БЫСТРОСМЕННЫЙ КАРТРИДЖ ДЛЯ ПЕЧАТАЮЩЕЙ ГОЛОВКИ FDM 3D-ПРИНТЕРА

Полезная модель относится к области аддитивных технологий, а точнее к трёхмерной печати объектов по трёхмерной цифровой модели методом послойного нанесения расплавленного полимерного материала (FDM).
Данная технология заключается в построении объекта с помощью послойного нанесения расплавленного полимерного материала на рабочий стол через экструдер. В общем виде экструдер представляет собой устройство, состоящее из двух основных компонент. Первой компонентой является горячая часть экструдера, состоящая из сопла, через которое происходит истечение расплавленного материала, а также резистивного нагревательного элемента, обеспечивающего достаточную для плавления полимерного материала температуру сопла посредством прямой теплопередачи через металлический нагревательный блок. Второй компонентой (холодная часть) является механизм, подающий твёрдую полимерную нить через термобарьер (металлическая трубка) в горячую часть экструдера. Термобарьер обеспечивает как можно более высокий градиент температуры полимерного материала. Экструдер перемещается в плоскости параллельной рабочему столу с помощью мобильного элемента, на которую он крепится. После нанесения первого слоя материала в плоскости рабочего стола печатающая головка поднимается по нормали к столу на высоту необходимую для нанесения следующего слоя. Предыдущий слой к этому моменту отвердевает.
Из современного уровня техники известна печатающая головка FDM 3D-принтера (USD762752S1, опубл.2.08.2016 г. - "Nozzle") со сменным элементом (соплом) в горячей части.
Недостатком такой конструкции в первую очередь является сложность смены сопла. Выполнение данной операции возможно только с соплом, нагретым до температуры плавления пластика (около 180 °C), который в нём находится. В противном случае отвердевшие остатки пластика будут препятствовать извлечению сопла из нагревательного блока.
Кроме того, недостатком данной конструкции является негерметичность резьбового соединения в зоне расплава, в результате чего происходит истечение расплава в зоне стыка, что негативно влияет на качество печати, а также происходит засорение резьбового соединения и ухудшение теплообмена между соплом, и нагревательным блоком. Для устранения негерметичности резьбового соединения необходимо производить установку сопла методом горячей посадки или использовать герметики, ухудшающие теплообмен между соплом и нагревательным блоком.
Кроме того, после установки сопла требуется юстировка печатающей головки относительно рабочего стола, так как в результате механического воздействия или использования герметиков может измениться общая длина конструкции.
Кроме того, операции связанные с заменой элемента в горячей части являются трудоёмкими и продолжительными по времени, что ведёт к простою оборудования.
Известна также печатающая головка FDM 3D-принтера со сменным элементом в холодной части, описанная в электронных источниках (https://wiki.e3d-online.com/Cyclops_%26_Chimera_Documentation; https://e3d-online.com/cyclops; https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/e3d-offers-upgraded-hatendi-chimera-cyclops/). Данное устройство состоит из нагревательного блока, к которому подводится нагревательный элемент и термистор. С помощью резьбового соединения в нижнюю часть нагревательного блока устанавливается сопло, а в верхнюю термобарьеры.
Устройство отличается тем, что соединение термобарьеров с радиатором осуществляется при помощи прижимных болтов и предполагает возможность быстрого отделения горячей части с термобарьерами от радиатора и холодной части экструдера.
Недостатком такой печатающей головки в первую очередь является неприспособленность электрических соединений к смене. Сложность замены конструкции обуславливается тем, что необходимо произвести переподключение нагревательного элемента и термистора к плате контроллера или к самой сменной конструкции. В первом случае необходимо извлечь провода вместе со сменной конструкцией и проложить новые провода к плате контроллера, во втором случае извлечь термистор и нагревательный элемент из снятой конструкции и установить в новую, что может привести к их повреждению и/или изменению пусконаладочных характеристик принтера.
Кроме того, недостатком данной конструкции является плохой тепловой контакт между термобарьерами и радиатором при винтовом зажиме прижимными болтами. Плохой тепловой контакт ведёт к снижению градиента температуры и перегревам полимерного материала, что негативно влияет на качество печати. Для улучшения теплового контакта используется термопаста или аналогичные средства.
Кроме того, после закрепления термобарьеров внутри радиатора требуется юстировка печатающей головки относительно рабочего стола, так как при использовании винтового зажима возможны смещения и люфты термобарьеров внутри радиатора и изменение общей длины конструкции.
Кроме того, данная печатающая головка имеет большие габариты и массу. Последнее негативно влияет на скорость и точность печати из-за более высокой инерции конструкции.
Кроме того, операции связанные с заменой элемента в холодной части являются трудоёмкими и продолжительными по времени, что ведёт к простою оборудования.
Известна также печатающая головка FDM 3D-принтера, описанная в патенте US20170043536А1 от 16.02.2017. - "Three-dimensional printer tool systems". Данная печатающая головка FDM 3D-принтера представляет собой быстросъёмную цельную конструкцию в закрытом пластиковом корпусе, включающую в себя горячую часть и большое количество элементов холодной части экструдера. Внутри корпуса содержится нагревательный блок, в нижнюю часть которого при помощи резьбового соединения устанавливается сопло, а в верхнюю термобарьер с радиатором. Внутри корпуса также установлен механизм подачи филамента, состоящий из прижимного ролика и подающей шестерни, которая при установке съёмной конструкции на стационарную часть печатающей головки соединяется с валом электродвигателя через дополнительный узел. Прижимной ролик снабжён энкодером, сообщающим на встроенную в корпус плату контроля филамента о вращении прижимного ролика и соответственно о наличии или отсутствии филамента во время печати. Также в корпус встроена ещё одна плата, к которой подключаются контакты резистивного нагревательного элемента и термистора. На эту же плату с другой стороны корпуса установлен разъём. При соединении разъёма с его ответной частью, установленной на стационарной части печатающей головки, обеспечивается сопряжение съёмной конструкции с платой контроллера 3D-принтера. Крепление съёмной конструкции на стационарную часть печатающей головки обеспечивается при помощи магнитов.
Недостатком такой печатающей головки в первую очередь является технологически сложная конструкция, которая затрудняет доступ к подающему узлу печатающей головки и горячей части экструдера, что существенно усложняет устранение даже небольших неисправностей.
Кроме того, данная печатающая головка имеет большие габариты и массу. Последнее негативно влияет на скорость и точность печати из-за более высокой инерции конструкции.
Кроме того, недостатком данного устройства является возможность застревания пластика внутри корпуса при сломе филамента, съедании филамента подающей шестернёй, сбоях в работе платы контроля филамента или при высокой мягкости филамента. В таком случае необходимо будет вскрывать корпус съёмной печатающей головки.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент RU196247U1 от 21.02.2020. - "Быстросменный картридж для печатающей головки 3D-принтера". Данная печатающая головка FDM 3D-принтера представляет собой быстросъёмную конструкцию в закрытом металлическом корпусе, включающую в себя горячую часть экструдера, которая крепится к стационарной части печатающей головки. При этом корпус состоит из двух элементов, нижней и верхней части картриджа, которые соединяются между собой методом горячей посадки так, что верхняя часть вкладывается в нижнюю. В верхнюю часть картриджа также методом горячей посадки устанавливается сопло для трёхмерной печати так, чтобы оно проходило в соосное отверстие нижней части. В нижней части располагается нагревательный элемент, в который вставляется сопло. Термоэлектрический датчик крепится к соплу и клемме, которая закрепляется в нижней части картриджа. В нижней части картриджа закреплены также две других клеммы, к которым подключаются контакты нагревательного элемента. Быстросменный картридж крепится снизу к стационарной части печатающей головки посредством болтов. Сопряжение съёмной конструкции с платой контроллера 3D-принтера обеспечивается соединением клемм в нижней части картриджа с их ответными частями на стационарной части печатающей головки.
Недостатком такой печатающей головки в первую очередь является сложность при соединении нижней и верхней части картриджа, во время которой требуется обеспечить сохранность соединения короткого провода термоэлектрического датчика с соплом и клеммой в нижней части картриджа, а также обеспечить электрическую изоляцию такого провода от металлического корпуса картриджа и силовых проводов нагревательного элемента.
Кроме того, недостатком данного устройства является необходимость использования метода горячей посадки при соединении нижней и верхней части экструдера, а также установке сопла в верхнюю часть экструдера. Использование метода горячей посадки может приводить к деформациям металлических элементов конструкции, а также делает соединение верхней и нижней частей картриджа, установку сопла в верхнюю часть картриджа однократными. После извлечения сопла или рассоединения частей картриджа обеспечить плотную и надёжную установку частей относительно друг друга при следующей сборке уже не удастся.
Кроме того, недостатком данного устройства является относительно быстрая изнашиваемость клеммных соединений в результате периодической смены картриджей, а также ненадёжность закрепления клемм в нижней части картриджа.
Кроме того, недостатком данного устройства являются существующие временные затраты на закручивание и откручивание крепёжных болтов при установке и снятии картриджа, изнашиваемость резьбовых соединений в металлическом корпусе картриджа и шляпок крепёжных болтов.
Заявленное техническое решение отличается тем, что обеспечивает быстрое переключение сменного элемента, в качестве которого выступает только горячая часть экструдера в двухсоставном металлическом корпусе, допускающем многоразовую сборку и разборку, сопряжение которого с платой контроллера 3D-принтера осуществляется через штыревые разъёмы, а соединение со стационарной частью печатающей головки не требует крепёжных элементов.
Данный технический результат достигается за счёт того, что сменная часть печатающей головки состоит из двух элементов, основной и ответной частей картриджа. Две половинки картриджа стягиваются друг с другом посредством болтов, что обеспечивает хороший тепловой контакт между ними. Корпус картриджа изготавливается из материала с высокой теплоотдачей и имеет значительную площадь контакта с теплообменником, закреплённом на стационарной части печатающей головки, что избавляет от необходимости использовать термопасту или другие средства улучшения теплообмена.
Внутри основной части картриджа имеются посадочные места, куда устанавливаются нагревательный элемент, сопло и плата. Их установка осуществляется до соединения основной и ответной частей картриджа. На обратной стороне платы имеется штыревой разъём, выходящий в технологическое окно корпуса основной части картриджа.
Электрические контакты нагревательного элемента и термоэлектрического датчика подключаются к плате до соединения основной и ответной частей картриджа. В ответной части картриджа имеются симметричные посадочные места для нагревательного элемента, сопла и платы, что при стягивании двух половин обеспечивает хороший тепловой контакт между корпусом картриджа и перечисленными элементами, а также их надёжную фиксацию. Такая конструкция позволяет осуществлять многократную сборку и разборку картриджа без значительных усилий.
Штыревой разъём используется для сопряжения электрических элементов картриджа и платы контроллера 3D-принтера. Ответная часть штыревого разъёма закреплена на стационарной части печатающей головки. Жёсткое закрепление между частями картриджа платы, на которую установлен штыревой разъём, обеспечивает простоту, надёжность и долговечность работы электрических соединений при периодической смене картриджей. Дополнительные свободные контакты штыревого разъема позволяют обеспечить цифровую коммуникацию и передачу параметров картриджа.
Конструкция картриджа позволяет осуществлять его плотную посадку в горизонтальный паз, сделанный в стационарной части печатающей головки. При установке картридж перемещается по направляющим, представляющим собой части горизонтального паза и имеющих специальную форму, предотвращающую отклонение в сторону от направления движения. Это также позволяет сохранить от случайных повреждений электрические соединения. По завершении установки картридж плотно примыкает к стенке теплообменника, установленного на стационарной части печатающей головки, а штыревой разъём надёжно соединяется со своей ответной частью. Во время работы 3D-принтера сверху в картридж поступает филамент, оказывая на картридж усилие, направленное перпендикулярно плоскости движения картриджа. Совокупность перечисленных конструктивных особенностей избавляет от необходимости использования каких-либо крепёжных элементов для фиксации съёмного картриджа на стационарной части печатающей головки. Таким образом, время и трудозатраты необходимые на замену картриджа становятся минимальными.
Способ фиксации сопла внутри картриджа, а также картриджа к стационарной части печатающей головки, позволяет обеспечить постоянство общей длины сменной конструкции и избавиться от необходимости юстировки после замены картриджа.
Сущность технического устройства поясняется фиг. 1-5:
на фиг. 1 показан вид спереди предлагаемого быстросменного картриджа;
на фиг. 2 показан вид сзади предлагаемого быстросменного картриджа;
на фиг. 3 показана внутренняя структура основной части картриджа (возможное расположение платы обозначено штриховкой);
на фиг. 4 показана внутренняя структура ответной части картриджа;
на фиг. 5 схематично показана установка картриджа в горизонтальный паз, сделанный в стационарной части печатающей головки.
Быстросменный картридж для печатающей головки FDM 3D-принтера, включающий основную 1 и ответную 2 части картриджа, соединённые между собой и образующие корпус картриджа, причём нагревательный элемент, сопло 3 и плата 4 устанавливаются в посадочные места 5 внутри корпуса картриджа до соединения частей картриджа так, что при соединении частей картриджа нагревательный элемент сопло и плата фиксируются, при этом штыревой разъём 6 соединён с платой и выходит через технологическое окно в корпусе картриджа, при этом картридж устанавливается в горизонтальный паз 7, сделанный в стационарной части 8 печатающей головки так, что не требуется каких-либо крепёжных элементов для его фиксации.
Заявленное устройство работает следующим образом. Принято считать, что экструдер FDM 3D-принтера состоит из двух частей. Во-первых, горячей части, состоящей из сопла и нагревательного блока, к которому подводится нагревательный элемент и датчик контроля температуры. Во-вторых, холодной части, состоящей в общем случае из подающего механизма, электродвигателя, термобарьера и радиатора, который крепится так, что окружает термобарьер. Соединение между горячей и холодной частью осуществляется разными способами. Например, термобарьер с помощью резьбового соединения соединяется с корпусом печатающей головки или термобарьер соединяется с радиатором при помощи прижимных болтов.
В случае предлагаемого устройства, функция термобарьера, т.е. обеспечения максимально высокого градиента температуры сопла и пластика между холодной и горячей частями экструдера, осуществляется за счёт совокупного вклада теплоотдачи корпуса картриджа и охлаждающей способности теплообменника, закреплённого на стационарной части печатающей головки, к которому прилегает основная часть картриджа. Благодаря хорошему тепловому контакту между плоскостью основной части картриджа и плоскостью теплообменника, а также плотному контакту между картриджем и соплом, зажатым в специальном посадочном месте внутри картриджа, происходит эффективное рассеяние мощности и охлаждение картриджа, верхней части сопла и экструдера в целом. Охлаждается и участок картриджа, где располагается нагревательный элемент, что предотвращает от перегрева и сам элемент, и картридж. Нежелательного охлаждения сопла в той части где необходима его стабильная высокая температура при этом не происходит и в нём поддерживается высокий градиент температуры.
При возникновении потребности в смене картриджа требуется приостановить процесс печати. Затем с помощью стандартной операции необходимо извлечь пластик из быстросменного картриджа. Следующим шагом является отключение подачи электрической энергии на нагревательный элемент.
Затем остаётся только взять картридж за корпус и движением от печатающей головки на себя извлечь его из горизонтального паза, сделанного в печатающей головке. При выполнении этой операции произойдёт разъединение штыревого разъёма с его ответной частью, установленной в стационарной части печатающей головки.
Далее устанавливается новый картридж. После того как картридж попадёт в горизонтальный паз, необходимо поступательным движением от себя перемещать картридж до тех пор, пока он не упрётся в плоскость теплообменника и не произойдёт соединение штыревого разъёма с его ответной частью.
Способ фиксации сопла внутри картриджа, а также картриджа в стационарной части печатающей головки, позволяет обеспечить постоянство общей длины сменной конструкции и избавиться от необходимости юстировки после замены картриджа.
Последним шагом требуется включить подачу электроэнергии на нагревательный элемент и загрузить пластик в картридж с помощью стандартной операции. После этого можно возобновить печать.