УСТРОЙСТВО ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ СТРОИТЕЛЬНЫМИ СМЕСЯМИ НА ОСНОВЕ ВЯЖУЩИХ

Полезная модель относится к устройствам для 3D-печати вяжущими и может быть использована как трехмерный принтер при послойном выращивании малых архитектурных объектов из вяжущих материалов, в том числе на наклонных поверхностях в стеснённых условиях.
Известен экструдер для аддитивной печати металлополимерами [Пат. РФ на полезную модель 199884 U1, B 29 C48/78. / Одобеско И.А., Чепчуров М.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» - № 2020113402; заявл. 30.03.2020; опубл. 24.09.2020]. Устройство состоит из корпуса с установленным шнеком. Корпус имеет выходное отверстие. На одном конце корпуса закреплена матричная пластина, на другом конце корпуса установлена поворотная гильза. На корпусе со стороны выходного отверстия установлены катушка индукционного нагрева, и для контроля температуры - термодатчик. Отличительной особенностью экструдера является наличие термодатчика и катушки индукционного нагрева.
Основными недостатками экструдера являются низкая надёжность и не ремонтопригодность устройства при дегазации строительных смесей на основе вяжущих материалов, обладающих свойством абразивности, что приводит к быстрому износу стенок корпуса и витков шнека и как следствие невозможности выдерживания кольцевого зазора из условия нулевого расхода экструдируемого материала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, выбранным в качестве прототипа, является печатающая головка для строительных 3D-принтеров [Пат. РФ на полезную модель 198857 U1 / Агамов Р.Э.; заявитель и патентообладатель: Агамов Рауф Эрзиханович - №2019143170; заявл. 23.12.2019; опубл. 30.07.2020]. Устройство состоит из корпуса - моноблока, внутри которого находится емкость для строительной смеси и шнек-дозатор, обеспечивающий нагнетание и подачу строительной смеси в экструдеры, которые соединены с емкостью для строительной смеси гибкими шлангами. Отличительной особенностью устройства является наличие нескольких экструдеров, механизм перемещения и позиционирования и наличие устройства подачи цельнометаллической просечно-вытяжной сетки.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: корпус, емкость для строительной смеси, шнек-дозатор, экструдер, гибкие шланги, механизм перемещения и позиционирования.
Недостатком устройства является низкое качество 3D печати, так как при закладке смеси в емкость, она будет насыщаться газообразными включениями, а шнек предложенной конструкции не обеспечит её уплотнение. Это приведет к неравномерной экструзии строительной смеси на основе вяжущих, образованию пор в слоях изделия и, в целом, снизит качество печати. Кроме того, конструкция экструдеров прототипа не регулирует подачу экструдируемой строительной смеси на основе вяжущих в зависимости от скорости перемещения экструдера, что также приведёт к неравномерности укладки слоёв строительной смеси при изменении направления перемещения устройства.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение качества при 3D-печати строительными смесями на основе вяжущих в 6 степенях свободы, за счёт недопущения образования газовых включений в укладываемой строительной смеси на основе вяжущих, путём подачи в экструдер под давлением предварительно уплотненной, дегазированной, строительной смеси на основе вяжущих.
Устройство для 3D-печати строительными смесями на основе вяжущих, содержащее механизм перемещения и позиционирования, на котором закреплены корпус экструдера и соединённая с ним гибким шлангом, ёмкость для строительной смеси, шнек-дозатор. В предложенном устройстве в качестве механизма перемещения и позиционирования используется робот-манипулятор с системой управления роботом-манипулятором, несущий экструдер и нагнетатель. Экструдер закреплён на фланце робота манипулятора и имеет на наружной поверхности корпуса экструдера штуцер, а во внутренней полости корпуса экструдера размещён шнек-дозатор, сопряжённый с шаговым двигателем, который электрически связан с системой управления роботом-манипулятором. Нагнетатель посредством кронштейна закреплён на роботе-манипуляторе. Нагнетатель содержит шаговый мотор-редуктор, электрически соединённый с системой управления роботом-манипулятором. Шаговый мотор-редуктор, кинематически связанный с втулкой, на внутренней поверхности которой выполнена кинематическая резьба, выполняющей роль гайки в соединении винт-гайка и сопряжённая с наружной поверхностью ходового винта. Ходовой винт снабжен поршнем с закреплёнными на его цилиндрической поверхности кольцевыми уплотнениями, размещённым в цилиндрической ёмкости для строительной смеси. Цилиндрическая ёмкость жестко связана с шаговым мотором-редуктором и размещена соосно втулке и ходовому винту. Экструдер связан с нагнетателем через штуцер посредством гибкого шланга и съёмной переходной втулки, установленной на торце цилиндрической ёмкости со стороны противоположной расположению шагового мотора-редуктора.
Использование робота-манипулятора с системой управления роботом-манипулятором, несущим экструдер и нагнетатель, в качестве механизма перемещения и позиционирования позволяет производить перемещение экструдера с шестью степенями свободы, а размещение на роботе-манипуляторе нагнетателя сокращает длину гибких шлангов, что обеспечивает возможность 3D-печати малых архитектурных форм на наклонных поверхностях в стеснённых условиях.
Экструдер, закреплённый на фланце робота манипулятора, имеющий на наружной поверхности корпуса экструдера штуцер, а во внутренней полости корпуса экструдера размещённый шнек-дозатор, сопряжённый с шаговым двигателем, который электрически связан с системой управления роботом-манипулятором, позволяет производить точное дозирование под давлением предварительно уплотнённой, дегазированной строительной смеси на основе вяжущих, поступающей из нагнетателя, путем регулирования системой управления роботом скорости вращения шагового двигателя вращающего шнек-дозатор, в зависимости от параметра изменяющейся скорости перемещения экструдера по траектории 3D-печати.
Закрепление нагнетателя посредством кронштейна на роботе-манипуляторе позволяет сократить длину гибких шлангов, соединяющих нагнетатель и экструдер, что обеспечивает 3D-печать в шести степенях свободы.
Наличие шагового мотора-редуктора в нагнетателе, электрически соединённого с системой управления роботом-манипулятором, позволяет создать требуемый крутящий момент, преобразуемый посредством винтовой пары в давление, для уплотнения строительной смеси на основе вяжущих. Регулирование величины давления осуществляется посредством изменения силы тока и частоты вращения выходного вала шагового мотора-редуктора системой управления роботом-манипулятором.
Кинематическая связь шагового мотора-редуктора с втулкой, на внутренней поверхности которой выполнена кинематическая резьба, выполняющей роль гайки в соединении винт-гайка и сопряжённая с наружной поверхностью ходового винта, позволяет обеспечить преобразование крутящего момента, развиваемого шаговым мотором-редуктором, в линейное перемещение ходового винта с требуемой силой давления.
Снабжение ходового винта поршнем, размещённым в цилиндрической ёмкости, обеспечивает уплотнение строительной смеси в цилиндрической ёмкости под действием давления поршня толкаемого ходовым винтом, а закрепление на цилиндрической поверхности поршня кольцевых уплотнений позволяет обеспечить требуемый кольцевой зазор в паре поршень-цилиндрическая ёмкость из условия нулевого расхода экструдируемого материала, путём подбора размеров и смены кольцевых уплотнений.
Жесткое закрепление цилиндрической ёмкости торцом на шаговом моторе-редукторе соосно втулке и ходовому винту обеспечивает требуемое взаимоположение деталей нагнетателя друг относительно друга и корректность кинематики процесса уплотнения.
Наличие съёмной переходной втулки, установленной на торце цилиндрической ёмкости со стороны, противоположной расположению шагового мотора-редуктора, обеспечивает посредством гибкого шланга и штуцера подачу предуплотнённой строительной смеси из нагнетателя в экструдер, а возможность съёма переходной втулки позволяет произвести загрузку цилиндрической ёмкости строительной смесью на основе вяжущих.
Совокупность указанных выше технических результатов, обеспечиваемых отличительными признаками технического решения, позволяет решить задачу – повышение качества при 3D-печати строительными смесями на основе вяжущих в 6 степенях свободы.
Полезная модель поясняется графическим материалом.
На фиг.1 показано устройство для 3D-печати строительными смесями на основе вяжущих; на фиг. 2 показано продольное сечение экструдера; на фиг. 3 показано продольное сечение нагнетателя; на фиг. 4 показана блок-схема управления устройством.
Устройство для 3D-печати строительными смесями на основе вяжущих состоит из робота-манипулятора 1, имеющего обратную связь с системой управления 2 роботом-манипулятором 1, на фланце 3 которого жёстко закреплён экструдер 4. Во внутренней полости корпуса 5 экструдера 4 размещён шнек-дозатор 6 с возможностью вращения вокруг своей оси, который, в свою очередь, сопряжён с шаговым двигателем 7, управляемым системой управления 2 роботом-манипулятором 1. При такой конструкции внутренняя полость корпуса 5 и рабочая поверхность шнека-дозатора 6 образуют винтовой канал. На наружной поверхности корпуса 5 закреплён штуцер 8, соединяющий гибким шлангом 9 экструдер 4 со съёмной переходной втулкой 10. Нагнетатель 11 жёстко закреплён на плече робота манипулятора 1 с помощью кронштейна 12 и содержит шаговый мотор-редуктор 13, управляемый системой управления 2 роботом-манипулятором 1, кинематически, например, при помощи шпоночного соединения, связанный с втулкой 14, в свою очередь сопряжённой своей внутренней резьбовой поверхностью с наружной резьбовой поверхностью ходового винта 15. На ходовом винте 15 закреплен поршень 16, имеющий на цилиндрической поверхности кольцевые уплотнения 17 и размещённый в цилиндрической ёмкости 18 для строительной смеси на основе вяжущих. Исходным положением поршня 16 является его нахождение в крайнем правом положении. С противоположной стороны поршню 16 на левом торце цилиндрической ёмкости 18 установлена съёмная переходная втулка 10. Цилиндрическая ёмкость 18 жёстко связана с шаговым мотором-редуктором 13 и размещена соосно втулке 14 и ходовому винту 15.
Устройство для 3D-печати вяжущими монтируется и работает следующим образом.
Робот-манипулятор 1 с закреплённым на его фланце 3 экструдером 4 и нагнетателем 11 (установленном при помощи кронштейна 12), устанавливается в зону печати 3D-объекта.
Через систему управления 2 роботом-манипулятором 1 включается шаговый мотор-редуктор 13 и передаёт вращение на втулку 14. За счёт сопряжения внутренней резьбовой поверхности втулки 14 и наружной поверхности ходового винта 15 осуществляется линейное перемещение ходового винта 15 до полного выхода поршня 16 из полости цилиндрической ёмкости 18, после чего шаговый мотор-редуктор 13 отключается.
Предварительно, исходя из состава экструдируемого материала и параметров устройства подбираются кольцевые уплотнения 17 обеспечивающие требуемый кольцевой зазор  между стенками цилиндрической емкости 18 и поршнем 16 из условия нулевого расхода экструдируемого материала (параграф 3.7. «Течение жидкости в узких щелях», стр. 75; Ворожцов, О.В. Гидравлика с примерами решения задач: Учебное пособие. [Текст] / О.В. Ворожцов // Псков: Издательство ПсковГУ. – 2014. – 144 с.)
где Vст перемещения стенки поршня образующей зазор относительно стенки цилиндрического корпуса;
μ - коэффициент динамической вязкости экструдируемого материала;
L - ширина поршня;
D - диаметр отверстия цилиндрического корпуса;
1
2
Δp=p - p - перепад давлений, под действием которого происходит течение жидкости в зазоре;
1
p - давление в зоне уплотнения экструдируемого материала;
2
p - давление в свободной зоне с обратной стороны поршня.
После установки кольцевых уплотнений 17 на поршень 16, в систему управления 2 роботом-манипулятором 1 подаётся команда на реверсное включение шагового мотора-редуктора 13. Поршень 16 за счёт кинематической связи возвращается в исходное положение.
Далее приготавливается строительная смесь на основе вяжущих, например пескобетон М300, объём которой соответствует всему объёму печатаемого изделия, который ограничен объёмом свободной полости цилиндрической ёмкости 18. При снятой переходной втулке 10 цилиндрическая ёмкость 18 заполняется строительной смесью. После заполнения цилиндрической ёмкости 18 строительной смесью, переходную втулку 10 устанавливают на левый торец цилиндрической ёмкости 18. Далее производится соединение нагнетателя 11 с экструдером 4 путём соединения переходной втулки 10 гибким шлангом 9 с штуцером 8 экструдера 4. Устройство подготовлено к работе.
Используя систему управления 2 роботом-манипулятором 1, устройство отводится в сторону от зоны 3D-печати, после чего поступает команда на включение шагового мотора-редуктора 13. Через винтовую пару втулка 1–ходовой винт 15, поршень 16 перемещается в сторону переходной втулки 10, что приводит к продавливанию строительной смеси через гибкий шланг 9, соединённый с переходной втулкой 10 и штуцером 8, в полость корпуса 5 экструдера 4. При этом заполняется винтовой канал образованный стенками внутренней полости корпуса 5 и рабочей поверхностью шнека-дозатора 6. После заполнения экструдера строительной смесью, вращение шагового мотора-редуктора 13 останавливается, выходное отверстие экструдера 4 заглушается, например резьбовой пробкой.
Используя систему управления 2 роботом-манипулятором 1, включается шаговый мотор-редуктор 13, для перемещения поршня 16 в сторону переходной втулки 10. Поршень 16 перемещается до тех пор, пока значение величины силы тока, подаваемого системой управления 2 роботом-манипулятором 1 на шаговый мотор-редуктор 13 (для перемещения поршня 16), не достигнет требуемого, предварительно установленного в зависимости от кольцевого зазора , предельного значения давление  в зоне уплотнения экструдируемого материала, обеспечивающего условие нулевого расхода экструдируемого матерала в кольцевом зазоре. Таким образом обеспечивается уплотнение строительной смеси и недопущение образования газовых включений в ней. Питание шагового мотора-редуктора 13 отключается.
Далее в систему управления 2 роботом-манипулятором 1 загружается управляющая программа, сгенерированная в специальном CAM программном приложении, например RoboDK, из выходного отверстия экструдера 4 удаляется резьбовая заглушка, и дается команда выполнить программу 3D-печати.
Робот-манипулятор 1, получая команду перемещения по координатам от системы управления 2 роботом-манипулятором 1, перемещает экструдер 4 по траектории печати. Одновременно с этим система управления 2 роботом-манипулятором 1 дает управляющий сигнал и питание на шаговый двигатель 7, обеспечивающий вращение шнека-дозатора 6, и на шаговый мотор-редуктор 13, которые совместно работают в режиме одинакового расхода строительной смеси из нагнетателя 11 и экструдера 4. При этом управление скоростью вращения шагового двигателя 7 и шагового мотора-редуктора 13 обеспечивается системой управления 2 робота-манипулятора 1 и зависит от скорости перемещения экструдера 4 по траектории печати.
После окончания 3D-печати, компоненты системы, контактирующие со строительной смесью на основе вяжущих, разбираются, и производится их очистка от остатков строительной смеси. После сушки компонентов, технологический цикл повторяется.
Таким образом, решается задача повышения качества при 3D-печати строительными смесями на основе вяжущих в 6 степенях свободы, за счёт недопущения образования газовых включений в укладываемой строительной смеси на основе вяжущих, путём подачи в экструдер под давлением предварительно уплотненной, дегазированной, строительной смеси на основе вяжущих.