ЭЛЕМЕНТ КОНСТРУКТОРА
CONSTRUCTION ELEMENT

Предлагаемое изобретение представляет собой элемент конструктора и относится к производству игрушечных строительных наборов, головоломок, обучающих игр.
Известен конструктор в виде набора строительных элементов, имеющих коробчатый корпус с боковыми стенками, дном и средством соединения, состоящим из размещенных с разных сторон дна выступов (шипов) и гнезд. Соединительные выступы (шипы) и гнезда образованы группами цилиндрических консолей, рассчитанных на упругий изгиб при стыковании во время сборки [Бухаров Б.Н., Смородинцев А.Г. Конструктор. - Патент №2048842, 27.11.1995]. Размер консолей короче высоты корпуса только на толщину дна и увеличивает материалоемкость, а их постоянное по всей своей протяженности сечение снижает компенсационные возможности для неточностей изготовления. Описываемые элементы в случае унификации размеров не совместимы с аналогичными элементами других систем, например типа Lego, что ограничивает функциональные ресурсы конструктора.
Более известно техническое решение, принятое в качестве аналога и представляющее собой «шипованный кирпичик», который является ключевым элементом конструкторов Lego [URL: https://geektimes.ru/post/131086/ (дата обращения: 04.03.2021)]. Такой элемент имеет коробчатый корпус из боковых стенок, а также дна со средством соединения в виде шипов (выступов) на внешней стороне и гнезд на внутренней стороне. Шипы и гнезда выполнены в форме цилиндрических консолей с постоянными по всей своей протяженности сечениями. Недостатком такого конструктора является повышенная точность изготовления соединения шип-гнездо с использованием стабильных по свойствам высококачественных пластмасс, а также сложность оснастки для такого изготовления.
Еще одним известным решением, принятым в качестве аналога, является элемент конструктора Ar-Go, включающий коробчатый корпус из боковых стенок, а также дна со средством соединения в виде шипов (выступов) на внешней стороне и гнезд на внутренней стороне, выполненных в виде цилиндрических консолей. Шипы имеют форму усеченного прямого кругового конуса, переменное сечение которого возрастает по всему вылету от минимума в основании до максимума на свободном свесе консоли, при этом угол раствора такого конуса равен 160° [Нордгеймер Ю.Р., Марутян А.С, Сивцева А.В., Пашкин Д.В. Элемент конструктора Ar-Go. - Патент №181446, 13.07.2018, бюл. №20]. Основной недостаток аналога заключается в том, что на его внешней стороне сложно расположить и закрепить роботизированные фрагменты, что ограничивает функциональные возможности конструктора. Поэтому такой элемент конструктора нуждается в определенной доработке, где он дополнительно может быть оптимизирован с целью уменьшения расходного материала и сокращения времени печати.
Наиболее близкое решение, принятое в качестве прототипа, представляет собой элемент конструктора M-Ar-Go, включающий коробчатый корпус из боковых стенок, а также диафрагмы со средством соединения в виде шипов (выступов) на одной стороне и гнезд на другой стороне, выполненных в виде цилиндрических консолей. Шипы имеют форму усеченного прямого кругового конуса, переменное сечение которого возрастает по всему вылету от минимума в основании до максимума на свободном свесе консоли, при этом угол раствора такого конуса равен 160°. Диафрагма внутри коробчатого корпуса делит его по высоте на две части. Поэтому на сколько укорачиваются протяженности цилиндрических гнезд, ровно на столько же укорачиваются протяженности конических шипов (выступов) и соответственно уменьшаются их сечения в основаниях, а сечения на свободных свесах остаются неизменными [Агдалов Ю.А., Макаров Г.А., Марутян А.С., Нордгеймер Ю.Р., Севастиди И.А., Сивцова А.В., Чилингарян А.Э. Элемент конструктора М-Ar-Go - Патент №189585, 28.05.2019, бюл. №16].
Накопленный опыт разработки элементов конструкторов Ar-Go и М-Ar-Go открывает для последнего перспективу определенного усовершенствования посредством перфорации, перепрофилирования, гофрирования и других конструктивно-технологических возможностей при условии сохранения совместимости с элементами различных конструкторов. В частности, конические шипы (выступы) можно перепрофилировать из круглой формы в крестообразную, условно изъяв и удалив тем самым из них некоторый объем «лишнего» материала.
Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение расходного материала, сокращение времени печати, снижение себестоимости.
Указанный результат достигается тем, что в элементе конструктора с коробчатым корпусом из боковых стенок, а также диафрагмы со средством соединения из гнезд на одной стороне, выполненных в виде цилиндрических консолей, и шипов на другой стороне, выполненных в виде консоли, переменное сечение которой возрастает по всему вылету от минимума в основании до максимума на свободном свесе, причем это сечение имеет крестообразную форму с расположением под углом 90 градусов относительно боковых стенок в ортогональной модификации или под углом 45 градусов относительно тех же стенок в диагональной модификации.
Предлагаемый элемент конструктора обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого обе его модификации (ортогональная и диагональная) сохраняют полную совместимость с элементами других конструкторов (Lego, Ar-Go, M-Ar-Go) при уменьшенном расходе материала, а уменьшение объема расходного материала в свою очередь приводит к сокращению времени и себестоимости 3D-печати.
Предлагаемое решение обеих модификаций элемента конструктора поясняется графическими материалами, где на
фиг. 1 приведена аксонометрическая схема общего вида ортогональной модификации элемента конструктора со стороны шипов;
фиг. 2 - аксонометрическая схема общего вида ортогональной модификации элемента конструктора со стороны гнезд;
фиг. 3 - аксонометрическая схема общего вида диагональной модификации элемента конструктора со стороны шипов;
фиг. 4 - аксонометрическая схема общего вида диагональной модификации элемента конструктора со стороны гнезд;
фиг. 5 представлен снимок общего вида ортогональной модификации элемента конструктора со стороны шипов;
фиг. 6 - снимок общего вида диагональной модификации элемента конструктора со стороны шипов;
фиг. 7 - снимок общего вида ряда элементов разных конструкторов со стороны шипов до стыкования;
фиг. 8 - снимок общего вида ряда элементов разных конструкторов со стороны гнезд до стыкования;
фиг. 9 - снимок общего вида ряда элементов разных конструкторов со стороны шипов после стыкования;
фиг. 10 - снимок общего вида ряда элементов разных конструкторов со стороны гнезд после стыкования;
фиг. 11 показан скриншот 3D-печати элементов конструктора Ar-Go;
фиг. 12 - скриншот 3D-печати элементов конструктора M-Ar-Go;
фиг. 13 - скриншот 3D-печати ортогональных модификаций элементов конструктора (Ортогональ);
фиг. 14 - скриншот 3D-печати диагональных модификаций элементов конструктора (Диагональ);
фиг. 15 показан укрупненный фрагмент с рабочими записями скриншотов 3D-печати элементов конструктора Ar-Go;
фиг. 16 - укрупненный фрагмент с рабочими записями скриншотов 3D-печати элементов конструктора M-Ar-Go;
фиг. 17 - укрупненный фрагмент с рабочими записями скриншотов 3D-печати ортогональных модификаций элементов конструктора (Ортогональ);
фиг. 18 - укрупненный фрагмент с рабочими записями скриншотов 3D-печати диагональной модификации элементов конструктора (Диагональ).
Ортогональная модификация элемента конструктора имеет коробчатый корпус из боковых поперечных стенок 1, боковых продольных стенок 2 (длиннее поперечных в 2 раза) и диафрагмы 3. Диафрагма 3 снабжена средством соединения, состоящим из размещенных с его разных сторон шипов (выступов) 4 и гнезд 5, усиленных поперечными перегородками 6. Каждый из шипов (выступов) 4 конструктивно решен в виде консоли и выполнен в форме усеченного конуса, переменное сечение которого возрастает по всей своей протяженности от минимума у основания до максимума на свободном свесе консоли, при этом круглая форма поперечных сечений перепрофилирована на крестообразную форму, расположенную под углом 90 градусов относительно боковых стенок 1 и 2. Каждое из гнезд 5 по аналогии с прототипом конструктивно также решено в виде цилиндрической консоли и имеет высоту меньше высотного габарита боковых стенок (соответственно поперечных 1 и продольных 2) на величину, равную сумме, складывающейся из толщины диафрагмы 3 и той части протяженности шипов 4, которая остается внутри коробчатого корпуса.
Диагональная модификация элемента конструктора имеет точно такой же корпус из боковых поперечных стенок 1, боковых продольных стенок 2 (длиннее поперечных в 2 раза) и диафрагмы 3. Диафрагма 3 снабжена средством соединения, состоящим из размещенных с его разных сторон гнезд 5, усиленных поперечными перегородками 6, а также шипов (выступов) 7. Каждое из гнезд 5 по аналогии с прототипом конструктивно также решено в виде цилиндрической консоли и имеет высоту одинаковую с высотой поперечных перегородок 6. Значение этой высоты меньше высотного габарита боковых стенок (соответственно поперечных 1 и продольных 2) на величину, равную сумме, складывающейся из толщины диафрагмы 3 и той части протяженности шипов 7, которая остается внутри коробчатого корпуса. Каждый из шипов (выступов) 7 конструктивно решен в виде консоли и выполнен в форме усеченного конуса, переменное сечение которого возрастает по всей своей протяженности от минимума у основания до максимума на свободном свесе консоли, при этом круглая форма поперечных сечений перепрофилирована на крестообразную форму, расположенную под углом 45 градусов относительно боковых стенок 1 и 2.
Соединение элементов конструктора во время его сборки выполняется посредством упругой установки конических консолей шипов 4 или 7, расположенных на одной стороне диафрагмы 3, в гнезда 5, составленные цилиндрическими консолями на другой (обратной) стороне той же диафрагмы 3 и подкрепленные поперечными перегородками 6. Здесь упругая податливость (деформативность) при прочих равных условиях у консолей в виде конического конуса удлиненной протяженности с крестообразной формой поперечного сечения на свободном свесе по абсолютной величине больше, чем у консолей цилиндрической формы соразмерно укороченной протяженности, а это заметно расширяет диапазон геометрических параметров, в значительной мере обеспечивая компенсационные ресурсы и функциональные возможности предлагаемого элемента конструктора. При его реализации открывается перспектива совместить и взаимно дополнить функции обеих модификаций (ортогональной и диагональной) элемента конструктора с аналогичными элементами конструкторов Lego, Ar-Go и M-Ar-Go.
Перепрофилирование круглой формы конических шипов в крестообразную форму, расположенную под углом 90 или 45 градусов относительно боковых стенок, оказалось определяющим при уменьшении расхода конструкционного материала. Поскольку конструкционный материал является расходным материалом для 3D-печати, сократились также продолжительность и себестоимость изготовления элемента конструктора.
В частности, рабочие записи скриншотов 3D-печати ортогональной и диагональной модификаций предлагаемого элемента конструктора, а также элементов конструкторов AR-GO и M-AR-GO показали, что
материалоемкость уменьшилась в 8,1/6,4=1,27 и 7,4/6,4=1,16 раза,
затраты времени сократились в 3643/2329=1,56 и 2715/2329=1,17 раза,
стоимость снизилась в 13,61/10,75=1,27 и 12,43/10,75=1,17 раза
где все параметры обеих модификаций предлагаемого элемента конструктора равнозначны между собой.
Выявленный положительный эффект и накопленный опыт разработки элементов конструктора с использованием современных технологий 3D-печати обеспечивают перспективу их дальнейшего технического совершенствования, что вполне соответствует импортозамещению и переходу на отечественные разработки.