СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ МАТЕРИАЛА СТРОИТЕЛЬНОГО 3D ПРИНТЕРА
SYSTEM OF PREPARATION AND SUPPLY OF MATERIAL OF A CONSTRUCTION 3D PRINTER

Область техники
Изобретение относится к строительной области, а именно к печатающей головке строительного 3D принтера, выполняющей роль смесителя-экструдера, а также к строительной трехмерной печати изделий по аддитивной технологии из многокомпонентных смесей с целью изготовления строительных конструкций и может быть использовано, в частности, для строительства жилых домов, зданий и сооружений различного назначения, изготовления частей и элементов зданий, железобетонных изделий, деталей строительных конструкций из бетона или иных строительных смесей.
Уровень техники
Из уровня техники известна печатающая головка 3D принтера (см. [1] патент РФ на полезную модель № 179153, МПК E04G 21/16, B41J 2/335, опубл. 28.04.2018), состоящая из сопла и соединенного с ним смесителя-экструдера, включающего в себя корпус, шнек, содержащий цилиндрическую и коническую части, клапана для подачи отдельных компонентов смеси и привод шнека.
Недостатком данного аналога является то, что перемешивание и подача материала осуществляется одним рабочим органом – шнеком. Смесь не будет успевать достаточно хорошо перемешиваться и будет подаваться не в достаточно готовом виде. Также шнек является недостаточно эффективным перемешивающим устройством. К тому же, нет возможности регулировать отдельно скорость смешивания и скорость подачи.
Из уровня техники известен экструдер строительного 3D принтера (см. [2] патент РФ на полезную модель № 185166, МПК E04G 21/04, B41J 2/335, В29C 47/10, опубл. 23.11.2018), содержащий печатающую головку, соединенную с помощью привода механизма подачи смеси с двигателем привода механизма подачи смеси и шнеком, на печатающей головке установлено устройство формирования поверхности, на приводе механизма подачи смеси установлен механизм крепления, соединяющий подсоединенную к нему неподвижную трубку подачи смеси и герметичное соединение, к которому подсоединена находящаяся внутри привода механизма подачи и вращающаяся вместе с ним и шнеком трубка подачи смеси, на которой установлены форсунки подачи смеси.
Недостатком данного аналога является то, что смесь подается в головку уже в растворенном виде. При такой системе подачи смесь не может быть достаточно густой, что является необходимым параметром в строительной печати. Также возникают трудности при обслуживании принтера. В случае остановки подачи необходимо быстро и качественно прочищать всю систему подачи, иначе возникает риск вывода ее из строя после застывания остатков смеси внутри системы.
Также из уровня техники известен экструдер строительных смесей для 3D принтера (см. [2] патент РФ на изобретение № 2724163, МПК B29C 64/209, опубл. 22.06.2020), состоящий из ёмкости с устройством крепления, позволяющим закрепить экструдер на исполнительных механизмах принтера, отверстия для загрузки строительного материала, сопла с выходным отверстием для экструдирования строительного материала, при этом в нижнюю часть ёмкости интегрирован дозатор строительных смесей, позволяющий регулировать количество строительной смеси при формировании печатаемого слоя, при этом экструдер содержит подмешивающее устройство, выполненное в виде подмешивающей рамки с приводом, который одновременно является приводом для дозатора строительных смесей. Дозатор строительных смесей может быть выполнен в виде шнека или героторной пары.
Главным недостатком данного аналога является то, что смесь подается в головку уже в растворенном виде. По сравнению с аналогом [2] в аналоге [3] возможно менять состав смеси за счет добавления разного рода добавок через дополнительные коммуникации выполненные в виде штуцера. Однако данное решение позволит незначительно изменить состав уже изначально поданной смеси. Также возникают трудности при обслуживании принтера. В случае остановки подачи необходимо быстро и качественно прочищать всю систему подачи, иначе возникает риск вывода ее из строя после застывания остатков смеси внутри системы.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является смеситель для изготовления конструкции из строительного материала (см. [4] патент РФ на изобретение № 2735761, МПК B01F 7/08, B01F 7/18, B01F 15/02, B28C 5/12, опубл. 06.11.2020), содержащий барабан, имеющий по меньшей мере одно впускное отверстие и одно выпускное отверстие, привод, перемешивающий вал для смешивания смеси, расположенный в барабане и соединенный с приводом, при этом в барабане расположено транспортирующее устройство, которое расположено на той же оси, что и перемешивающий вал, причем транспортирующее устройство непосредственно примыкает к перемешивающему валу таким образом, что обеспечена возможность захвата непосредственно транспортирующим устройством и выгрузки из барабана через выпускное отверстие смеси, перемешиваемой перемешивающим валом.
Недостатками прототипа являются, во-первых, невозможность запирания смеси на выходе из подающего устройства (при остановке шнека смесь будет продолжать стекать в выпускное отверстие), во-вторых, вывод смеси осуществляется в произвольном виде, то есть отсутствует какое-либо формование смеси на выходе из транспортирующего устройства. В-третьих, главным недостатком прототипа является отсутствие возможности изготовления смеси, т.к. в смеситель поступает уже готовая смесь из перемешивающего устройства и есть возможность подачи двух компонентов, т.е. данный смеситель только смешивает готовую смесь и компоненты.
Недостатками известных аналогов являются:
1. В системах «мокрой» подачи (когда смесь готовится во внешнем по отношению к принтеру смесителе и подается на печатающую головку по длинным шлангам) – не полностью подходящая для 3D печати консистенция смеси, обусловленная необходимостью обеспечения определенных реологических свойств готовой смеси для ее подачи по шлангам в экструдер.
2. Необходимость каждый раз при остановке работы прочищать всю систему «мокрой» подачи смеси во избежание ее застывания в системе и, соответственно, высокая вероятность выхода оборудования из строя.
3. Сложность контроля давления смеси на расстоянии от насоса до экструдера и как следствие, сложность контроля гомогенности толщины слоя и качества поверхности при использовании «мокрой» подачи.
4. Другой распространенный подход также неэффективный — это 3D принтер без системы транспортировки материала и с ручным (например, с помощью лопаты) добавлением смеси в бункер, расположенный непосредственно на печатающей головке. При данном подходе существенно увеличиваются вес и габариты печатающей головки, а также добавляется необходимость постоянного ручного пополнения емкости бункера-смесителя.
5. В имеющихся системах смешивания, когда смешивающий и подающий валы имеют один привод, не предусмотрена возможность раздельного регулирования скорости смешивания и скорости подачи.
6. Имеющиеся компоновки смесителей не подходят для использования в конструкциях 3D принтеров.
7. Отсутствует система формования смеси на выходе смесителей.
Сущность изобретения
Задачей заявляемого изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа, а также возможность приготовления и сухой подачи материала, при котором смешивание компонентов происходит непосредственно перед экструзией, за счет обеспечения качественного перемешивания и контролируемой подачи смеси с последующим ее формованием при экструзии, что позволяет повысить скорость и качество печати, а также возможность применять более вязкие смеси, что как следствие, позволяет получать более качественные изделия. Такие смеси быстрее набирают прочность и лучше держат форму.
Техническим результатом является повышение эффективности перемешивания смеси, повышение скорости и качества печати.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата предлагается система подготовки и подачи материала строительного 3D принтера, содержащая корпус, внутри которого имеются две полости: полость перемешивания и полость подачи, соединённые между собой каналом подачи готовой смеси, в полости перемешивания установлен перемешивающий вал, в полости подачи установлен подающий вал. Перемешивающий вал выполнен с возможностью вращения за счет собственного привода и представляет из себя цилиндр с установленными на нем двумя функциональными элементами: перемешивающими элементами и подающим элементом, подающий вал выполнен с возможностью вращения за счет собственного привода и представляет из себя ротор героторной пары, причем оси перемешивающего вала и подающего вала взаимно перпендикулярны, при этом к полости перемешивания присоединён циклон подачи сухой смеси в порошкообразном виде, который соединен с каналом подачи сухой смеси, а также канал подачи жидкости, на выходе из полости подачи установлена сменная насадка с собственным приводом.
Также технический результат достигается за счет того, что перемешивающие элементы выполнены в виде лопаток и/или штырей расположенных перпендикулярно к оси перемешивающего вала.
Также технический результат достигается за счет того, что штыри выполнены г- или п- образной формы.
Также технический результат достигается за счет того, что подающий элемент выполнен в виде по меньшей мере двух витков шнека.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – схематичное изображение системы подачи.
На фигуре обозначены следующие позиции: 1 – корпус; 2 – полость перемешивания; 3 – полость подачи; 4 – перемешивающий вал; 5 – подающий вал; 6 – привод перемешивающего вала; 7 – привод подающего вала; 8 – привод сменной насадки; 9 – циклон; 10 – сменная насадка; 11 – канал подачи сухой смеси в циклон; 12 – канал подачи жидкости в полость перемешивания; 13 – канал подачи готовой смеси из перемешивающей полости в подающую полость; 14 – перемешивающие элементы перемешивающего вала; 15 – подающие элементы перемешивающего вала.
Осуществление изобретения
Система подготовки и подачи материала строительного 3D принтера (печатающей головки строительного 3D принтера или смеситель-экструдер) состоит из корпуса (1), внутри которого имеются две полости: полость перемешивания (2) и полость подачи (3). Полости (2) и (3) соединены между собой каналом (13) подачи готовой смеси. В полости перемешивания (2) установлен перемешивающий вал (4), а в полости подачи (3) установлен подающий вал (5).
Перемешивающий вал (4) выполнен с возможностью вращения за счет собственного привода (6) и представляет из себя цилиндр с установленными на нем двумя функциональными элементами: перемешивающими элементами (14) и подающим элементом (15). Перемешивающие элементы могут быть выполнены в виде лопаток и/или штырей (14), расположенных перпендикулярно к оси перемешивающего вала (4). Штыри могут быть выполнены любой формы, в том числе г- или п-образной формы. Подающий элемент (15) может быть выполнен в виде подающих лопаток или по меньшей мере двух витков шнека, что обеспечивает захват готовой смеси из перемешивающей полости (2) и ее подачу по каналу (13) в полость подачи (3).
Подающий вал (5) выполнен с возможностью вращения за счет собственного привода (7) и представляет из себя ротор героторной пары, осуществляющий экструзию готовой смеси. Использование ротора героторной пара обеспечивает запирание смеси в случае остановки привода (7) и таким образом исключает ее вытекание, что повышает качество печатаемой конструкции.
Наличие отдельных приводов (6) и (7) позволяет обеспечить гибкую регулировку скорости вращения валов (4) и (5), что обеспечивает гибкую регулировку скорости перемешивания смеси и ее экструзии по отдельности из полостей (2) и (3).
Оси перемешивающего вала (4) и подающего вала (5) взаимно перпендикулярны, что наиболее компактно для компоновки печатающей головки 3D принтера.
К полости перемешивания (2) присоединен циклон (9) подачи сухой смеси в порошкообразном виде, который соединен с каналом (11) подачи сухой смеси. Также к полости перемешивания (2) присоединен канал (12) подачи жидкости. Жидкость может представлять из себя воду с необходимыми добавками. Канал (12) подачи жидкости может быть расположен снизу, сверху или сбоку перемешивающей полости (2). Подача жидкости по каналу (12) может осуществляться через форсунку высокого или низкого давления.
Для придания смеси при экструзии правильной формы имеется полая сменная насадка (10) с собственным приводом (8), который через, например, ременную или зубчатую, или иную передачу, осуществляет поворот насадки в соответствии с направлением укладки слоя смеси. Смесь, проходя через насадку, принимает форму, обусловленную геометрией этой насадки. Насадки могут быть иметь разную форму отверстия для выхода смеси и органов формирования боковой и верхней поверхностей слоя.
Представленная конструкция решает проблемы удобного размещения элементов сухой подачи печатающей головки, обеспечивает эффективное перемешивание, а также обеспечивает отдельно гибко настраиваемые режимы перемешивания и подачи смеси, формирования слоя экструдируемой смеси, что в свою очередь повышает эффективность перемешивания смеси, качество печатаемых конструкций и скорости печати. Сухая подача позволяет при печати использовать более вязкие смеси, что как следствие, позволяет получать более качественные изделия. Такие смеси быстрее набирают прочность и лучше держат форму.
Пример реализации изобретения
Смесь материала (например, на основе извести, гипса, цемента или их комбинаций) в сухом порошкообразном виде с помощью пневмокамерного насоса подается по каналу (11) в циклон (9) и далее в полость перемешивания (2). В полость (2) также подают жидкость (вода с растворенными в ней необходимыми добавками) по каналу (12).
Далее поданные ингредиенты в область (2) перемешиваются элементами (14) за счет вращения вала (4) при помощи привода (6) до однородной массы. За счет подающих элементов (15) готовая смесь проталкивается в область подачи (3). Вращением ротора героторной пары подающего вала (5) готовая смесь экструдируется из системы подачи с формированием необходимого слоя за счет сменной насадки (10), имеющий собственный привод 8.