Печатающая головка для 3D-принтера с двумя экструдерами

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области аддитивных технологий, в частности к аддитивному изготовлению трехмерных физических деталей по цифровой 3D-модели методом послойной печати расплавленной полимерной нитью (FDM), а именно к усовершенствованной печатающей головке 3D-принтера. FDM 3D-принтеры могут быть использованы для изготовления прототипов, мелкосерийных деталей или единичных экземпляров для применения в авиационной, ракетно-космической технике, медицине, автомобилестроении и других отраслях промышленности.
Уровень техники
В общем случае устройство FDM 3D-принтера включает в себя в качестве ключевых элементов: кинематическую систему передвижения печатающей головки с экструдером, кинематическую систему передвижения рабочей платформы, выполненной из стекла или металла, и нагревательный блок для плавления подаваемых материалов.
Для изготовления изделия путем 3D-печати используется заранее подготовленная цифровая 3D-модель изделия, которая сохраняется в формате STL- или OBJ-файла, являющиеся наиболее часто встречаемыми для FMD 3D-печати. Данный файл подготавливается в специализированных программных средствах путем разбиения 3D-модели объекта на слои, определяющие параметры последующей 3D-печати, включая, но не ограничиваясь, точностью (минимальный размер слоя), наличие поддержек для печати изделий с навесными или сложными элементами, степень заполнения и другие. В соответствии с настройками разбиения 3D-модели на слои специализированные программные продукты преобразует 3D-модель изделия в управляющую программу в формате GCODE, определяющую траекторию движения печатающей головки по осям X и Y, платформы по оси Z и количество материала необходимого для изготовления каждого слоя. В процессе 3D-печати происходит последовательное наплавление материала. Первый слой наносится на поверхность рабочей платформы, которая покрывается адгезивной пленкой, выполненной из полиэстера, или адгезивным химическим составом. Второй и последующие слои наносятся на первый слой последовательно. Система позиционирования печатающей головки в общем случае выполнена в виде шаговых двигателей, которые посредством ременной передачи приводят в движение печатающую головку, закрепленную на линейных направляющих в плоскости XY. Для перемещения рабочей платформы относительно оси Z используются шаговые двигатели, приводящие в движение шарико-винтовую передачу. Позиционирование кинематической системы передвижения печатающей головки, кинематической системы передвижения рабочей платформы определяется с помощью контроллера в плате управления 3D-принтером. Данный контроллер в процессе 3D-печати осуществляет контроль скорости подачи материала в экструдер и регулирует температуру нагревательного блока для плавления подаваемых материалов. В общем исполнении печатающая головка представляет собой канал для подачи полимерной нити в твердом агрегатном состоянии, проходящий через механизм подачи материала в экструдер (шаговый двигатель с зубчатым шкивом и прижимным роликом), с расположенным на нем радиатора и нагревательного элемента, разделенных термобарьером. Полимерная нить проходит через радиатор и поступает в нагревательный блок, где резко нагревается и переходит в текучее состояние, в этом состоянии расплавленный материал выходит из фильеры и формирует слой детали.
В качестве материала для 3D-печати используется полимерная нить диаметром 1.75 мм, изготовленная из большого количества материалов таких как PSU, PEEK, PEKK, PEI, ABS, HIPS, ASA, ABS/PC, PC, и другие. Все вышеуказанные материалы обладают различными ключевыми свойствами и требованиями к печатающей головке и 3D-принтеру в целом.
Из уровня техники известно решение печатающей головки с одним экструдером, описанное в патенте CN 205553254, в котором используется алюминиевая пластина в качестве термобарьера между нагревательным блоком и радиатором, допускающего передачу тепла между зоной плавления и подачи полимерной нити.
Из уровня техники известно решение печатающей головки с одним экструдером, описанное в патенте US 20170190116, в котором радиатор выполнен в виде цилиндра с охлаждающими ребрами по всей длине и расширенным каналом для подачи расплавленного материала. Предлагаемое решение не позволяет избавиться от заклинивания при использовании материалов с высокой температурой плавления (более 400°) из-за повышенных требований к отводу тепла.
Из уровня техники известно решение печатающей головки с одним экструдером, описанное в патенте WO 2015189661, в котором раскрыт способ увеличения зоны контакта полимерной нити с прижимными роликами.
Из уровня техники известно решение печатающей головки с одним экструдером, описанное в патенте CN 109501260, в котором раскрыт механизм автоматического позиционирования расстояния между соплом и рабочей платформой путем использования пружинного механизма. Предлагаемое в патенте решение не позволяет в полной мере добиться точности позиционирования экструдеров относительно друг друга, а также подпружиненное состояние экструдера может негативно сказываться на равномерности печатаемого слоя вследствие ограничений исполнения в виде пружинного исполнения.
Из уровня техники известно решение печатающей головки с одним экструдером, описанное в патенте CN 110978518, в котором в качестве ограничительного элемента подачи остатков полимерной нити из сопла используется металлическая пластина, закрывающее сопло посредством механического устройства.
Из уровня техники известно решение печатающей головки с одним экструдером, описанное в патенте WO 2020255069, в котором реализована геометрия сопла, обеспечивающая возможность работы при температуре более 400°.
Из уровня техники известно решение печатающей головки с двумя экструдерами, описанными в патентах CN 107599393, CN 211000001, WO 2017058035, RU 174069 U1, RU 194407 U1.
Наиболее близким техническим решением является патент CN 211000001 «DOUBLE-NOZZLE ASSEMBLY AND 3D PRINTER». Данная печатающая головка для 3D-принтера содержит выполненную в едином корпусе подвижную платформу с закрепленными на ней двумя экструдерами. Один экструдер выполнен в неподвижном исполнении, а второй в подвижном, обеспечивая выбор действующего экструдера путем поднятия и опускания подвижного экструдера относительно неподвижного.
Недостатками данной конструкции являются необходимость подбора оптимальных зазоров между экструдерами вручную, что усложняет процесс настройки параметров 3D-печати, в частности при необходимости постоянной смены используемого типа полимерной нити, вследствие чего слои, напечатанные разными экструдерами, могут недостаточно прочно спекаться между собой. В виду того, что фильера крепится при помощи резьбового соединения, частая смена фильер приводит к износу резьбы и негерметичности соединения, что вызывает просачивание расплавленного материала и дефектам на печатающейся детали.
Заявляемая полезная модель решает техническую проблему разработки печатающей головки с двумя экструдерами, оборудованной системой автоматического измерения и настройки разности высоты фильер экструдеров, с исключением резьбовых соединений в креплении фильеры к нагревательному блоку, а также обеспечивающих возможность полимерными материалами с температурой плавления более 500° за счет материала и способа исполнения термобарьера.
Раскрытие сущности полезной модели.
В заявляемой заявке полезной модели реализованы следующие технические решения.
Особенностью заявляемой полезной модели является система автоматического измерения разницы высоты фильер экструдеров, относительно друг друга, обеспечивает положительное влияние на качество и скорость получения печатающейся детали.
Система автоматического измерения разницы высоты фильер экструдеров обеспечивает одинаковую толщину первого слоя двухкомпонентных деталей, напечатанных разными экструдерами, что дает общую повторяемость размеров и адгезию к подложке платформы.
Система автоматического измерения также обеспечивает равномерную спекаемость второго и последующих слоев, напечатанных разными экструдерами, тем самым получаемая прочность двухкомпонентной детали дает лучшие физические свойства материалов, а при печати с использованием растворимых поддерживающих структур обеспечивает необходимый зазор между поддержками и поверхностями детали;
Система автоматического измерения также обеспечивает высокую скорость измерения разницы высоты фильер экструдеров, сокращая общее время печати, максимальное время измерения составляет не более 5 секунд.
Система автоматического измерения также исключает участие оператора в процессе измерения, и как следствие убирает человеческий фактор и возможные погрешности калибровки, повторяемость измерений в предлагаемой системе обеспечивает точность в 0.015 мм.
Особенностью заявляемой полезной модели также является фильера, устанавливаемая в хотэнд, где исключено резьбовое соединение и для фиксации используется стопорное кольцо в верхней (холодной части экструдера), что обеспечивает ремонтопригодность и надежность соединения узлов печатающей головки.
Особенностью заявляемой полезной модели также является фильера, выполняющая функции термобарьера, что позволяет полностью исключить стыки в конструкции экструдера и увеличивает надежность конструкции печатающей головки. Отсутствие стыков позволяет добиться точного контроля подачи материала, прекращение подачи происходит мгновенно ввиду отсутствия полостей внутри канала. Возобновление подачи материала происходит также мгновенно, при этом отсутствуют воздушные пузыри и пропуски на изготовляемой детали, что положительно влияет на внешний вид и прочность.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображена схема печатающей головки с двумя подвижными экструдерами, состоящей из: 1 - каретка оси X, 2 - щелевой оптический датчик, 3 - лапка датчика положения экструдера, 4 - экструдер, 5 - калибровочная площадка (закреплен на платформе, движется относительно оси Z), 6 - линейные подшипники экструдеров.
На фиг. 2 показана схема хотэнда с фильерой, выполняющей функцию термобарьера, состоящий из: 7 - прижимная пружина, 8 - шайба, 9 - стопорное кольцо, 10 - основание хотэнда, 11 - радиатор, 12 - дистанцирующие стойки, 13 - нагревательный блок, 14 - канал, 15 - наконечник.
Осуществление полезной модели
Печатающая головка представляет собой каретку оси X (1), являющуюся основанием печатающей головки, на ней закреплены линейные подшипники экструдеров (6), в свою очередь экструдеры (4) крепятся к линейным подшипникам (6) и приводятся в движение сервоприводом, неактивный экструдер находится в верхнем положении, активный экструдер (4) - в нижнем, подъем неактивного экструдера (4) позволяет исключить налипание излишек материала на уже напечатанные элементы. На основании печатающей головки закреплен щелевой оптический датчик (2), который в свою очередь реагирует на подъем активного экструдера (4), лапка датчика положения экструдера (3) закреплена на каждом экструдере (4) на одинаковой высоте. Алгоритм представляет собой включение первого экструдера (4), автоматическое позиционирование его над калибровочной площадкой (5) и подъем рабочей платформы, на которой в свою очередь жестко закреплена калибровочная площадка (5). Подъем рабочей платформы, а как следствие и активного экструдера (4), осуществляется до момента срабатывания щелевого оптического датчика (2), координата по оси Z в момент срабатывания датчика фиксируется как нулевая. После этого активируется второй экструдер, выполняется позиционирование над калибровочной площадкой (5), подъем рабочей платформы и фиксирование координаты по оси Z. Полученное значение является разницей высоты экструдеров (4), это значение применяется каждый раз при переключении экструдеров, компенсирующее значение применяется к значению по оси Z.
Хотэнд представляет собой  нагревательный блок (14) и основание хотэнда (10) соединенное с радиатором (11), в нагревательный блок установлены дистанцирующие стойки (12), которые обеспечивают разделение нагревательного блока (14) и радиатора (11), на дистанцирующие стойки (12) установлено основание в сборе с радиатором (11). Фильера представляет собой канал (14) с посадкой под запрессовку в нижней части, проточкой в области термобарьера для отсечения температуры от нагревательного блока (14) и канавкой для установки стопорного кольца (9), а также наконечник (15), который в свою очередь запрессован на нижнюю часть канала и зафиксирован с помощью сварки для герметичности соединения. Фильера проходит через сквозной канал нагревательного блока (14) и через сквозной канал радиатора (11) в сборе с основанием. Собранная конструкция фиксируется стопорным кольцом (9), а пружина (7) и шайба (8) стягивают нагревательный блок (14) и радиатор (11) между собой.
Хотя полезная модель была раскрыта в связи с предпочтительным вариантом осуществления, подробно описанным с прилагаемыми чертежами, различные модификации, нововведения или улучшения в нем станут очевидными для специалистов в данной области техники. Соответственно, сущность и объем настоящей полезной модели не ограничиваются вышеизложенным вариантом осуществления, но должны пониматься в самом широком смысле, допустимом законом.