Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области аддитивных технологий, в частности к экструдерам для 3D-принтеров, работающих по методу FDM (FusedDepositionModeling, моделирование методом послойного наплавления).
Уровень техники.
Полезная модель относится к экструдерам, которые применяются при FDM-печати. Суть процесса заключается в выдавливании («экструзии») и нанесением расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования. В стандартном процессе печати используются различные нити, которые разматывается с катушки и подаются в экструдер - устройство, с нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания полимерной составляющей, которое в свою очередь подается на рабочую поверхность и производится формирование модели, изделия. Как правило, верхняя часть перед соплом наоборот охлаждается с помощью вентилятора, радиатора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала. Сам экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло является частью экструдера и перемещается также по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии). Модель строится слой за слоем, снизу-вверх. Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение шаговыми двигателями или сервоприводами. Наиболее популярной системой координат, применяемой в FDM-печати, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z.
В качестве расходных материалов применяются всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.
FDM-печать является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность домашних принтеров, основанных на этой технологии. В быту 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, применяются для создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшений и сувениров.
Любой принтер для трехмерной печати работающий по технологии FDM имеет определенные особенности в своей конструкции. Главная составляющая каждого - это экструдер для 3D-печати.
Любой экструдер для FDM-принтера состоит из двух частей:
Блок cool-end отвечает за подачу нити. В его конструкцию включены привод от электромотора, прижимной механизм, шестерни. За счет вращения шестерни нить подается в экструдер.
Блок hot-end- это и есть печатающая головка, сопло с нагревательным элементом. Обычно оно сделано из алюминия или латуни, так как эти материалы имеют хорошую теплопроводность. Керамический нагревательный элемент служит для нагрева головки экструдера. Для отслеживания и последующей регулировки температуры, к соплу экструдера крепится датчик (термопара). Hot-end сильно разогревается во время работы, а остальные части экструдера должны оставаться холодными, иначе нить начинает плавиться слишком рано. Поэтому, между "холодным" и "горячим" концами экструдера устанавливается теплоизолирующая вставка (обычно из термостойкого пластика). Кроме того, для охлаждения, в печатающую головку часто встраивают радиатор с вентилятором.
В стандартных экструдерах применяется одно сопло, через которое непосредственно и происходит процесс печати. В стандартных FDM-принтерах при печати в зависимости от решаемых задач диаметр сопла можно подобрать в пределах от 0,2 до 1,0 мм. От диаметра сопла зависит качество проработки модели, изделия.
Одним из недостатков стандартных экструдеров является невозможность смены сопла во время печати, а только когда блок hot-end выключен и его температура менее 60°С.
В полезной модели реализована автоматическая система револьверного типа переключения нагревательного блока с термистором и соплом в момент печати изделия, за счет применения пневматического цилиндра и сервопривода.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому варианту является печатные головки, описанные в патентах РФ № RU 189770 U1 и RU 189216 U1.
Полезная модель РФ № RU 189770 U1 позволяет создать не только разноцветные модели, но и использовать при печати поддерживающих структур растворимые пластики, облегчающие их удаление, а также сопла с отверстиями разного диаметра.
Полезная модель РФ № RU 189216 U1 относится к экструдерам для получения многоцветных изделий.
Технической задачей новой полезной модели является разработка печатной головки с револьверным типом переключения нагревательного блока с термистором и сопломс различным диаметром выходного отверстия для печати накладных декоративных изделий и сувениров из древесной-полимерной нити для получения изделий с разным показателем шероховатости.
При производстве декоративных накладных изделий или сувениров стремятся не только выдержать заданные размеры, но и получить поверхность с определенной степенью гладкости - шероховатостью. Шероховатость каждого изделия должна быть экономически целесообразной и должна строго соответствовать назначению детали. И если увеличение шероховатости снижает эксплуатационные качества детали, то необоснованное уменьшение шероховатости при обработке резко увеличивает стоимость детали, что отразится на стоимости всего изделия.
Отличием от выше указанных полезных моделей является применение жидкостного охлаждения поворотной пластины с термобарьером; применен револьверный тип смены нагревательного блока с термистором и соплом; для переключения режима используется сервопривод и пневмоцилиндр, который отжимает и прижимает поворотную головку.
Раскрытие полезной модели.
При применении экструдера для изготовления продукции методом FDM-печати упрощается технологический процесс печати изделий, позволяет решать широкий спектр поставленных задач, быстрее и качественнее изготавливать модели, изделия. Небольшой вес комплектующих позволяет работать с FDM-печатью без внесения изменений в конструкцию 3D-принтера. В зависимости от решаемых задач диаметр сопла можно варьировать в пределах от 0,2 до 3,0 мм. Для фиксации в печатающей головке используется простое и надежное винтовое соединение, которое позволяет не только быстро менять сопла в экструдере, но и производить оперативную качественную чистку.
Печатающая головка при револьверной смене сопел позволяет отводить сопло нерабочего экструдера от печатающей модели на безопасное расстояние. Количество сопел в барабанном экструдере равняется трем, что позволяет оборудовать печатающую головку соплами к примеру диаметром выходного отверстия в 0.2, 0.4, 0.6 мм. Это позволит печатать декоративные накладные элементы и сувениры с определенной степенью гладкости (шероховатости). Увеличение шероховатости снижает эксплуатационные качества детали, то необоснованное уменьшение шероховатости при обработке резко увеличивает стоимость детали и затраты часов на изготовление, что отразится на стоимости всего изделия. Стоит отметить что к каждому соплу подводится своя нить, что позволяет не только печатать разными соплами, но и обеспечить многоцветную и многокомпонентную печать.
В рамках разработки экструдера для изготовления продукции методом FDM-печати, было собрано три прототипа и протестировано на принтерах марки Creality 3D.
Описание чертежей.
Фиг. 1 - представлена принципиальная схема экструдера для изготовления продукции методом FDM-печати.
Фиг. 2 - принцип работы пневматического цилиндра.
Осуществление полезной модели.
Ниже описана полезная модель со ссылками на чертеж, на котором схематически показан экструдер (в разрезе) согласно полезной модели.
Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати включает: заднюю пластину для крепления печатающей головки к 3D-принтеру (1); корпус с каналами к пневмоцилиндру (2); корпус экструдера с каналами под термобарьер с тефлоном (3); поворотную пластину с термобарьером (4); сервопривод с крутящим моментом не менее 5В: 19 кг/см (5); лапку сервопривода (6); жидкостное охлаждение (7); разъемы для подачи и выпуска сжатого воздуха (8); тефлоновые трубки с нитью для печати (9); крепление для нагревательного блока с термистором и соплом (10); крепление под охладитель, кулер (11); охладитель, кулер радиальный, типа улитка (12); шток (13); втулка (14); фитинги для крепления тефлоновой трубки (15).
Полезная модель работает следующим образом. Задняя пластина (1) устанавливается на направляющую FDM-принтера и перемещается по траектории, заданной в управляющей программе. В тефлоновые трубки (9) подается расходный материал в виде нити определенного диаметра, для уменьшения люфта нити в трубке, что позволяет точнее экструдировать нить и сократить ретракты, которая проходит через корпус экструдера с каналами под термобарьер с тефлоном (3), подаваемые от отдельных питателей, блок cool-end. С помощью нагревательного блока с термистором и соплом нить нагревается и производится печать. При подаче сжатого воздуха от компрессора или другого источника через каналы (2,8) к пневматическому цилиндру в поршневую полость пневмоцилиндра, штоковая полость в этот момент с помощью распределителя соединяется с атмосферой, давление сжатого воздуха воздействует на поршень, заставляя его перемещаться, до тех пор, пока он не упрется в переднюю крышку, тем самым отводит пластину с термобарьером (4), закрепленную на втулке (14) (фиг. 2). С помощью сервопривода (5, 6) осуществляется поворот пластины с термобарьером (4), происходит это в то время, когда осуществляется выдвижение поворотной пластины (4), что способствует автоматическому переключению экструдера на соседний выход (10) с установленным нагревательным блоком с термистором и соплом. При прекращении подачи воздуха открывается клапан, связывающий пневмптический цилиндр с атмосферой, за счет возвратной пружины шток (13) привода возвращается в исходное положение, тем самым фиксирует пластину с термобарьером (4). В поворотной пластине с термобарьером (4) выполнены пазы для более плотной состыковки с корпусом, что позволяет избежать люфтов при печати изделий. Для охлаждения пластины с термобарером (4) используется жидкостное охлаждение (7) проходящее через каналы пластины. Радиальные охладители, кулер, типа улитка (11, 12) используются для охлаждения модели во время печати.