ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ 3D-ПРИНТЕРОВ

Полезная модель относится к области машиностроения и строительной отрасли и предназначена для изготовления строительных конструкций, в том числе для строительства жилых домов, зданий и сооружений различного назначения [E04G 21/04, В33Y 30/00, В33Y 40/00].
Из уровня техники известна РОБОТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ [US 2005/0196484A, Опубл.: 21.01.2005], содержащая подвижного робота, включающего в себя верхний манипулятор, проходящий между и поддерживаемый, по меньшей мере, двумя боковыми элементами, установленными с возможностью скольжения; узел сопла, подвижно соединенный с манипулятором и сконфигурированный для экстрадированного материала через выпускное отверстие; а также контроллер положения, сконфигурированный для управления положением и перемещением робота и узла сопла.
Недостатком аналога является низкая производительность и высокая трудоемкость изготовления строительной конструкции, обусловленная необходимость изготовления опалубки определенной геометрии для удержания до затвердевания строительной смеси.
Также известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ [WO 2015/065936 A2, Опубл.: 07.05.2015], содержащее экструдер для экструдирования строительной смеси, устройство перемещения экструдера вдоль множества заданных путей, в то время как экструдер экструдирует строительную смесь в заданном положении и контроллер перемещения экструдера и управления работой экструдера.
Недостатком аналога является строго горизонтальное расположение отверстий экструдера при создании строительной конструкции и наличие в конструкции лишь одного экструдера, что снижает производительность и повышает расход строительной смеси, наносимой сплошными слоями.
Наиболее близким по технической сущности является МОБИЛЬНЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ 3D-ПРИНТЕР [RU 2 636 980 C1, Опубл.: 29.11.2017], состоящий из шасси, содержащего платформу, на которой установлен двигатель с приводом на движитель, выполненный в виде колес; подъемный механизм по оси Z; печатающую головку, состоящую из экструдера и двигателя с приводом механизма подачи смеси экструдера; аппаратную часть, содержащую блок питания, устройство позиционирования, блок управления ЧПУ, отличающийся тем, что платформа шасси дополнительно содержит кабину с размещенными внутри нее рабочим местом оператора и органами управления шасси; модуль навески ЧПУ, содержащий навеску ЧПУ с установленными на ней механизмами перемещения печатающей головки по осям X, Y, Z, а также двигателями и приводами для каждой оси X, Y, Z, держатель навески ЧПУ, выполненный с возможностью его перемещения посредством подъемного механизма по модулю навески ЧПУ, механическое крепление модуля навески ЧПУ с расположенными на нем механизмом юстировки по вертикали, обеспечивающим заданное отклонение модуля навески ЧПУ и самой навески ЧПУ по вертикали, и механизмом юстировки по горизонтали, обеспечивающим заданное отклонение модуля навески ЧПУ и самой навески ЧПУ по горизонтали; устройство приготовления и подачи смеси в печатающую головку; аппаратная часть дополнительно содержит блок управления устройством приготовления и подачи смеси.
Основной технической проблемой прототипа является низкая производительность, обусловленная наличием в конструкции лишь одного сопла, а также ограниченной высотой подъемного механизма.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение производительности строительного 3D-принтера.
Указанный технический результат достигается за счет того, что печатающая головка для строительных 3D-принтеров содержит раму, механизмы перемещения экструдера по осям X, Y, Z с двигателями и приводами механизмов перемещения, экструдер, устройство позиционирования экструдера и устройство приготовления и подачи смеси в печатающую головку, отличающаяся тем, что содержит как минимум пару экструдеров, механизм перемещения каждого из которых выполнен в виде манипулятора, представляющего собой систему подвижно связанных со множеством степеней свободы, рычагов, экструдеры смонтированы подвижно на манипуляторах, на раме и на экструдерах смонтированы датчики положения в пространстве, а устройство приготовления и подачи строительной смеси выполнено в виде шнекового дозатора.
В частности, рама выполнена с возможностью свободного размещения манипуляторов.
В частности, рама выполнена из металла, сплава или композитного материала.
В частности, экструдеры выполнены в виде экструзионных фильер.
В частности, экструдеры выполнены быстросъемными.
В частности, экструдеры выполнены независимыми.
В частности, подвижные соединения выполнены в виде шарниров.
В частности, подвижные соединения снабжены сервоприводами.
В частности, экструдеры соединены с устройством приготовления и подачи строительной смеси гибкими шлангами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан общий вид печатающей головки.
На фиг.2 показан общий вид печатающей головки в рабочем состоянии.
На фигурах обозначено: 1 – опорная рама, 2 – поворотный узел крепления, 3 – сервоприводы, 4 – рычаги, 5 – цилиндрические шарниры, 6 – поворотные узлы, 7 – сопла, 8 - строительная поверхность, 9 – арматура.
Осуществление полезной модели
Печатающая головка для строительных 3D-принтеров состоит из опорной рамы 1, выполненной различной геометрической формой, определенной особенностями применения 3D-принтера. Опорная рама 1 выполнена из металла или металлического сплава, композита или другого материала, обеспечивающего необходимую прочность.
В верхней части опорной рамы 1 смонтирован поворотный узел крепления 2 безлюфтового соединения опорной рамы 1 с механизмом перемещения головки 3D-принтера (на фигурах не показан).
В нижней части опорной рамы 1 на сервоприводах 3 смонтированы манипуляторы с несколькими степенями свободы, выполненные как минимум из пары рычагов 4, соединенных между собой горизонтальными шарнирами 5. Внутри шарниров 5 смонтированы сервоприводы (на фигурах не показаны).
Каждый из манипуляторов снабжен поворотным звеном 6 на котором смонтировано быстросъемное сопло 7, выполненное в виде фильеры для экструзии материала.
На сопле 7 может быть выполнен изгиб для предотвращения самопроизвольного вытекания материала под действием силы тяжести.
Сопло 7 может быть снабжено автоматической задвижкой, открывающей подачу экструдируемого материала и предотвращающую его самопроизвольное вытекание.
В центральной части опорной рамы 1 и на соплах 7 смонтированы датчики определения положения сопел (на фигурах не показаны).
Печатающая головка для строительных 3D-принтеров используется следующим образом.
Перед началом использования печатающую головку монтируют на принтер, совмещая поворотный узел крепления 2 с ответным узлом принтера (на фигурах не показан). Проектируют модель печатаемого поля в необходимом формате и системе координат для 3D-принтера, загружают модель в ЧПУ принтера, задают нулевое положение для датчиков положения опорной рамы 1 и сопел 7 исходя из геометрической формы строительной конструкции.
Запускают 3D-принтер и изменяя положения рычагов 4 манипуляторов по алгоритму, заложенному в ЧПУ, перемещают сопла 7 в заданных координатах. Нагнетают шнековым дозатором строительный материал и подавая его через гибкие шланги в сопла 7, расположенные по бокам строительной поверхности, перемещают опорную раму 1 и сопла 7 по заданным координатам в горизонтальной плоскости и формируют боковые стенки и перемычки строительной конструкции, при этом каждый из манипуляторов движется независимо по заданной программой алгоритму. По окончании печати слоя прекращают подачу строительного материала, перемещают опорную раму 1 в вертикальной плоскости и повторяют нанесение строительной смеси на строительную поверхность 8.
В процессе укладки строительного материала производят автоматическое регулирование расхода строительной смеси, при этом если за один и тот же промежуток времени сопла 7 проходят разную длину пути, то расход смеси изменяют путем изменения частоты двигателя шнекового дозирующего устройства.
В процессе печати/укладки сопла 7 располагают перпендикулярно слою печати. При необходимости меняют угол расположения сопла 7 относительно печатаемого слоя.
Для укладки строительного материала на строительную поверхность 8, армированную вертикальными направляющими (арматурой) 9 меняют сопла 7 на аналогичные, но большим сечением. После печати первого слоя вручную устанавливают арматуру 9, при этом длину арматуры 9 выбирают таким образом, чтобы она не превышала длину манипуляторов. Меняют направление экструзии сопел 7 на перпендикулярное или угловое относительно плоскости строительной поверхности 8. Запускают печать следующих слоев. В процессе печати, при необходимости, добавляют дополнительную арматуру 9.
Технический результат – повышение производительности, достигается за счет того, что печатающая головка для строительных 3D-принтеров содержит как минимум два независимых друг от друга экструдеров, смонтированных на манипуляторах, выполненных в виде системы подвижно связанных рычагов, обеспечивающих свободное движение экструдеров во многих плоскостях, обеспечивая при этом печать многослойно-строительной в том числе и армированной конструкции любой сложности в двух и более, в зависимости от количества независимых экструдеров, плоскостях одновременно.
Возможность использования нескольких экструдеров реализуется за счет того, что устройство приготовления и подачи строительной смеси выполнено в виде шнекового дозатора.