Многосопельная печатающая головка

Заявляемая полезная модель относится к технологии изготовления трехмерных (объемных) изделий по цифровой SD-модели методами аддитивного производства; в частности, но не ограничиваясь, полезная модель относится к печатающим головкам 3D-принтеров.
В системе аддитивного производства методом экструзии трехмерная деталь (изделие) печатается на основе цифрового представления путем экструзии печатающей головкой текучего материала через сопло, размер которого много меньше размера изделия, при этом печатающая головка и/или изделие перемещаются в одной плоскости» за счет чего формируется плоский слой изделия. После окончания формирования одного слоя расстояние между печатающей головкой и изделием увеличивается, и следующий слой формируется поверх предыдущего. Материал подается в блок экструзии в печатающей головке принтера в твердом виде, где он расплавляется, а затем через сопло выдавливается на подложку в жидкой форме. Экструдируемый материал сплавляется с ранее нанесенным и быстро затвердевает.
Головка принтера на таком инструменте должна быть компактной и легкой, чтобы позволить ее быстро перемещать и точно позиционировать без неблагоприятных эффектов инерции. Наличие нескольких экструзионных сопел на головке принтера обеспечивает повышенную производительность и технологичность за счет возможности легко менять экструзионные материалы и/или их цвета без удаления прежнего материала и замены катушки с материалом на новую, что обычно занимает значительное время на односопельных принтерах.
Известны печатающие головки 3D-принтера, содержащие два сопла с индивидуальным подводом материала, причем в каждый момент времени подача материала производится лишь из одного сопла.
Так, например, известна печатающая головка 313-принтера с двумя соплами с индивидуальным подводом материала» причем рабочим в любой момент времени может быть только одно сопло, переключение сопла из рабочего состояния в нерабочее осуществляется путем его вертикального перемещения по салазкам с помощью двигателя посредством тросов (вверх) или под действием усилия разжимающейся пружины (вниз) (патент RU 182393 U1, дата публикации 15.08.2018 г., компания «Тоталзед»).
Одним из недостатков известного технического решения является отсутствие механизма перекрытия неактивного сопла, оставляющего возможность самопроизвольного истечения материала из него, и, как следствие, появления дефектов в изделии.
Известна печатающая головка с двумя соплами, переключение которых из рабочего режима в нерабочий осуществляется путем наклона подвижной платформы с помощью двигателя посредством эксцентрика. Данное решение предусматривает перекрытие неактивного сопла и очистку его от остатков материала «клапаном» в виде планки специальной формы (патент RU 2609179 С1, дата публикации 30.01.2017 г., Исупов В.В.).
Известна также печатающая головка для ЗО-принтера, которая включает подвижную платформу с двумя соплами, переключение которых из рабочего режима в нерабочий осуществляется путем наклона подвижной платформы с помощью двигателя посредством эксцентрика, причем подвод материала к каждому соплу осуществляется индивидуально, а их нагрев - одновременно. Данное решение предусматривает перекрытие неактивного сопла иглой, причем иглы остаются неподвижными при наклоне платформы (сопло как бы «надвигается» на иглу) (заявка US2014/0242208 А1, дата публикации 28.08.2014 г., CEL Technology Ltd.).
Существующие конструкции печатающих головок для 3D-принтеров не подразумевают одновременной работы нескольких сопел, а обеспечивают только одновременное использование нескольких материалов и/или цветов при создании одного изделия за один сеанс работы, что, соответственно, обуславливает невысокую производительность объемной печати изделий.
Одним из преимуществ аддитивного производства на основе экструзии является то, что капитальные затраты и производственные издержки ниже, чем у конкурирующих технологий, таких как стереолитография или селективное лазерное спекание порошкового материала. Однако ранее считалось, что при использовании этой технологии нужно жертвовать высоким разрешением, чтобы получить приемлемые рабочие скорости. Поэтому существует неудовлетворенная потребность в экструзионных 3D-принтерах, которые могут предложить как более высокое разрешение, так и более высокую скорость работы. Задачей настоящей полезной модели является удовлетворение этих потребностей или, в более общем смысле, создание улучшенного 3D-принтера.
Известен многосопельный 3D-принтер, содержащий поворотный стол с возможностью перемещения по оси Z, узел печатающих головок, содержащий шесть экструдеров с соплами, механизмы перемещения узла печатающих головок по оси X и по оси Y, механизм подъема стола по оси Z и пять приводных двигателей, контроллер, выполненный с возможностью управления вращением каждого из приводных двигателей и управления каждым из экструдеров в узле печатающей головки для выдавливания или прекращения выдавливания печатного материала в заданной точке координат в соответствии с программой установки (патент CN 105881914 (В), дата публикации 10.11.2017 г., Hubei University of Technology).
К недостаткам известногомногосопельного 3D-принтера можно отнести - сложность и громоздкость конструкции, в которой габариты печатного узла сопоставимы с габаритами области построения модели (т.е. стола), что повышает требования к жесткости основания и направляющих и мощности приводной системы перемещений печатного узла по осям X и Y, а также полностью исключает возможность создания путем одновременного заполнения несколькими соплами объектов, по размеру сопоставимых с размерами одного экструдера. Кроме того, расположение выходных отверстий сопел на плоскости усложняет процесс калибровки в силу того, что необходимо сориентировать узел печатающих головок по трем угловым координатам для достижения параллельности плоскости, проходящей через выходные отверстия сопел, и плоскости стола.
Известен узел печатающей головки 3D-принтера, содержащий матрицу одновременно активных четырех экструдеров, которые совместно используют общий нагревательный блок и датчик температуры нагревательного блока. Нагревательный блок включает в себя группу из четырех экструдеров с соплами, равномерно расположенными вдоль линии. К каждому экструдеру подводится свой собственный пруток, который управляется и приводится в движение своим собственным шаговым двигателем через общий нагревательный блок к собственному соплу для печати. Печать детали осуществляется путем одновременного выдавливания расплавленного материала из отдельных сопел, причем подача или остановка подачи производится включением или выключением собственного двигателя (патент US 8827684 B1, дата публикации 09.09.2014 г., Radiant Fabrication).
Недостатком известного узла печатающей головки 3D-принтера является громоздкость конструкции, в которой подача материала из каждого сопла управляется собственным двигателем, что повышает требования к жесткости основания и направляющих и мощности приводной системы перемещений печатного узла по осям X и Y. Кроме того, отсутствуют клапаны перекрытия выходных отверстий отдельных сопел в процессе работы и прекращение подачи из отдельного сопла осуществляется лишь выключением соответствующего двигателя подачи, что ухудшает качество печати изделий сложной формы или с внутренними полостями из-за времени запаздывания между включением/выключением двигателя и началом/прекращением подачи материала из сопла.
В качестве ближайшего аналога выступает многосопельная печатающая головка 3D-принтера, содержащая блок экструзии для расплавления и пластификации полимерного материала, при этом блок экструзии содержит загрузочную воронку, двигатель с винтовым приводом и шнеком, коллектор и устройство выброса капель (сопла). Коллектор имеет разветвленные каналы для подачи расплавленного материала, каждый из каналов соединен с соответствующим соплом, и каждое сопло имеет независимую систему управления открытием и закрытием выходного отверстия, выполненную в виде электромагнитных катушек и управляемых ими игольчатых клапанов (заявка CN 207579101 (U), дата публикации 06.07.2018 г., UNIV BEIJING СНЕМ TECH).
Недостатком ближайшего аналога является расположение выходных отверстий сопел на плоскости, что усложняет процесс калибровки в силу необходимости ориентирования печатающей головки по трем угловым координатам для достижения параллельности плоскости, проходящей через выходные отверстия сопел, и плоскости стола.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемой полезной моделью» является создание новой многосопельной печатающей головки для 3D-принтера, которая обеспечивает повышенную производительность и качество при производстве изделий методом послойном формировании 3D-объектов путем осаждения расплавленного материала на столе.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в повышении точности калибровки положения печатающей головки относительно площади построения.
Технический результат достигается тем, что печатающая головка для 3D-принтера содержит блок экструзии и блок клапанов, при этом блок экструзии содержит сопла с выходными и входными отверстиями и нагревательное устройство, выполненное с возможностью нагрева полимерного печатающего материала, а блок клапанов выполнен с возможностью перекрытия отверстий сопел, согласно полезной модели печатающая головка содержит расположенный в блоке экструзии общий для сопел капал для подачи полимерного печатающего материала в сопла, причем последние расположены вдоль прямой линии, а их входные отверстия расположены в канале для подачи полимерного печатающего материала в сопла.
При этом согласно полезной модели каждый клапан для перекрытия выходных отверстий сопел может содержать винт с иглообразным наконечником для закрытия выходного отверстия сопла и двигатель для привода вращения винта.
При этом согласно полезной модели шаговые двигатели для перекрытия сопел могут быть установлены на удалении от нагревательного устройства.
Заявляемая полезная модель основана на наличии в печатающей головке нескольких сопел, установленных в одном блоке экструзии в канале для подачи материала вдоль прямой линии и снабженных индивидуальными механизмами перекрытия. Одновременное использование в процессе работы нескольких сопел позволит повысить производительность при заполнении тела изделия. Применение индивидуальных механизмов перекрытия сопел обеспечит своевременное их включение и выключение в процессе работы при заполнении слоев, содержащих внутренние полости.
Повышение качества изготовления объемных изделий достигается за счет расположения сопел вдоль прямой линии, что повышает точность калибровки расположения печатающей головки относительно области построения в силу необходимости ориентирования ее углового положения только по одной угловой координате для обеспечения равномерной толщины формируемого слоя разными соплами.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами (фиг. 1-4), однако примеры реализации печатающей головки не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата. При этом приведенные примеры выполнения печатающей головки не ограничивают возможностей ее осуществления и не являются исчерпывающими.
На фиг. 1 представлен общий вид печатающей головки, на фиг. 2 вид слева на печатающую головку, на фиг. 3 печатающая головка в разрезе А-А, на фиг. 4 вид сверху на печатающую головку.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - блок экструзии;
2 - сопла;
3 - выходные отверстия сопел 2;
4 - входные отверстия сопел 2;
5 - нагревательное устройство;
6 - канал для подачи полимерного печатающего материала в сопла 2;
7 - блок клапанов;
8 - резьбовые иглообразные наконечники;
9 - резьбовые соединения;
10 - шаговые двигатели;
11 - зубчатые передачи;
12 - винты;
13 - теплоизолирующая платформа блока 7 клапанов;
14 - пружины;
15, 16 - уплотнительные кольца;
17 - термобарьер.
Согласно полезной модели печатающая головка для 3D-принтера содержит блок 1 экструзии, содержащий сопла 2 с выходными отверстиями 3 и входными отверстиями 4, а также нагревательное устройство 5, выполненное с возможностью нагрева полимерного печатающего материала (фиг. 1, 2 и 3). В блоке 1 экструзии выполнен общий для сопел 2 канал 6 для подачи полимерного печатающего материала в сопла 2. Сопла 2 расположены вдоль прямой линии, а их входные отверстия 4 расположены в канале 6 (фиг. 3). Печатающая головка содержит также блок 7 клапанов. Клапаны блока 7 выполнены с возможностью перекрытия выходных отверстий 4 сопел 2.
Перекрытие сопел 2 в печатающей головке осуществляется посредством расположенных в блоке 7 клапанов, которые могут быть выполнены в виде, например, резьбовых иглообразных наконечников 8, которые могут приводиться в действие расположенными в блоке 7 шаговыми двигателями 10 через зубчатые передачи 11, причем преобразование вращательного движения от двигателя 10 в поступательное движение наконечника 8 и фиксация наконечника 8 в определенном положении обеспечивается резьбовым соединением 9 между наконечником 8 и отверстием в блоке 1 экструзии. С помощью винтов 12 к блоку 1 экструзии может крепиться теплоизолирующая платформа 13 с установленными шаговыми двигателями 10, вращение выходных валов которых приводит в действие зубчатые передачи 11 и через них - наконечники 8, непосредственно перекрывающие выходные отверстия 3 сопел 2. Наконечники 8 могут быть снабжены пружинами 14, фиксирующими уплотнительные кольца 15, которые обеспечивают герметичность канала 6 с расплавленным материалом со стороны платформы 13 с двигателями 10; уплотнения 16 обеспечивают герметичность со стороны сопел 2 и термобарьера 17.
Сопла 2 печатающей головки установлены в блоке 1 экструзии с общим (единым) каналом 6, обеспечивающим подвод расплавленного полимерного печатающего материала ко всем соплам 2, а двигатели 10 могут быть размещены на некотором удалении от него на теплоизолирующей платформе 13 во избежание нежелательного нагрева. Вращение выходных валов двигателей 10 инициирует закручивание или выкручивание наконечников 8 и, соответственно, закрытие или открытие сопел 2, причем перекрытие может осуществляться как входных отверстий 4, так и выходных отверстий 3 сопел 2 в зависимости от формы наконечника 8. Быстродействие механизма перекрытия обуславливается малой величиной зазора между наконечником 8 и соплом 2, необходимым для обеспечения подачи материала. Возможность увеличения количества сопел 2 в одной печатающей головке ограничивается габаритами двигателей 10 и зубчатых передач 11, а также возможностями механизма подачи поддерживать постоянное давление в канале 6 с расплавом, питающем все сопла 2.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом. Материал в виде прутка подается в блок 1 экструзии через термобарьер 17, плавится внутри канала 6, под действием силы тяжести вытекает через сопла 2 и осаждается на поверхности рабочего стола (не показан), где застывает, образуя тело печатаемого объекта. При необходимости оперативного перекрытия сопел 2 контроллер подает сигналы на соответствующие двигатели 10, вращение их выходных валов приводит в действие зубчатые передачи 11, что инициирует вращение наконечников 8 и их закручивание либо выкручивание, влекущее за собой закрытие или открытие сопел 2.