ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА 3D ПРИНТЕРА

Полезная модель относится к области изготовления трехмерных физических объектов послойным нанесением (наслоением) с использованием, в частности полимерных материалов, а точнее к технологиям трехмерной печати объектов расплавленной полимерной нитью (FDM). Заявляемое решение может найти свое применение при изготовлении 3D моделей широкой сферы их последующего использования, в частности, науке, образовании, инженерии, медицине и пр.
Раскрытая в описании настоящего решения технология относится к области 3D печати объектов расплавленной полимерной нитью (FDM), реализуемой, чаще всего, с использованием раздаточной головки, сопел, элементов настройки и контроля за работой головки 3D принтера, а также полимерного строительного (термопластика), в качестве рабочего материала.
Технология FDM-печати заключается в следующем: печатающая головка (или экструдер) с контролируемой температурой разогревает до текучего состояния нить из плавкого материала, и с высокой точностью подает расплавленный материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D-принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие.
Из уровня техники известна технология 3D печати, в частности, из описаний к патентам США: US 5121329, «Stratasys, lnc.», от 09.06.1992 г. - «Способ и устройства создания 3D объектов», US 5340433, «Stratasys, lnc.», от 23.08.1994 г. - «Устройство для создания 3D объектов», US 5738817, «Stratasys, lnc.», от 14.04.1998 г., «Автоматическое дозирование в процессе 3D печати», US 5764521, «Stratasys, lnc.», от 09.06.1998 г. - «Способ и устройство для БП», US 6022207, «Stratasys, lnc.», от 08.02.2000 г. - «Мультиэкструдер». В указанных патентах раскрыты технология и используемые при ее осуществлении устройства (оборудование): построения 3D-объектов по заранее подготовленной модели методом «слой за слоем» путем экструзионного осаждения строительного материала (чаще всего полимерного). При этом строительный материал подается через сопло раздаточной головки и осаждается в виде последовательности дорожек на подложке в XY-плоскости. Затем печатающая головка поднимается относительно подложки по оси Z (перпендикулярной XY-плоскости) на один шаг, и процесс повторяется для формирования 3D-объекта, подобного CAD-модели.
В указанных аналогах для осуществления необходимых технологических операций, связанных с заменой рабочего строительного материала, приходилось отводить головку принтера с экструдером из зоны печати, а также дополнительно нагревать и остужать сопла, что занимало дополнительное время.
Наиболее близким техническим решением является патент РФ №161249 от 10.04.2016 г. - «Печатающая головка струйного 3D принтера». Данная головка 3D принтера содержит выполненную в едином корпусе подвижную платформу (каретку) с размещенными на ней двумя соплами с нагревателями (двумя экструдерами) и механизм переключения сопел, положение которой определяется датчиком положения подвижной платформы и ограничивается позиционным ограничителем. Печатающая головка струйного 3D принтера снабжена клапаном для сопел, выполненным с возможностью прогиба, обеспечивающим запирание одного из сопел и открывание другого при переключении сопел, при этом сопла выполнены с возможностью перемещения относительно клапана, который выполнен неподвижным.
Недостатком данной конструкции являются большие габариты и вес каретки, так как установлены два привода экструдеров. Тяжелая каретка перемещается с большой инерцией, это влияет на качество печати. Большие габариты каретки уменьшают полезную площадь печати. Также эта конструкция имеет высокие материалозатраты и стоимость.
Наша печатающая головка отличается от существующих печатающих головок использованием механического переключения экструдеров и эффективно решила недостатки аналогов.
Технический результат - уменьшение габаритов и веса каретки, повышение точности печати.
Технический результат достигается тем, что печатающая головка 3D принтера содержит выполненную в едином корпусе подвижную платформу с размещенными на ней: шаговый электродвигатель, зубчатый шкив, основание, фланец, направляющую пластину, радиатор, экструдерный узел в сборе, каналы филамента, шкив ременной передачи, вентилятор, пружину, прижимающую ведомый зубчатый шкив к ведущему, направляющую ось, установленную между двумя опорами, ремень и опоры. При этом переход с одного экструдера на другой реализован путем механического переключения рычагом на направляющей пластине, путем упора в выступ на опоре и фиксации пружиной.
Заявленное техническое решение поясняется фиг. 1-5:
на фиг. 1 показан вид сбоку предлагаемой печатающей головки 3D принтера,
на фиг. 2 показана каретка 3D принтера,
на фиг. 3-4 показан процесс смены экструдера,
на фиг. 5 показана вид, показывающий пружину, осуществляющую фиксацию экструдера после его смены.
Конструкция печатающей головки состоит из: 1 - шаговый электродвигатель, 2 - зубчатый шкив, 3 - основание, 4 - фланец, 5 - направляющая пластина, 6 - радиатор, 7 - экструдерный узел в сборе, 8 - каналы филамента, 9 - шкив ременной передачи, 10 - вентилятор, 11 - пружина, прижимающая ведомый зубчатый шкив к ведущему (она имеет вид прямого отрезка пружиной проволоки, вставленного в пазы в радиаторе), 12 - пружина фиксатор (фиксирующая положение экструдера), 13 - ось, 14 - выступ, установленный на каждой опоре, 15 - рычаг направляющей пластины, 16 - филамент, 17 - направляющая ось X, установленная между двумя опорами, 18 - ремень, 19 - опора, 20 - шаговый электродвигатель ременной передачи.
Необходимость использования двух экструдеров появляется в ситуациях, где печать объектов осуществляется двумя цветами или разными материалами. В связи с этим устройство должно подавать поочередно разные пластики. Пластик подается в каналы филамента 8, проходя между двумя зубчатыми шкивами 2, один ведущий и два поочередно ведомых, после попадает в канал с термоблоком, где разогревается до нужной температуры (у разных материалов своя), далее происходит экструзия через сопло. Пластик послойно наплавляется, происходит создание объекта. При этом (в момент печати каждого слоя) шаговый электродвигатель 1, основание 3 и фланец 4 остаются неподвижными, а направляющая пластина 5, радиатор 6, экструдерный узел в сборе 7, каналы филамента 8 и вентилятор 10 в сборе перемещаются посредством шкивов 2 шагового электродвигателя 1.
Момент перехода с одного экструдера на другой реализован путем механического переключения рычагом 15, выполненным на направляющей пластине 5. Подается команда на мотор оси "X", каретка посредством шагового электродвигателя ременной передачи 20 (см. фиг. 3-4) перемещается в крайнее положение до упора рычага 15 в выступ 14 (вправо экструдер 1, влево экструдер 2), происходит переключение.
Печатающая головка выдавливает жидкий материал слой за слоем, перемещаясь свободно как в плоскости слоя, так и по вертикали. Для позиционирования печатающей головки используют декартовую систему координат, согласно которой в конструкции принтера печатающая головка перемещается вдоль трех взаимно перпендикулярных направляющих.