ЭКСТРУДЕР СТРОИТЕЛЬНОГО ПРИНТЕРА

Область техники, к которой относится решение
Решение относится к области аддитивного производства, в частности к экструдеру строительного принтера.
Уровень техники
Известно устройство трехмерной печати (KR 20160068565 A, опубл. 15.06.2016), в котором обеспечена возможность изменения свойств подаваемой из экструдера смеси. В известном решении, чтобы легко создать трехмерную структуру из бетона или пластика с помощью одного устройства в соответствии с требованиями тепловых свойств и механической прочности, предусмотрена часть бункера, в которой хранится материал, и подвижная часть для перемещения части насадки, причем часть бункера включает в себя первую часть бункера для хранения пластикового материала и вторую часть бункера для хранения бетонного материала. Блок насадки обеспечивает устройство трехмерной печати, имеющее структуру, в которой материал смешивается, образуя бетонную конструкцию или пластиковую конструкцию.
Однако в данном решении не раскрывается детально конструкции блока выдачи.
Известно, выбранное в качестве прототипа, печатающее средство, содержащее перестраиваемое сопло для нанесения материала (US 20190091929 A1, опубл. 28.03.2019). В US 20190091929 A1 раскрывается экструдер для нанесения материала, который включает корпус экструдера, включающий систему привода экструдера и определяющую ось корпуса, и сопло экструдера. Сопло экструдера включает наконечник сопла, определяющий выходное отверстие, реконфигурируемый рычаг, определяющий путь материала, сообщающийся по текучей среде с выходным отверстием, реконфигурируемый рычаг, включающий проксимальный конец, соединенный с корпусом экструдера и коаксиальный с осью корпуса, и дальний конец, соединенный с наконечником сопла, и множество исполнительных механизмов, оперативно связанных с реконфигурируемым рычагом и сконфигурированных для перемещения реконфигурируемого рычага между начальной конфигурацией, в которой дистальный конец реконфигурируемого рычага находится соосно с осью корпуса, в смещенную конфигурацию. В смещенной конфигурации дистальный конец реконфигурируемого плеча является по меньшей мере одним из смещенных от оси тела и ориентированных под углом относительно оси тела.
Однако в данном решении не раскрывается, что сопло может вращаться вокруг своей оси, что выход сопла выполнен в виде продолговатого отверстия.
Раскрытие полезной модели
В одном аспекте полезной модели раскрыт экструдер строительного принтера, содержащий соединенные блок приготовления смеси и блок выдачи смеси, характеризующийся тем, что блок выдачи смеси содержит блок перемещения, выполненный в виде цилиндрического корпуса; установленный в блоке перемещения шнек, выполненный с возможностью вращения; сопло, присоединенное к блоку перемещения, причем выход сопла выполнен в виде продолговатого отверстия, сопло выполнено с возможностью вращения вокруг своей оси.
В дополнительных аспектах раскрыто, что выход сопла выполнен в виде овального отверстия; выход сопла выполнен в виде скругленного прямоугольного отверстия; выход сопла выполнен в виде щели; сопло присоединено к блоку перемещения с помощью углового патрубка круглого сечения; содержится привод для вращения сопла и привод для вращения шнека; сопло соединено c блоком перемещения под углом от 90 до 135 градусов.
Основной задачей решаемой заявленным решением является обеспечение возможности выдачи смеси с разной шириной, возможности печатания угловых элементов без поворота всего экструдера.
Сущность решения заключается в том, что предложенный экструдер содержит блок выдачи экструдера с соплом, выход которого представляет собой продолговатое отверстие. Сопло может вращаться вокруг своей оси и тем самым регулировать ширину выдаваемой смеси.
Технический результат, достигаемый решением, заключается в обеспечении возможности выдачи строительной смеси разной ширины и в возможности печатания угловых элементов без поворота всего экструдера.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. показывает структурную схему экструдера.
Фиг. 2 схематично показывает конструкцию экструдера.
Осуществление полезной модели
Известные экструдеры, как правило, представляют собой содержащую бетон емкость с дозирующим устройством, такое техническое решение обеспечивает возможность выдачи только заранее приготовленного бетона неизменного состава. Существует ряд решений, в которых в экструдер подается сухая смесь и необходимые жидкости, и смешивание происходит непосредственно в экструдере, однако качество такого смешивания является крайне низким из-за того, что и средства подачи компонентов раствора (бетона), и средства смешивания находятся на одном валу, в одном корпусе.
Обычно при возведении построек с помощью строительного 3D-принтера необходимо заранее готовить большой объем смеси, где-то его хранить и постепенно закачивать в упомянутый принтер. При такой реализации непредвиденные простои приводят к порче заранее приготовленного бетона (раствора), требуется дополнительное оборудование для приготовления бетона (раствора).
Для достижения наилучших результатов необходимо использовать смеси с разными составами (разными свойствами) на разных участках постройки. Несущие стены необходимо изготавливать из смеси, обеспечивающей большую несущую способность, межкомнатные перегородки могут быть изготовлены из смеси с меньшей несущей способностью (другого состава), участки над проемами должны обладать повышенной прочностью и т.д.
Поскольку невозможно держать на строительной площадке множество контейнеров с бетоном/раствором с разными составами и постоянно переключать подачу с одного контейнера на другой, то актуальной становится задача создания экструдера, который может самостоятельно готовить строительную смесь с требуемыми свойствами.
Предложенный экструдер, показанный на фиг. 1, состоит из отдельного блока 101 приготовления смеси и отдельного блока 102 выдачи смеси, каждый из блоков имеет свои особенности, влияющие на возможность создания смеси с требуемыми свойствами.
Блок 101 приготовления смеси представляет собой цилиндрическую емкость, содержащую входы для подачи всех необходимых компонентов: цементосодержащую смесь (или ее аналога) от блока 103 подачи сухого компонента, воды от блока 104 подачи воды, добавок от блока 105 подачи добавок. Добавки (присадки) используются для модификации свойств получаемой смеси.
Блок 102 выдачи смеси представляет собой блок перемещения смеси, соединенный с соплом 106 (фиг. 2). Блок перемещения смеси выполнен в виде цилиндрического корпуса, содержащего шнек для перемещения строительной смеси. Шнек приводится в движение приводом блока перемещения смеси. Сопло 106 представляет собой металлическую трубу, один конец которой (вход) выполнен круглым для совмещения с блоком перемещения смеси, другой конец (выход) выполнен продолговатым. Через круглый конец сопло 106 соединено с блоком 102 (при необходимости используется угловой патрубок). Сопло 106 выполнено с возможностью вращения относительно своей оси, для этого используется привод сопла 106. Поворот сопла 106 широкой стороной выхода поперек направления перемещения экструдера обеспечивает возможность печатания стен максимальной ширины, а поворот вдоль направления перемещения экструдера - с минимальной шириной.
Также такая конструкция позволяет осуществлять смену направления при печати посредством поворота только сопла 106, а не всего экструдера. Такой проблемы нет у экструдеров с круглым отверстием сопла 106, однако они не могут менять ширину печатаемой стены.
Подача всех компонентов осуществляется через управление соответствующими средствами: подача цементосодержащей смеси управляется через задание частоты вращения шнека с известными параметрами, подача воды осуществляется через управление клапаном подачи воды (с контролем показаний расходомера), подача добавки или добавок осуществляется через управление клапаном/клапанами подачи добавки/добавок (с контролем показаний расходомера/расходомеров). Добавки служат для обеспечения необходимых характеристик раствора.
Отдельные блоки управления не показаны на фиг. 1, их реализация является стандартной, и специалист в данной области техники сможет их реализовать без приложения творческих усилий.
Состав компонентов для подачи в блок 101 приготовления смеси определяет свойства получающегося на выходе продукта. Однако эти свойства будут достигнуты лишь в случае качественного смешения (обеспечения равномерности состава по объему смеси). Для этой цели блок 101 приготовления смеси, представляющий собой цилиндрическую емкость, содержит привод для вращения вала с установленными на нем лопатками. При вращении вала с лопатками, происходит перемешивание компонентов смеси для обеспечения однородности состава.
Экструдер работает непрерывно, поэтому подача цементосодержащей смеси в форме сухого порошка, подача воды, подача жидких (предпочтительно) добавок происходит непрерывно. Подача цементосодержащей смеси осуществляется шнеком, то есть масса цементосодержащей смеси непрерывно продвигается в сторону блока 101 приготовления смеси, аналогично непрерывно с заданным расходом подаются вода и добавка/добавки. В блоке 101 происходит непрерывное перемешивание поступающей смеси компонентов, причем процесс перемешивания продвигает приготавливаемую смесь на выход блока 101 с небольшой интенсивностью, чтобы обеспечить возможность качественного перемешивания смеси. За счет отдельного управления скоростью вращения шнека подачи цементосодержащей смеси и скоростью вращения вала с лопатками удается достичь качественного смешивания смеси.
Выход блока 101 приготовления смеси соединен с входом блока 102 выдачи смеси, который также представляет собой цилиндрическую емкость с установленным шнеком, который перемещает приготовленную смесь в сторону сопла и выдает ее через упомянутое сопло. Причем шнек блока 102 управляется своим приводом, что обеспечивает возможность дозирования приготовленной смеси с заданной скоростью.
Экструдер может управляться вручную, в таком случае оператор сам управляет подачей компонентов смеси, имея информацию о том, какую часть строения печатает строительный принтер, но предпочтительно, чтобы этим процессом управляла специально предназначенная для этого схема. Схема может быть реализована на базе интегральной схемы специального назначения, контроллера или процессора. Схема задает режим подачи компонентов смеси (управляя блоками 103-105), режим смешивания (управляя приводом шнека блока 101), режим выдачи (управляя приводом шнека блока 102).
Конкретное программное обеспечение не раскрывается здесь подробно, так как не относится к сущности заявляемого устройства.
Приводы могут представлять собой сервоприводы, шаговые двигатели, электродвигатели или любые иные подходящие средства.
Блок 103 подачи сухого компонента представляет собой цилиндрическую емкость со шнеком, на вход которой подается порошок цементосодержащей смеси. Блок 103 содержит привод для приведения шнека во вращение. Средства передачи усилия от привода к оси шнека не раскрываются здесь подробно, так как не относятся к сущности решения. Эти средства могут быть реализованы в виде ременной передачи или зубчатой передачи.
Блок 104 подачи воды представляет собой управляемый клапан с расходомером. На вход блока 104 поступает вода, с помощью электронного клапана и под контролем расходомера блок 104 подает требуемое количество воды в блок 101 приготовления смеси. Предпочтительно подача осуществляется с использованием форсунок, чтобы улучшить качество получаемой смеси.
Блок 105 подачи добавок представляет собой управляемый клапан с расходомером или несколько управляемых клапанов с расходомерами. На вход (входы) блока 105 поступает вода, с помощью электронного клапана и под контролем расходомера блок 104 подает требуемое количество воды в блок 101 приготовления смеси. Предпочтительно подача осуществляется с использованием форсунок, чтобы улучшить качество получаемой смеси.
Для обеспечения возможности промывки экструдера после окончания работы в блоке 103 предусмотрена заслонка, которая блокирует подачу цементосодержащей смеси. После того как цементосодержащая смесь полностью удаляется из блока 103, включается подача воды для промывки, экструдер полностью промывается от остатков цементосодержащей смеси и высушивается, предпочтительно посредством подачи потока воздуха. Средства подачи воды для промывки и средства подачи потока воздуха не показаны на чертежах, так как их реализация не относится к сущности решения и не сопряжена с творческими усилиями.
Описание работы устройства
Строительный принтер содержит средство перемещения экструдера, которое может представлять собой портальную конструкцию; конструкцию, содержащую тросы и приводы; поворотную конструкцию со стрелой или иную подходящую конструкцию.
К средству перемещения крепится экструдер, к нему подключаются шланги для подачи воды, добавок, цементосодержащей смеси; провода для подачи управляющих электрических сигналов.
Под действием управляющих сигналов от блока управления экструдер выдает подготовленную им строительную смесь, слой за слоем формируя постройку. При этом управление перемещением экструдера и подготовкой, выдачей смеси осуществляется удаленным блоком управления, работа которого не относится к сущности заявляемого решения.
Под действием сигналов  блока управления сопло 106 принимает необходимое положение для печати стен с требуемой шириной. Например, внешние или несущие стены могут быть напечатаны максимально возможной шириной, а внутренние стены могут быть напечатаны шириной в два или три раза меньше. Причем стена любой ширины будет распечатана за один проход.
Вариант 1 осуществления
В данном варианте осуществления заявляется система для создания построек, содержащая экструдер, средство перемещения экструдера, блок управления средством перемещения экструдера и экструдером.
Средство перемещения (предпочтительно портал) монтируется на участке, на котором планируется возводить постройку. Портал служит для перемещения экструдера по траектории, определяемой планом постройки (предварительно загруженным в блок управления). По мере перемещения экструдер по сигналам от блока управления выдает смесь (бетон или раствор) для послойного формирования постройки.
В заявляемой системе в экструдер непрерывно подается сухой порошок (цементосодержащая смесь), вода и присадки, управление подачей компонентов осуществляется с помощью блока управления, который управляет также:
шнеком подачи цементосодержащей смеси (регулирует скорость его вращения) с помощью первого привода, чтобы обеспечить заданное количество цементосодержащей смеси на входе блока 101 приготовления смеси;
клапаном линии подачи воды, чтобы обеспечить заданное количество воды на входе блока 101 приготовления смеси (с контролем работы на основании показаний расходомера). Подача предпочтительно осуществляется с помощью форсунок, которые еще на входе блока 101 приготовления смеси обеспечивают повышенную равномерность распределения воды в объеме цементосодержащей смеси;
клапаном линии подачи добавок, чтобы обеспечить заданное количество добавок на входе блока 101 приготовления смеси (с контролем работы на основании показаний расходомера). Подача предпочтительно осуществляется с помощью форсунок, которые еще на входе блока 101 приготовления смеси обеспечивают повышенную равномерность распределения добавки в объеме цементосодержащей смеси;
процессом приготовления смеси, управляя интенсивностью перемешивания смеси с помощью второго привода;
шнеком выдачи готовой смеси, управляя третьим приводом.
Функциональные линии связи между блоком управления и исполнительными блоками предпочтительно являются проводными, однако возможен вариант и с беспроводными линиями связи.
В заявленном решении предполагается, что на вход экструдера всегда подается поток цементосодержащей смеси с помощью внешнего насоса, который перекачивает цементосодержащую смесь из внешнего контейнера; на вход линии подачи воды всегда подается поток воды с помощью внешнего насоса, который перекачивает воду из внешнего источника, или благодаря подключению к централизованному водоснабжению; на вход линии подачи добавок всегда подается достаточное количество добавок с помощью насоса и емкости с присадками.
Возможны варианты с множеством входов для ввода разных добавок, в таком случае используется множество управляемых клапанов, множество расходомеров и обеспечивается подача добавок на входы блоков ввода добавок с помощью насосов.
Блок управления управляет экструдером и средством перемещения, чтобы обеспечить выдачу смеси в заданных точках пространства. Управляющий блок может быть реализован на основе ПК, ноутбука, специализированной интегральной схемы, пульта управления.
Состав приготавливаемой смеси определяется участком постройки, который печатается в данный момент или будет распечатан через некоторое время (задержка связана с тем, что от момента начала приготовления смеси, до ее выдачи проходит некоторое время, которое может быть определено на практике или оценено теоретически).
Когда определяется, что печатается внешняя стена постройки, в экструдер подается первый состав компонентов (цементосодержащая смесь, вода, добавки), этот набор смешивается, выходная смесь наносится. Когда определяется, что через, например, 10 секунд необходимо будет печатать внутреннюю стену, блок управления экструдером подает команды на шнек подачи цементосодержащей смеси, клапан подачи воды и клапана подачи добавок для обеспечения второго состава смеси на выходе. При необходимости подаются сигналы на блок 101 приготовления смеси, чтобы обеспечить, например, более интенсивное перемешивание, если того требует состав смеси. Через 10 секунд на выход экструдера поступает смесь иного состава и начинается процесс печати внутренней стены.
Предпочтительно, чтобы еще на этапе проектирования были заданы составы смеси, применяемые на разных участках постройки. В другом варианте эти параметры задаются перед началом печати постройки инженером, который назначает конкретным участкам конкретные составы смесей.
Вариант 2 осуществления
Этот вариант характеризуется тем, что блок 101 приготовления смеси представляет собой цилиндрическую емкость, в которой вращается ось с закрепленными лопатками, часть лопаток может не вращаться или быть закрепленной на стенках емкости, что обеспечивает лучшее перемешивание. Угол наклона лопаток к оси выбирается таким, чтобы обеспечить небольшое продвижение смеси от входа к выходу. Благодаря силе тяжести и вращению лопаток смесь не только перемешивается, но и движется к выходу.
Предпочтительно блок 101 приготовления смеси имеет переменный диаметр: имеет расширение в центральной части. Такое решение обеспечивает возможность лучшего перемешивания смеси.
Вариант 3 осуществления
Этот вариант характеризуется тем, что блок 102 выдачи образован цилиндрическим корпусом и соплом 106, присоединенным к нему, причем сопло 106 расположено под углом от 90 до 135 градусов к корпусу и направлено по существу вертикально. Кроме того, сопло 106 выполнено с возможностью вращения вокруг своей оси. Благодаря тому, что выходное отверстие сопла 106 имеет вытянутую форму, то есть его максимальная длина больше его максимальной ширины (примерами без исключения служат прямоугольник, овал, скругленный прямоугольник, но могут использоваться и более сложные формы отверстий), обеспечивается возможность задавать ширину печатаемой стены. При расположении отверстия сопла 106 широкой стороной поперек направления печатания обеспечивается максимальная ширина стены, при повороте на 60 градусов относительно упомянутого выше расположения обеспечивается ширина в два раза меньше. Кроме того, возможность поворота сопла 106 обеспечивает возможность печатать стены, расположенные под углом друг к другу. Для этого не нужно поворачивать весь экструдер, что упрощает печать сложных построек.
Расположение корпуса под значительным углом к вертикали обеспечивает лучшую управляемость подачи смеси, так как на нее в меньшей степени действует сила тяжести, если смесь достаточно жидкая, то она в меньшей степени вытекает из блока 102 самотеком, что повышает качество печати экструдера.
Вариант 4 осуществления
Возможна реализация экструдера (фиг.2), в которой блок 101 и блок 105 расположены на вертикальной оси, однако предпочтительна реализация, в которой блок 101 и 105 расположены на одной оси, которая наклонена к вертикали на угол от 30 до 60 градусов, такое расположение приводит к лучшему перемешиванию смеси в блоке 101, так как смесь с меньшей скоростью движется по блоку 101 из-за силы тяжести и лучше перемешивается лопатками блока 101.
При таком исполнении блок 102 выдачи смеси располагают под углом от 90 до 135 градусов к вертикали (от 0 до 45 градусов к горизонтали), такое решение также уменьшает движение смеси в результате действия силы тяжести и делает выдачу более управляемой. Сопло 106, установленное на выходе блока 102 в вертикальном направлении, задает форму выдаваемого потока смеси. Также такая компоновка блоков уменьшает габариты экструдера.
Примерный вариант осуществления описанной выше конструкции показан на фиг. 2, где обозначения 101, 102, 105 соответствуют тем же блокам на фиг. 1, а блок 106 - сопло.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления решения, не выходящие за пределы сущности и объема данного решения.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Способы, раскрытые здесь, содержат один или несколько этапов или действий для достижения описанного способа. Этапы и/или действия способа могут заменять друг друга, не выходя за пределы объема формулы решения. Другими словами, если не определен конкретный порядок этапов или действий, порядок и/или использование конкретных этапов и/или действий может изменяться, не выходя за пределы объема формулы решения.
В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность решения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления решения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютере либо комбинации вышеозначенного.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое решение, и что данное решение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации, раскрытые в различных частях описания могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.
Любые числовые значения, изложенные в материалах настоящего описания или на фигурах, предназначены для включения всех значений от нижнего значения до верхнего значения приращениями в один единичный элемент, при условии, что есть интервал по меньшей мере в два единичных элемента между любым нижним значением и любым верхним значением. В качестве примера, если изложено, что величина составляющей или значения технологического параметра, например, такого как температура, давление, время, и тому подобное, например, имеет значение от 1 до 90, предпочтительно от 20 до 80, более предпочтительно от 30 до 70, подразумевается, что значения, такие как от 15 до 85, от 22 до 68, от 43 до 51, от 30 до 32, и т.д., в прямой форме перечислены в этом описании решения. Что касается значений, которые являются меньшими, чем единица, при необходимости, один единичный элемент считается имеющим значение 0,0001, 0,001, 0,01 или 0,1. Таковые являются всего лишь примерами того, что определенно подразумевается, и все возможные комбинации многочисленных значений между перечисленными самым низким значением и самым высоким значением должны считаться изложенными в прямой форме в этой заявке подобным образом.