Печатающая головка для 3D принтера

Область применения
Полезная модель относится к технологии изготовления объемного изделия по цифровой 3D-модели методом послойной печати расплавленной полимерной нитью (FDM), а именно к усовершенствованной печатающей головке 3d принтера.
Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к технологии изготовления трехмерного (объемного) изделия (физического объекта, или макета, или модели) по цифровой 3D-модели методами быстрого прототипирования, которое может быть реализовано экструзионным осаждением последовательности слоев в сечении изделия. Экструзионные 3D принтеры могут быть использованы в различных областях человеческой деятельности, например, при производстве и освоении новой продукции - для быстрого изготовления прототипов моделей.
Уровень техники.
3D-печать - это построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D модели. Затем цифровая трехмерная модель сохраняется в формате STL-файла, после чего 3D принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие.
Сам процесс печати - это ряд повторяющихся циклов, связанных с созданием трехмерных моделей, нанесением на рабочий стол принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов.
Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.
3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, в основе которых лежит принцип послойного создания (выращивания) твердого объекта, в частности, с использованием технологии FDM (Fused Deposition Modeling) послойной печати расплавленной полимерной нитью (или метода послойного наплавления или моделирования методом наплавления), в результате которой объект формируется путем послойной укладки на поверхность рабочего стола (рабочую поверхность) слоя, формируемого расплавленной нитью из плавкого строительного материала (расходного или моделирующего материала), например, пластика, с пошаговым перемещением рабочего стола вниз на высоту сформированного слоя.
В основу принципа работы 3d принтера заложен принцип постепенного (послойного) создания твердой модели, которая как бы «выращивается» из определенного материала, о котором будет сказано немного позже. Преимущества 3D печати перед привычными, ручными способами построения моделей - высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость.
Например, для создания 3D модели или какой-либо детали вручную может понадобиться довольно много времени - от нескольких дней до месяцев. Ведь сюда входит не только сам процесс изготовления, но и предварительные работы - чертежи и схемы будущего изделия, которые все равно не дают полного видения окончательного результата.
В итоге значительно возрастают расходы на разработку, увеличивается срок от разработки изделия до его серийного производства.
3D технологии же позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчеты на бумаге, ведь программа позволяет увидеть модель во всех ракурсах уже на экране, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, как это бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке и создать модель за несколько часов.
При этом возможность ошибок, присущих ручной работе, практически исключается.
3D-принтер представляет собой периферийное компьютерное устройство, которое по цифровой объемной модели создает материальный объект путем послойного нанесения быстро затвердевающего материала. Для работы такого устройства требуется компьютерная трехмерная модель, выполненная в любом из 3D-редакторов либо полученная на 3D-сканере. Сегодня существует несколько разновидностей, в зависимости от используемой технологии.
Заявленная полезная модель используется для 3D-печати с помощью FDM 3D-принтеров.
Такой способ 3D-печати осуществляют методом экструзии, основанном на продавливании расплавленного материала через тонкое отверстие в экструдере.
Технология FDM печати заключается в следующем: печатающая головка (или экструдер) с контролируемой температурой разогревает до текучего состояния нить из плавкого материала, и с высокой точностью подает расплавленный материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие. Печатающая головка выдавливает жидкий материал слой за слоем, перемещаясь свободно как в плоскости слоя, так и по вертикали. Для позиционирования печатающей головки используют декартовую систему координат, согласно которой в конструкции принтера печатающая головка, либо рабочий стол, на котором формируются изделие, перемещаются вдоль трех взаимно-перпендикулярных направляющих.
Технология была изобретена в конце 80-х годов Скоттом Крампом (компания Stratasys).
В частности, из патентов US 5121329, US 5340433, US 5738817, US 5764521, US 6022207 компании Стратасис (Stratasys, Inc), известна технология построения 3D-объекта по модели для автоматизированного проектирования (CAD) методом «слой за слоем» путем экструзионного осаждения текучего строительного материала (моделирующего материала). При этом строительный материал подается через наконечник (сопло) печатающей (экструзионной) головки и осаждается в виде последовательности дорожек на подложке в XY-плоскости. Затем печатающая головка поднимается относительно подложки по оси Z (перпендикулярной XY-плоскости) на один шаг, и процесс повторяется для формирования 3D-объекта, подобного CAD-модели.
Строительный материал обычно загружается в машину в виде эластичной нити, намотанной на питающую бобину, как описано в патенте US 5121329. В качестве строительного материала используется твердеющий материал, который налипает на предыдущий слой с адекватным сцеплением после твердения и который может подаваться как эластичная нить. Питающие ролики с приводом от электродвигателя подают прядь нитей в нагревательный элемент, установленный на экструзионной головке. В нагревательном элементе нить нагревается до температуры текучести. Текучий строительный материал выдавливается из наконечника на дальнем конце нагревательного элемента и осаждается на основание (поверхность рабочего стола). Расход материала, вытесняемого из наконечника, зависит от скорости продвижения нити с экструзионной головкой. Контроллер управляет движением экструзионной головки в горизонтальной плоскости XY, движением рабочего стола в вертикальном направлении Z и скоростью подачи нити питающими роликами. При синхронном управлении этими технологическими переменными строительный материал послойно наносится в виде «валиков» вдоль траекторий перемещения инструмента, задаваемых моделью системы автоматизированного проектирования. Вытесняемый материал наплавляется на предварительно нанесенный материал и твердеет с образованием трехмерного изделия по в соответствии с моделью из системы автоматизированного проектирования.
В результате послойного формирования изделия на его внешней поверхности образуются полосы. В общем, искривленные и изогнутые поверхности имеют «ступенчатый» вид, что вызвано послойным представлением их сечений с прямоугольной конфигурацией граней. Зубчатый эффект более выражен по мере увеличения толщины слоя. Хотя зубчатость не влияет на прочность объекта, это ухудшает его эстетическое восприятие. Шероховатость поверхности объектов, получаемых на основе технологий послойного изготовления, также является результатом ошибок в процессе наращивания слоев.
Уровень техники
В настоящее время все большее применение находят принтеры с двойным экструдером, то есть включающие печатающую головку, содержащую сразу два экструдера. (http://homecnc.ru/3d-printer/92-pechatayushaya-golovka-3d-printera).
Принтеры с двойным экструдером находят применение при создании структур поддержки и в печати двухцветных объектов, поскольку могут использовать два типа пластика. Один из них может растворятся в обычной воде и его используют для печати частей поддержки, а во второй экструдер заправляют уже рабочую PLА или ABS нить.
Недостаток принтеров с печатающей головкой, содержащей два экструдера, заключается в том, что оба экструдера закреплены на одной печатающей головке, а потому одновременная печать выходит неполноценной: принтеру приходится использовать экструдеры по-отдельности, по мере надобности.
Технология пока еще «сырая», что проявляется в снижении скорости работы устройства вследствие увеличения габаритов и массы печатающей головки. Помимо этого, в процессе работы сопло, не участвующее в печати, в лучшем случае оставляет следы филамента на поверхности рисуемого объекта, а в худшем случае может деформировать его.
Из RU 161249 (приоритет 04.09.2015) известна печатающая головка струйного 3D принтера, содержащая выполненную в едином корпусе подвижную платформу с размещенными на ней двумя соплами с нагревателями и механизм переключения сопел. Положение головки определяется датчиком положения подвижной платформы и ограничивается позиционным ограничителем. Печатающая головка струйного 3D принтера снабжена клапаном для сопел, выполненным с возможностью прогиба, обеспечивающим запирание одного из сопел и открывание другого при переключении сопел.
Из RU 171905 (приоритет 07.03.2017) известна печатающая головка струйного 3D принтера, струйного 3D принтера включающая основание, на котором закреплен механизм подачи печатающего материала, двигатель, выполненный с возможностью вращения эксцентрика, который приводит в движение единую платформу, клапаны, выполненные с возможностью запирания неактивного экструдера, единую платформу, которая содержит два легкосъемных экструдера с нагревательными элементами, самозапирающийся механизм переключения, выполненный с возможностью позиционирования сопел в рабочем положении, и подпружиненные ролики, выполненные с возможностью прижимания материала к подающему механизму для активного в данный момент экструдера. Самозапирающийся механизм выполнен в виде пластины с профилированным вырезом с возможностью самозапирания эксцентрика, фиксирующегося в одном из рабочих положений в профилированном вырезе пластины, установленной на единой платформе.
Недостатком указанных аналогов является, в первом случае, технологически сложная конструкция устройства, что сказывается на надежности устройства в целом, а во втором случае, налипание остатков пластика к пластине самозапирающего механизма, что может привести к проблемам с печатью или артефактам на модели.
Ближайшим аналогом заявленного устройства является печатающая головка для 3d принтера, описанное в электронных источниках (httpe3d_n1_dual_ot_rec/://raise3d.ru/application_experience/obzor_3d-printera_rais; https://3deshnik.ru/blogs/tiger/chestnyj-obzor-ot-tiger-raise-vs-picasso.).
Печатающая головка струйного 3D принтера, струйного 3D принтера включающая корпус, внутри которого в верхней части которого расположены два шаговых двигателя, подача материала FDM происходит напрямую в один или другой экструдер печатающей головки, выполненной в едином корпусе и содержащей платформу с размещенными на ней двумя соплами с нагревателями.
Существенными недостатками такого устройства заключается в том, что калибровка высоты сопла экструдера, который нужно вывести из работы производится вручную. Для этого паркуют принтер в ноль, откручивают винт, удерживающий нужный экструдер, и калибруют выдвижением с последующим касанием сопла экструдера стола и закручиванием экструдера обратно. К тому же для последующей калибровки высоты этого экструдера нужно будет заново производить калибровку высоты вручную.
Задачей заявленного устройства является устранение этих существенных недостатков принтеров с печатающей головкой, содержащей два экструдера, что позволяет получать высокое качество внешней поверхности 3D модели. Одновременно с этим задачей также является устранение калибровки высоты сопла вручную, что существенно упрощает технологию печати и значительно уменьшает время печати, за счет исключения ненужных операций при калибровке высоты сопла.
Техническим результатом, который обеспечивается заявленным устройством, являются высокое качество внешней поверхности 3D модели, а также значительное уменьшение времени печати до получения готового изделия, которое обеспечивается за счет выноса системы переключения экструдеров печатающей головки в отдельное устройство, таким образом, исключается калибровка высоты сопел вручную, так как в данном случае переключения сопел осуществляется при помощи модуля переключения активного экструдера, в котором механизм переключения содержит электродвигатель.
Также техническим результатом является значительное упрощение конструкции печатающей головки, за счет выноса модуля переключения в отдельный блок, что значительно уменьшает количество поломок и неисправностей устройства при его использовании, а также исключает проблемы с печатью, связанные с попаданием остаточного расплавленного материала на изготавливаемую модель из сопла, выведенного из работы.
Также, использование заявленного устройства позволяет осуществлять печать сверхсложных деталей с закрытыми для механической обработки полостями, путем печати поддержки специализированным, растворимым материалом, при этом работу можно проводить с высокотемпературными, инженерными пластиками.
Краткое описание чертежей
Конструктивные особенности данной печатающей головки FDM(FFF) 3D принтера поясняются на фигуре 1.
На фигуре изображена печатающая головка FDM(FFF) 3D принтера с двумя экструдерами. Печатающая головка 3D принтера включает корпус (1), с расположенными внутри него двумя правым экструдер (3) и левым экструдером (2), с регулируемыми по высоте соплами (10), соединенными с каналами подачи расходного материала (15). В верхней части корпуса расположены трос подъема левого экструдера (5) и трос подъема правого экструдера (4), возврат активного экструдера в нижнее положение осуществляется с помощью пружин (6).
Корпус печатающей головки (1) прикреплен основанию (7), с боковых сторон которого расположены салазки (8) для осуществления движения печатающей головки вдоль осей координат XY, а салазки, для осуществления движения печатающей головки вдоль оси Z (9) расположены перпендикулярно основанию и прикреплены вертикально к правой боковой стороне корпуса печатающей головки.
Конструктивные особенности модуля переключения активного экструдера поясняются на фигуре 2.
Модуль переключения активного экструдера включает плату управления (11), механизм переключения с электродвигателем (12), трос подъема левого экструдера (5) и трос подъема правого экструдера (4).
На фигуре 3 показано расположение печатающей головки относительно печатающей поверхности относительно осей координат XYZ.
На фигуре 4 показано расположение печатающей головки (13) относительно печатающей поверхности (14) относительно осей координат XY.
На фигуре 5 показано расположение печатающей головки (13) относительно печатающей поверхности (12) относительно осей координат XZ.
На фигуре 6 показана высота подъема сопла, которая соответствует 3 мм, что позволяет исключить проблемы с печатью, связанные с попаданием остаточного расплавленного материала на изготавливаемую модель из сопла, выведенного из работы. Было выявлено, что именно эта высота подъема неактивного сопла является оптимальной и позволяющей получить изготавливаемую модель, на которой нет остатков расплавленного материала, вытекающих из сопла, выведенного из работы.
В общем виде заявленное устройство заявленное устройство представляет собой печатающую головку для 3D-принтера, включающая корпус, с расположенными внутри него двумя экструдерами, с регулируемыми по высоте соплами, соединенными с каналами подачи расходного материала, причем в верхней части корпуса расположены трос подъема левого экструдера и трос подъема правого экструдера, а сам корпус печатающей головки прикреплен к основанию, с боковых сторон которого расположены салазки для осуществления движения печатающей головки вдоль осей координат XY, при этом салазки для осуществления движения печатающей головки вдоль оси Z расположены перпендикулярно основанию и прикреплены вертикально к боковой стороне корпуса печатающей головки, причем переключение экструдеров в активное или неактивное положение осуществляется при помощи модуля переключения, включающего плату управления и механизм переключения с электродвигателем, соединенным с тросами подъема экструдеров, и подъем нужного экструдера осуществляют за счет вытягивания электродвигателем нужного троса и отведения неактивного экструдера в положение, в котором сопло неактивного экструдера находится выше плоскости печати.
Осуществление
Печатающая головка 3D принтера состоит из двух экструдеров 5 и 6, один из которых является основным экструдером, печатающим основным материалом с температурой нагрева до 500°С и вспомогательного экструдера, предназначенного для печати материалов поддержки с температурой нагрева до 300°С.
Плата управляет модулем переключения, а он в свою очередь переключает экструдеры с помощью тросов подъема экструдера. Вытягивая нужный трос, модуль переключения отводит неактивное сопло в положение, находящееся выше плоскости печати. Переключение происходит при помощи электродвигателя по соответствующему сигналу. Нужное (активное) сопло опускается в нижнее положение, а ненужное (неактивное) сопло отводится вверх. Возврат активного экструдера в нижнее положение гарантирует сила упругости пружин 6. На схеме изображено положение, в котором второй экструдер опущен в рабочее положение, первый экструдер поднят, то есть является неактивным. Трос подъема второго экструдера ослаблен, и тот под действием упругой силы пружин 6 опускается в нижнюю фиксированную точку.
Механизм подачи печатающего (расходного) материала может быть выполнен в любом исполнении. Механизм переключения с электродвигателем может быть выполнен в виде электродвигателя и управляться модулем управления принтера или блоком управления.
Процесс печати происходит следующим образом: подготовка 3 d-модели, подготовка принтера, процесс печати, удаление готовой модели из принтера, обработка готовой модели или удаление поддерживающих элементов при необходимости.
Подготовка 3d модели подразумевает ее преобразование из набора поверхностей любого порядка и набор координат, понятный принтеру. Это делается с помощью программ, называемых слайсерами.
Подготовка принтера заключается в пуске агрегата, подготовке расходных материалов и печатной поверхности, прогреве печатающей головки, стола и камеры, тонкой подстройки, если это необходимо.
Далее запускается процесс печати. Слой, который ложится на печатную поверхность, называется первым слоем. В большинстве случаев сначала идет печать тела модели основным материалом, т.е. первый экструдер находится в нижнем положении, второй отведен выше плоскости печати на расстояние h (как указано на схеме). Когда печать тела модели в данном конкретном слое закончена, идет команда на плату управления механизмом переключения активного экструдера. Механизм тянет трос подъема первого экструдера, поднимая его. Он становится неактивным. При этом происходит опускание второго экструдера, который в свою очередь становится активным. Идет процесс построения поддерживающих основное тело элементов. Когда печать поддерживающих элементов в данном конкретном слое завершена, идет команда на плату управления механизмом переключения активного экструдера. Механизм тянет трос подъема второго экструдера, поднимая его выше плоскости печати. Он становится неактивным. При этом происходит опускание первого экструдера, который в свою очередь становится активным. Происходит смена активного сопла экструдера печатающей головки и процесс повторяется слой за слоем, до окончания процесса печати. Данное решение позволяет значительно повысить качество поверхности получаемых моделей благодаря выводу неактивного сопла из слоя печати.
Удаление готовой модели из принтера производится, спустя некоторое время после завершения процесса печати. Это обусловлено необходимостью соблюдения правил техники безопасности при работе с агрегатом.
Обработка готовой модели или удаление поддерживающих элементов производится по необходимости.
Заявленное устройство позволяет получать 3D модели, причем сама технология за счет выведения модуля переключения за пределы корпуса печатающей головки значительно облегчает саму конструкцию, уменьшает количество поломок и позволяет оптимизировать процесс за счет исключения из него ручной настройки экструдеров. Процесс позволяет получать модели с минимальным процентов брака, связанного с налипанием остаточного материала из неактивного экструдера на изготавливаемую модель.