Печатная головка 3D принтера

Полезная модель относится к области изготовления трехмерных физических объектов добавочным нанесением (наслоением) с использованием полимерных материалов, а точнее к технологиям 3D-печати методом послойного нанесения расплавленной нити, и может быть использована для печати восковых моделей применительно к технологии литья по выплавляемым моделям.
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 которой 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, при этом сопла выполнены с возможностью перемещения относительно клапана, который выполнен неподвижным (RU 161249, МПК B41J 2/00, опубл. 10.04.2016 г.).
Недостаток - известная печатная головка непригодна для печати воском ввиду особенностей конструкции.
Известна печатная головка 3D-принтера для печати восковых моделей (CN 203876235, МПК В29С 67/00, опубл. 15.10.2014 г.), содержащая экструзионную часть, вентиляционную часть, нагревательную часть и выпускную часть.
Недостаток - низкая надежность устройства.
Известны различные конструкции перистальтических насосов, предназначенные для дозированной подачи вещества. Например, известен перистальтический насос, состоящий из цилиндрического корпуса с всасывающим и нагнетающим штуцерами, эластичного шланга круглого сечения и вращающегося ротора с пережимными роликами, создающими перистальтический эффект. Эластичный шланг свободно уложен в рабочей полости насоса с возможностью перемещения под действием тянущего усилия пережимных роликов совместно с всасывающим и нагнетающим штуцерами, на которых закреплены концы шланга, причем оба штуцера снабжены пружинами, воспринимающими данные усилия и обеспечивающими возврат штуцеров и шланга в исходное состояние после окончания взаимодействия каждого из роликов со шлангом (RU 2116511, МПК F04B 43/12, опубл. 27.07.1998).
Известные перистальтические насосы непригодны для использования в 3D-технологиях ввиду высокого уровня пульсаций, что может в случае их использования в конструкции печатной головки привести к искажению формы получаемых моделей.
Задачей полезной модели является повышение качества получаемых 3D-моделей.
Технический результат - плавное экструдирование расплавленного воскового состава через сопло печатной головки за счет использования в конструкции печатной головки перистальтического насоса.
Задача решается, а технический результат достигается печатной головкой 3D-принтера, выполненной в виде перистальтического насоса, содержащей статор, гибкий шланг и ротор, установленный посредством втулки на валу мотор-редуктора, закрепленного на задней стенке статора, причем ротор состоит из вращающегося барабана с шестью роликами, равномерно расположенными по периметру барабана с возможностью продавливания ими гибкого шланга, уложенного в круговой канал статора и надетого с одной стороны на входной штуцер, а с другой стороны - на выходное сопло, в которое запрессован первый нагревательный элемент, а второй и третий нагревательные элементы установлены в пазы задней стенки статора, на передней стенке которого установлена крышка, при этом внешний D и внутренний d диаметры шланга подбирают исходя из необходимой производительности насоса, а зазор t между двумя роликами в их самом нижнем положении и рабочей поверхностью канала статора определяют по формуле t=k(D-d), где k - коэффициент деформации шланга, который подбирают эмпирически в зависимости от вязкости жидкости и требуемого максимального давления насоса, составляющий 0,7-0,95.
Технический результат достигается за счет применения перистальтического насоса оригинальной конструкции с большим числом роликов (6 шт.) и особой формой статора, обеспечивающей плавное закрытие и открытие замкнутого объема перекачиваемой жидкости и образование зоны гарантированного перекрытия, предотвращающей обратный переток.
Плавное экструдирование расплавленного воскового состава достигается за счет минимизации пульсаций давления перекачиваемого расплава в процессе работы перистальтического насоса. Это обеспечивается тем, что в момент открытия замкнутого между двумя нижними роликами расплава увеличение зазора между статором и роликом, выходящим из зоны ab (рабочий ролик), происходит по синусоидальной зависимости относительно угла поворота этого ролика, что увеличивает временной промежуток выравнивания давления между замкнутым объемом расплава и расплавом, находящимся на выходе насоса, по сравнению с линейной зависимостью. Конструктивное решение, исключающее обратный переток в момент открытия замкнутого объема, исключает взаимодействие расплава на входе в насос с расплавом на выходе насоса, что также уменьшает перепад давления при открытии замкнутого объема насоса.
Сущность полезной модели поясняет чертеж, где показана принципиальная схема заявляемой печатной головки.
Печатная головка 3D-принтера содержит статор 1, гибкий шланг 2 и ротор, установленный посредством втулки 3 на валу мотор-редуктора 4, закрепленного на задней стенке статора, причем ротор состоит из вращающегося барабана 5 с шестью роликами 6, равномерно расположенными по периметру барабана с возможностью продавливания ими гибкого шланга, уложенного в круговой канал статора и надетого с одной стороны на входной штуцер 7, а с другой стороны - на выходное сопло 8, в которое запрессован первый нагревательный элемент 9, а второй и третий нагревательные элементы 10 и 11 установлены в пазы задней стенки статора, на передней стенке которого установлена крышка 12. Печатная головка работает следующим образом.
В процессе работы 3D-принтера печатная головка предназначена для экструдирования (продавливания) расплавленного воскового состава через сопло 8, выходной диаметр которого варьируется от 0,1 до 2 мм. Для продавливания воскового состава через сопло необходимо нагнетание давления, что достигается посредством применения перистальтического насоса, состоящего из статора 1 и ротора в сборе.
В процессе работы печатной головки вращающий момент передается от мотор-редуктора 4 ротору в сборе. Ролики 6, вращаясь относительно оси ротора, продавливают гибкий шланг 2. Канал статора 1 на участке взаимодействия уложенного в него шланга 2 с роликами 6 ротора симметричен для обеспечения реверсивной работы насоса, что является технологической необходимостью в процессе 3D-печати. Предварительно расплавленный восковый состав посредством подогреваемого шланга (не показан) подается на входной штуцер 7. При вращении статора 1 в прямом направлении (по часовой стрелке) на участке bc возникает зона разрежения, происходит всасывание расплава. Нагревательные элементы 9-11 обеспечивают нагрев перекачиваемой восковой модельной массы до температуры плавления. Крышка 12 создает дополнительный теплобарьер.
ab
При этом зазор t между роликами 6 и рабочей поверхностью статора 1 меняется по следующей закономерности. Между точками а и b зазор минимальный и рассчитывается по формуле t=k(D-d) где D - внешний диаметр шланга, d - внутренний диаметр шланга, k - коэффициент, отражающий величину деформации шланга на участке аb (подбирается эмпирически в зависимости от вязкости жидкости и требуемого максимального давления насоса из диапазона 0,7…0,95), что реализует перистальтический эффект.
На участке от точки b к точке c зазор увеличивается по синусоиде. В точке c зазор максимален и равен внешнему диаметру шланга. Величина зазора между роликами и рабочей поверхностью статора в произвольной точке n на участке bc рассчитывается по формуле
,
где α - переменное значение угла участка bc, находится в диапазоне 90…120, при этом выбирается максимальное значение исходя из конструктивных особенностей печатной головки; β - угловое положение координаты c.
Таким образом, на участке bc происходит постепенное сжатие шланга, вследствие чего на участке ab образуется замкнутый объем. Для обеспечения непрерывного перемещения материала и ликвидации обратного перетока участок ab заключает в себе герметичный объем перекачиваемой массы, находящийся между соседними роликами, что достигается соблюдением углового расстояния γ, описываемого соотношением , где m - число роликов, в данном случае m=6; Δ - величина гарантированного перекрытия, находится в диапазоне 2…10, и выбирается исходя из максимального рабочего давления насоса.
За счет упругих восстановительных деформаций шланга, обусловленных продвижением рабочего ролика на входном участке, образуется зона разрежения, способствующая втягиванию нового материала в полость насоса.
Плавное экструдирование расплавленного воскового состава достигается путем минимизации пульсаций давления перекачиваемого расплава в процессе работы перистальтического насоса.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает получение восковых моделей методом 3D-печати, обладающих повышенной геометрической точностью, за счет обеспечения плавного экструдирования расплавленного воскового состава через сопло печатной головки, которое достигается особенностями конструкции, а именно применением перистальтического насоса.