ЭКСТРУДЕР ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОЦВЕТНОГО ТРЕХМЕРНОГО ПЕЧАТНОГО ИЗДЕЛИЯ

Полезная модель относится к области трехмерных печатных изделий, в частности, к экструдерам для получения многоцветных изделий. Разработанная конструкция экструдера позволяет получать изделия с обширной цветовой палитрой, а также может послужить основой для дальнейших разработок в области полноцветной 3D-печати.
Известен экструдер струйного 3D принтера (Патент RU №161249, МПК B41J 2/00, публ. 10.04.2016), содержащий выполненную в едином корпусе подвижную платформу с размещенными на ней двумя соплами с нагревателями и механизм переключения сопел. Положение головки определяется датчиком положения подвижной платформы и ограничивается позиционным ограничителем. Недостатком технического решения является технологически сложная конструкция устройства, что сказывается на надежности устройства в целом,
Известен экструдер струйного 3D принтера (Патент RU №171905, МПК B41J 2/00, публ. 20.06.2017), струйного 3D принтера, включающий основание, на котором закреплен механизм подачи печатающего материала, двигатель, выполненный с возможностью вращения эксцентрика, который приводит в движение единую платформу, клапаны, выполненные с возможностью запирания неактивного экструдера, единую платформу, которая содержит два легкосъемных экструдера с нагревательными элементами, самозапирающийся механизм переключения, выполненный с возможностью позиционирования сопел в рабочем положении, и подпружиненные ролики, выполненные с возможностью прижимания материала к подающему механизму для активного в данный момент экструдера. Недостатком вышеуказанного патента является налипание остатков пластика к пластине самозапирающего механизма, что может привести к проблемам с печатью или артефактам на модели.
На сегодняшний день технология послойного наплавления (FDM технология) является самой популярной технологией 3D печати за счет дешевизны принтеров и расходных материалов. Одним из недостатков данной технологии является отсутствие возможности полноцветной печати.
Из уровня техники известен экструдер для изготовления многоцветного трехмерного печатного изделия, содержащий двигатель, корпус, вал с муфтой, вал смешения, камеру смешения, каналы подаваемого материала, канал дозации, сменное сопло, нагреватель, кронштейн (Заявка US №2017326773, МПК В29С 47/04, В29С 47/88, публ. 16.11.2017), принятый за наиболее близкий аналог (прототип). Недостатком такой конструкции является отсутствие организации какого-либо охлаждения, канал подачи материала (пластика) слишком длинный, что повышает вероятность застраивания материала и усложняет чистку, камера смешения и вал смешения находятся в разных местах, что снижает качество смешивания и низкий градиент между цветами.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемой полезной модели и не может быть реализовано при использовании прототипа, является повышение надежности устройства за счет создания малогабаритной камеры смешения, размещения вала смешения в камере смешения, организации водяного охлаждения, создание экструдера компактной конструкции.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности устройства за счет создания малогабаритной камеры смешения, размещения вала смешения в камере смешения, организации водяного охлаждения, создание экструдера компактной конструкции.
Техническая проблема решается тем, что в экструдере для изготовления многоцветного трехмерного печатного изделия, содержащем двигатель, корпус, вал с муфтой, вал смешения, камеру смешения, каналы подаваемого материала, канал дозации, сменное сопло, нагреватель, кронштейн, согласно полезной модели, дополнительно камера смешения выполнена малогабаритной, вал смешения расположен в малогабаритной камере смешения, дополнительно содержатся водяные радиаторы для охлаждения каналов подачи материала, при этом радиаторы установлены в корпусе, а также над двигателем установлен контур для распределения воды между радиаторами, сменное сопло выполнено с обеспечением разделения камеры смешения и канала дозации.
Кроме того, согласно полезной модели, в качестве двигателя использован шаговый двигатель.
Кроме того, согласно полезной модели, в качестве нагревателя использован кольцевой нагреватель.
В предлагаемой полезной модели, в отличии от прототипа, дополнительно камера смешения выполнена малогабаритной, вал смешения расположен в малогабаритной камере смешения, дополнительно содержатся водяные радиаторы для охлаждения каналов подачи материала, при этом радиаторы установлены в корпусе, а также над двигателем установлен контур для распределения воды между радиаторами, сменное сопло выполнено с обеспечением разделения камеры смешения и канала дозации, что обеспечивает повышение надежности устройства за счет создания малогабаритной камеры смешения, размещения вала смешения в камере смешения, организации водяного охлаждения, создание экструдера компактной конструкции. Кроме того, в качестве двигателя использован шаговый двигатель, что позволяет повысить надежность всего устройства из-за длительного срока эксплуатации этого двигателя, он не сгорает при нагрузке, превышающей максимальный вращающий момент двигателя.
Кроме того, использование кольцевого нагревателя позволяет повысить качество нагрева.
На Фиг. 1 представлен общий вид экструдера.
На Фиг. 2 представлен общий вид А сбоку.
На Фиг. 3 представлен вид сбоку на сопло и водяные радиаторы.
На Фиг. 4 представлен вид сбоку на водяные радиаторы с продольным разрезом радиатора и корпуса.
На Фиг. 5 представлен вид сечения В-В с расположением отверстий под установку нагревателя и терморезистора в корпус.
На Фиг. 6 представлен общий вид водяных радиаторов с соплом (перевернут), Фиг. 7 - общий вид сверху водяного контура, Фиг. 8 - кольцевой нагреватель, Фиг. 9 - корпус элементов системы охлаждения (без позиций).
На Фиг. 10 представлен FDM 3D принтер, Фиг. 11 - модель системы подачи пластика, Фиг. 12 - изготовленная система подачи пластика, Фиг. 13 - финальная сборка и монтаж оборудования с экструдером (без позиций).
Устройство реализовано следующим образом.
Экструдер (без позиции) (Фиг. 1 - Фиг. 5) содержит двигатель 1, корпус 2, вал с муфтой 3, вал смешения 4, камеру смешения 5, каналы подаваемого материала 6, канал дозации 7, сменное сопло 8 для дозации материала, кольцевой нагреватель 24. В качестве двигателя используется шаговый двигатель, например, Nema 11. Шаговый двигатель используется для привода вала 3 с помощью гибкой муфты (позиция заодно с валом). В качестве нагревателя используется кольцевой нагреватель 24, который крепится к корпусу 2 соплом 8. Кронштейн 10 используется для крепления экструдера к 3D принтеру. Камера смешения 5 выполнена малогабаритной, вал смешения 4 расположен в малогабаритной камере смешения 5, при этом уменьшаются габариты всего устройства, повышается качество смешивания и обеспечивается высокий градиент перехода цвета к цвету. Дополнительно содержатся водяные радиаторы 11 для охлаждения каналов подачи 6 материала, при этом водяные радиаторы 11 установлены в корпусе 2. Использование в устройстве водяных радиаторов 11 позволяет реализовать водяное охлаждения каналов подачи материала. При этом над двигателем 1 установлен контур для распределения воды 12 между радиаторами 11. Крепление трубок 15, 16 к контуру 12 показано без указания позиций. Сменное сопло 8 выполнено с обеспечением разделения 13 камеры смешения 5 и канала дозации 7, что обеспечивает простоту чистки каналов, при эксплаутации. Фитинги 14 установлены на водяные радиаторы 11. Фитинг 14 (пневмофитинг) необходим для подачи термопластичного полимера в экструдер по схеме «bowden». На фитинг 14 устанавливаются трубки подвода (не показаны) материала, на водяные радиаторы 11 устанавливаются трубки подвода 15 и трубки отвода 16 воды. Водяной радиатор 11 содержит наружный корпус 17, внутренний корпус 18, ребра охлаждения 19 для улучшения охлаждения, термобарьер 20 для предотвращения нагрева материала пластика вне камеры смешения 5. В качестве охлаждающей жидкости выбрана вода. Терморезистор устанавливается в отв. 9 и фиксируется установочным винтом в отв. 21, предусмотрены крепежные отверстия 22 под крепление винтами 23 сменного сопла 8 к корпусу 2.
В конструкции экструдера применена замкнутая системой охлаждения состоящая из: помпы (на Фиг. 9 без позиции) контур распределения воды (на Фиг. 7 без позиции), радиаторов охлаждения подводимого материала, трубок, радиатора охлаждения воды (на Фиг. 9 без позиции). Для распределения воды между водяными радиаторами 11 предусмотрен общий водяной контур 12 (Фиг. 7). Он выполнен цельным и имеет один вход и один выход (на Фиг. 1 без позиции) для общего подвода воды и 5 каналов входа и 5 каналов выхода, по одному каждого вида на каждый радиатор подвода материала. Внутри его лабиринт (не показан), разделяющий контур подвода и отвода воды. Данное конструкторское решение определено тем, что вода обладает значительной теплоемкостью и теплопроводностью по сравнению с воздухом и может снять больше тепла по сравнению с воздухом при схожих площадях поверхностей радиаторов. Вышеприведенные преимущества водного теплоносителя позволили уменьшить габаритные размеры экструдера. Для обеспечения прокачки жидкости и последующей ее охлаждения применены помпа с расширительным баком и радиатор с активной системой обдува (не показано). Для установки помпы с расширительным баком и радиатора, был разработан и изготовлен общий корпус (на Фиг. 9 без позиции), обеспечивающий простое крепление элементов системы охлаждения.
Было произведено интегрирование экструдера на стандартный FDM 3D принтер. За основу был взят принтер «TEVO Black Widow», выбор данного принтера обусловлен тем, что он выполнен по открытой схеме, имеет жесткую раму и подвижный стол (Фиг. 10). Наличие подвижного стола уменьшает перемещения экструдера и снижает нагрузки на экструдер. Для подачи термопластичного полимера в экструдер была разработано и изготовлено устройство подачи (Фиг. 11, Фиг. 12).
После проведении экспериментальных исследований была разработана конструкторская документация и изготовлен экструдер. После изготовления всех элементов конструкции и экструдера был выполнен их монтаж, представлена финальная сборка (Фиг. 13). Разработанная конструкция позволяет получать изделия с обширной цветовой палитрой, а также может послужить основой для дальнейших разработок в области полноцветной 3D-печати.
Таким образом, выполнение предлагаемой полезной модели с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, за счет создания малогабаритной камеры смешения и упрощения конструкции, размещения вала смешения в камере смешения, организации водяного охлаждения и создания экструдера компактной конструкции позволяет повысить в целом надежность экструдера.