ПЕЧАТАЮЩИЙ БЛОК 3D-ПРИНТЕРА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области аддитивных технологий и может быть использована в 3D-принтерах для применения в авиационной, ракетно-космической технике, медицине, автомобилестроении и других отраслях промышленности.
Уровень техники
На данный момент для печати моделей струйным методом используются дорогостоящие печатающие головки, данная технология носит название MultiJet Printing (MJP). С использованием данной технологии работают принтеры типа S-Max, PolyJet. Суть данной технологии заключается в избирательном нанесении материала с помощью печатающей головки. Данный способ производителен и точен. Точность получаемых моделей соответствует разрешению печатающей головки. В один проход запечатывается полоса, равная ширине печати головки со скоростью до 150 мм/с. Недостатком данного способа является ограниченный спектр используемых материалов. Материал для печати должен подходить для использования в данной головке по множеству параметров. Важнейшими являются вязкость жидкости, отсутствие различных включений, также материал, используемый для печати, не должен быть слишком агрессивным, чтобы не вывести печатающую головку из строя. Еще одним из недостатков является дороговизна самих печатающих головок и рабочего материала.
Еще один метод струйной 3D-печати - это выдавливание расплавленного пластика через сопло, данная технология носит название Fused Filament. Данная технология используется в принтерах RepRap и т.д. Преимущества данной технологии заключаются в дешевизне, так как в качестве рабочего материала используется пластиковая нить и простота печатающего узла, который состоит из нагревательного элемента, подающего механизма и сопла.
Недостаток данного способа в низкой скорости печати, материал выдавливается только через одно сопло, также скорость нанесения материала ограничена скоростью подачи рабочего материала, так как пластиковую нить необходимо предварительно расплавить.
Из уровня техники известна система аддитивного изготовления трехмерного объекта (см. WO 2012143923, МПК В29С 67/00, опубл. 26.10.2012), содержащая первую дозирующую головку, выполненную с возможностью растрового сканирования и выдачи первой композиции строительного материала, вторую дозирующую головку, выполненную с возможностью векторного сканирования и выдачи второй композиции строительного материала, а также контроллер для управления первой и второй головками. Данный метод 3D-печати предназначен в первую очередь для печати электронных плат путем нанесения токопроводящих чернил на поверхность диэлектрического материала. Принцип нанесения чернил заключается в том, что подача материала осуществляется путем избирательного осаждения капель материала через пьезоэлектрическую головку. Данный метод не отличается от струйной печати, единственная разница в том, что для печати конкретным материалом используется отдельная печатающая головка. Метод печати с помощью пьезоэлектрического принципа чувствителен к используемым жидкостям для печати и возможность использования широкой номенклатуры рабочего материала ограничена. В предлагаемой нами печатающей головке диапазон используемых материалов значительно увеличен, в частности возможна печать фурановыми смолами и более вязкими жидкостями. Метод пьезоэлектрической печати использует сложные и дорогие в конструкции печатающие головки, которые требуют особых условий работы и регулярного обслуживания. Наша печатающая головка имеет меньшую стоимость, не требует использования дорогостоящего обслуживания, легко ремонтируется.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является способ 3D-печати (см. заявка CN 106493939, МПК В29С 64/122, опубл. 22.12.2016), заключающийся в нанесении первого слоя распылительной головкой с последующим нанесением периферийного слоя при помощи периферийной головки. Данный метод печати использует два принципа печати, совмещенные в одном 3D-принтере. Вначале наносится материал по принципу FDM печати, наносится расплавленный пластик. Затем с помощью струйных распылительных головок наносится жидкий материал. Данный метод реализует мультипечать, т.е. печать различными материалами. Предложенный нами печатающий блок печатает одним материалом, однако для повышения точности и скорости печати используются два вида печатающих устройств, контурная головка и заливочный узел. Контурная головка реализует векторную печать границы изделия, а заливочный узел заполняет внутреннее пространство сечения модели рабочим материалом с меньшей точностью, но с более высокой скоростью. Однако точность печати получаемых изделий определяется контурной головкой. По сути предложенный нами печатающий блок и выбранный прототип реализуют различные методы печати. Метод печати по прототипу реализует метод мультипечати, предложенный нами печатающий блок направлен на печать одним материалом без использования струйных печатающих головок.
В прототипе отсутствуют распылительные головки, которые способны заливать сечение модели с высокой скоростью, таким образом, предложенный нами метод позволяет печатать значительно быстрее без ухудшения качества.
Сущность полезной модели
Задачей полезной модели является замена промышленной печатающей головки на печатающий узел для печати 3D-моделей струйным методом.
Техническим результатом является повышение скорости печати.
Технический результат достигается за счет печатающего блока 3D-принтера, содержащего печатающую головку, насос и емкость для хранения рабочего материала, которые соединены между собой посредством шлангов, причем на выходе насоса установлен перепускной клапан, соединенный шлангом с емкостью для хранения рабочего материала, при этом печатающая головка содержит контурную головку и печатающий узел, расположенные на одной оси.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схема печатающего блока.
Фиг. 2 - общий вид печатающего блока на 3D-принтере.
Фиг. 3 - вид сверху. Нанесение границы модели контурным соплом.
Фиг. 4 - вид сбоку. Фронт распыла из печатающего узла.
Фиг. 5 - схема заливки контура печатающим узлом. Вид сверху.
На чертежах обозначены следующие позиции:
1 - контурная головка; 2 - печатающий узел; 3 - система шлангов; 4 - насос; 5 - перепускной клапан; 6 - емкость для хранения рабочего материала; 7 - фронт распыла сопел печатающего узла; 8 - запечатанная область после первого прохода печатающего узла; 9 - второй проход печатающего узла; 10 – контур, сформированный контурным соплом.
Осуществление полезной модели
Основная техническая задача состоит в замене промышленной печатающей головки на печатающий узел. Замена вызвана определенными недостатками, описанными в недостатках аналогов. Данное техническое решение позволяет осуществлять 3D-печать струйным методом без использования промышленных печатающих головок с повышенной скоростью и качеством печати, а также позволяет расширить спектр применяемых для печати материалов.
На Фиг. 1 представлена схема печатающего блока. В конструкции печатающего блока используется насос (4) для подачи рабочего материала из емкости (6) для хранения рабочего материала к соплам струйной печатающей головки. Насос (4) создает необходимое (заданное) давление в системе. Перепускной клапан (5) установлен на выходе насоса (4) и служит для слива рабочего материала обратно в емкость (6), если давление превышает заданную границу. В качестве рабочего материала может быть использована фурановая, фотополимерная или эпоксидная смола. На выходе насоса (4) за перепускным клапаном (5) установлена струйная печатающая головка, которая содержит контурную головку (1) и печатающий узел (2), расположенные на одной оси. Все элементы печатающего блока соединены между собой шлангами (3), по которым подается рабочий материал от емкости (6) через насос (4) к печатающему узлу (2) и контурной головке (1). Печатающий узел (2) состоит из ряда электромагнитных клапанов с установленными на них соплами, которые позволяют заливать рабочее поле не точечно, а на большей площади. Контурная головка (1) представляет собой электромагнитный клапан с установленным на нем соплом, однако в отличие от печатающего узла на нее устанавливается узконаправленное сопло. Контурная головка (1) осуществляет подачу рабочего материала через одно сопло и предназначена для «отрисовки» границы модели заданной толщины. Управление печатающим узлом (2) и контурной головкой (1) осуществляется с помощью микроконтроллера. Печатающий блок в отличие от контурного сопла позволяет заливать рабочее поле не точечно, а на большей площади.
Печатающий блок работает следующим образом.
В начале, контурная головка (1) наносит рабочий материал по контуру сечения изготавливаемой модели, в зависимости от настроек печати можно выбрать толщину контура (на фиг. 3 изображено нанесение границы модели контурным соплом.). Толщина контура зависит от разрешения сопла контурной головки (1). После построения границы печатаемой модели, печатающий узел (2) проходит над поверхностью рабочего стола и заливает незакрашенные области модели (на фиг. 4 и фиг. 5 представлен факел распыла печатающим узлом и схема закраски контура модели). Предварительное нанесение контура модели необходимо, так как печатающий узел состоит из ряда сопел и обладает низким разрешением печати. Используя непосредственно печатающий узел (2) невозможно напечатать точное сечение модели. Таким образом, печать состоит из двух этапов: 1 - построение границы сечения с помощью контурного сопла; 2 - заливка внутреннего пространства модели с помощью печатающего узла. Контур формируется для каждого нового слоя в соответствии с текущим сечением.
Печатающий узел (2) и контурная головка (1) расположены на подвижной портальной балке и могут перемещаться по двум координатам X и Y.
Печать модели осуществляется с помощью печатающего узла, имеющего иной принцип работы, чем традиционные печатающие головки.
Печать осуществляется следующим образом.
Рабочая жидкость подается насосом к печатающему узлу и контурной головке по системе трубопроводов (шлангов). Для создания необходимого для работы давления в системе предусмотрен перепускной клапан, который сбрасывает часть рабочей жидкости обратно в емкость хранения рабочего материала при превышении давления. Сам процесс печати состоит из двух этапов.
1. Контурным соплом наносится рабочая жидкость по контуру сечения модели.
2. Печатающий блок заливает внутреннее пространство построенного контура на первом этапе печати.
Таким образом, слой за слоем печатаются все сечения модели.
Все признаки формулы полезной модели является неотъемлемой частью печатающего блока, которые направлены на достижение поставленной задачи и технического результата.