоннах (1) и поперечной балке (3) установлены V-образные рельсовые направляющие (10) и косозубая рейка (на фигурах не показана) для реализации привода, т.е. перемещение вертикальных колонн (1) и поперечной балки (3) осуществляется при помощи кареток (13) с роликами (12) за счет привода и косозубой рейки.
Рельсовые направляющие (4) также являются модульными и состоят из секций (секции могут быть одинаковыми или нескольких типоразмеров по требованию заказчика) и устанавливаются на бетонные подушки или сваи (основание принтера) в местах стыков секций. Модульность и взаимозаменяемость позволяет ускорить и упростить процесс изготовления и сборки конструкции. И, главное, – реализовать масштабируемую конструкцию принтера, тем самым увеличив ее универсальность и применяемость.
Рельсовые направляющие (4) оснащены системой выравнивания (фиг. 3), компенсирующей неровности грунта и позволяющей точно выставить конструкцию по отношению к нулевому уровню, предусмотренному в объекте печати. Система выравнивания содержит шайбы (18), гайки (17) и винты (16). Регулировка осуществляется гайками (17), которые через шайбы (18) установлены на винты (16), вмонтированные в основание принтера, на котором лежат рельсовые направляющие (4). Зазоры между винтами (16) и рельсовыми направляющими (4) позволяют осуществить выравнивание. Такая система позволяет повысить точность и плавность хода принтера, а также, уменьшает объем и время работ по подготовке основания.
Так же, существенным отличием от существующих модульных конструкций является наличие дополнительной системы выравнивания V-образных рельсовых направляющих (10) на каждой секции поперечной балки (3) и каждой секции вертикальных колонн (1) (фиг.2). Система позволяет регулировать положение V-образной рельсовой направляющей (10) по вертикали и по горизонтали. Дополнительная система выравнивания содержит основание (7) с пазами, в которых установлена пара клиньев (8) с возможностью перемещения при помощи регулировочных винтов (15). С помощью регулировочных винтов (15) клинья приводятся в необходимое положение. В клинья (8) установлен ложемент (9) при помощи пазов, а на ложемент (9) установлена V-образная рельсовая направляющая (10). В ложементе (9) имеется сквозной паз, через который проходит винт (11), прижимающий V-образную рельсовую направляющую (10) и ложемент (9) к основанию (7). При этом с помощью винтов (11) ложемент (9) прижимает клинья (8) через наклонные поверхности к регулировочным винтам (15) и к основанию (7). На ложементе (9) так же имеются пазы, в которые вставлены клинья (8). Наличие пазов на основании (7) и ложементе (9) позволяет зафиксировать клинья (8) в продольном по отношению к направляющей направлении. Ложемент (9) имеет регулировочные винты (14), позволяющие закрепить положение V-образных рельсовых направляющих (10) в необходимом положении.
Выравнивание V-образных рельсовых направляющих (10) необходимо не только для обеспечения прямолинейности сборной конструкции балок, но и для устранения люфтов и зазоров между кареткой (13) с роликами (12) и V-образными рельсовыми направляющими (10).
Особенностью конструкции так же является использование V-образных рельсовых направляющих. Такая форма позволяет реализовать самоустанавливающуюся конструкцию и в совокупности с вышеописанной системой выравнивания полностью устраняет нежелательные люфты и зазоры, что позволяет добиться высокой точности и плавности хода принтера.