3D-принтер

Полезная модель относится к технологии изготовления трехмерного объемного изделия по цифровой 3D-модели, в частности к трехмерному принтеру для создания трехмерной модели методами быстрого прототипирования, и может быть использована в 3D-принтерах при создании объемных изделий посредством последовательного нанесения множества слоев посредством использования термопечатающей головки, выполненной с возможностью перемещения относительно опорного основания для материала по нанесенному слою.
Известны 3D-принтеры, содержащие корпус, расположенную в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную механизмом перемещения печатающей головки в плоскости XY с продольными и поперечными линейными подшипниками, шкивами, взаимодействующими с приводными ремнями, натяжители приводных ремней, моторы перемещения печатающей головки, рабочий стол с нагревателем рабочей поверхности, закрепленном на основании рабочего стола с вертикальными направляющими, винтовой привод перемещения по оси Z с приводным винтом и приводной гайкой для оси Z, контроллер, органы управления, дисплей (см. патент РФ №2552235 по МПК B41F 17/00, опубл. 10.06.2015 г. и патент на полезную модель РФ №164639 по МПК B41F 17/00, опубл. 10.09.2016 г.).
Наиболее близким по технической сущности является 3D-принтер, содержащий корпус, расположенную в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную механизмом перемещения печатающей головки в плоскости XY с продольными и поперечными линейными подшипниками, ведущими шкивами, взаимодействующими с приводными ремнями, натяжители приводных ремней, моторы перемещения печатающей головки, рабочий стол с нагревателем рабочей поверхности, закрепленном на основании рабочего стола с вертикальными направляющими, винтовой привод перемещения по оси Z с приводным винтом и приводной гайкой для оси Z, контроллер, органы управления, дисплей, причем для перемещения каретки по двум осям XY используется только один ремень, а сама каретка перемещается по рельсовым направляющим, количество механизмов подачи расходных материалов составляет не менее двух и расположены на корпусе, который конструктивно выполнен без внутреннего каркаса и из прозрачного материала (см. патент на полезную модель РФ №164639 по МПК B41F 17/00, опубл. 10.09.2016 г.).
Общими недостатками известных 3D-принтеров является недостаточно высокая точность печати из-за деформации рабочего стола при его прогреве, что обусловлено высоким коэффициентом линейного расширения металла. Основание рабочего стола имеет недостаточную жесткость и прочность, допуская повышенные люфты относительно вертикальной и горизонтальной оси. В известных принтерах усложнена возможность замены печатающей головки при необходимости изменения параметров печати или смене материала для печати, а также в случае неисправности печатающей головки. Недостатком также является сложность равномерного натяжения приводных ремней, что приводит к неравномерной нагрузке на моторы, преждевременному износу, снижая тем самым надежность работы принтера.
Техническим результатом является повышение точности печати и надежности работы принтера.
Технический результат достигается тем, что в 3D-принтере, содержащем корпус, расположенную в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке, механизм перемещения печатающей головки в плоскости XY с продольными и поперечными линейными подшипниками, шкивы, взаимодействующие с приводными ремнями, натяжители приводных ремней, моторы перемещения печатающей головки, рабочий стол с нагревателем рабочей поверхности, закрепленном на основании рабочего стола с вертикальными направляющими, винтовой привод перемещения по оси Z с приводным винтом и приводной гайкой, и контроллер, и органы управления, и дисплей, расположенные на корпусе, согласно полезной модели он снабжен опорной пластиной с низким коэффициентом линейного расширения и высокой теплоемкостью, закрепленной на основании рабочего стола, при этом натяжители приводных ремней выполнены с плавной регулировкой в виде пластины и винта натяжителя, упомянутые шкивы включают кинематически связанные ведущие, опорные и направляющие шкивы, при этом направляющие шкивы расположены соответственно выше и ниже плоскости ведущих шкивов, а печатающая головка установлена на каретке при помощи винтовой фиксации. Приводная гайка установлена с возможностью отклонения от плоскости рабочего стола посредством ее крепления стопорным винтом. Приводной винт выполнен с опорой торцом на шарик, закрепленный в основании корпуса принтера, а нижней боковой поверхностью зафиксирован в подшипнике приводного винта. Корпус линейного подшипника основания рабочего стола соединен с основанием рабочего стола и задней стенкой рабочего стола. Органы управления и дисплей расположены на корпусе с правой стороны. Рабочий стол с нагревателем рабочей поверхности и печатающая головка оборудованы электроразъемами. Опорная пластина нагревателя выполнена из керамического материала.
Сущность заявляемого 3D-принтера поясняется на чертежах, выполненных в объемном изображении с теневой проработкой.
На фиг. 1 изображен общий вид; на фиг. 2 изображена конструкция основания рабочего стола; на фиг. 3 - фрагмент, поясняющий конструкцию опоры приводного винта; на фиг. 4 - устройство перемещения печатающей головки; на фиг. 5 - то же, вид слева; на фиг. 6 изображен фрагмент, поясняющий устройство натяжителя приводного ремня; на фиг. 7 изображена конструкция (фрагмент) крепления печатающей головки.
Заявляемый 3D-принтер содержит корпус 1, расположенную в корпусе 1 печатающую головку 2, закрепленную на каретке 3 и снабженную механизмом перемещения печатающей головки в плоскости XY, рабочий стол 4, контроллер 5, органы управления 6, дисплей 7.
Органы управления 6 и дисплей 7 расположены на корпусе 1 с правой стороны. Корпус 1 снабжен ручками 8 и 9 для переноски и кронштейном для расходного материала 10. Корпус 1 выполнен со съемными верхней 11, передней 12 крышками из прозрачного материала и съемной боковой крышкой 13. Боковая крышка 13 закрывает детали, которые находятся в отсеке внутри корпуса 1 это контроллер 5, блок питания и моторы (на чертеже не показаны),
Детали корпуса 1 выполнены из стали толщиной 1-2 мм при помощи высокоточной лазерной резки и прецизионной гибки, покрашены полимерной краской. Между собой детали корпуса 1 соединены при помощи винтов и заклепок.
Рабочий стол 4 с нагревателем рабочей поверхности и опорной пластиной закреплен на основании рабочего стола 14 с приводным винтом 15 и приводной гайкой 16 винтового привода для перемещения по оси Z.
Опорная пластина 17 из керамического материала закреплена на рабочем столе 4. Рабочий стол 4 оборудован электроразъемами 18.
Приводная гайка 16 установлена с возможностью отклонения от плоскости рабочего стола 4 посредством ее крепления стопорным винтом 19.
Линейный подшипник основания рабочего стола 20 соединен с основанием рабочего стола 14 и задней стенкой основания рабочего стола 21.
Приводной винт 15 торцом опирается на опорный шарик 22, закрепленный в основании корпуса 23, а нижней боковой поверхностью зафиксирован в подшипнике приводного винта 24.
Механизм перемещения печатающей головки в плоскости XY содержит продольные линейные подшипники 25 и 26, продольные направляющие линейных подшипников 27 и 28, поперечный линейный подшипник 29, направляющую поперечного линейного подшипника 30, ведущие шкивы 31 и 32, взаимодействующие с приводными ремнями 33 и 34,
Продольные направляющие линейных подшипников 27 и 28 расположены по оси X и жестко закреплены в верхней части корпуса на крепежной пластине 35, а направляющая поперечного линейного подшипника 30, расположена по оси Y между двумя продольными линейными подшипниками 25 и 26, с возможностью перемещения по продольным направляющим линейных подшипников 27 и 28.
Приводные ремни 33 и 34 кинематически связаны с ведущими шкивами 31 и 32, опорными шкивами 36 и нижним и верхним направляющими шкивами 37 и 38. Причем нижний направляющий шкив 37 расположен ниже, а верхний направляющий шкив 38 выше плоскости ведущих шкивов 31 и 32, концы приводных ремней 33 и 34 закреплены на каретке 3.
Для натяжения приводных ремней 33 и 34 используется натяжители с плавной регулировкой. Натяжители приводных ремней состоят из закрепленной на крепежной пластине 35 пластины натяжителя 38, винта натяжителя 39, фиксирующих винтов 40.
Для быстрой замены печатающей головки 2, предусмотрен паз 41 в каретке 3 паз 42 в печатающей головке 2, фиксация винтами 43, имеются электроразъемы.
Заявляемый 3D-принтер работает следующим образом.
Перед началом печати на персональном компьютере с помощью соответствующего графического программного обеспечения, например, Компас 3D, AutoCad, SolidWorks, Blender, 3ds Max, Google SketchUp формируют 3D-модель детали.
После чего сформированную модель загружают в специальное программное обеспечение, обеспечивающее разбиение модели на слои и подготовку задания для печати. Определяют необходимые параметры и условия для печати, в частности, разрешающую способность печати, скорость перемещения печатающей головки 2, толщину внешней оболочки изделия, процент заполнения изделия материалом пластика (от 0% - при изготовлении полых деталей, до 100% - при изготовлении сплошных деталей), необходимость построения поддерживающих структур при наличии навесных элементов у модели, режим охлаждения детали посредством управления режимом работы вентилятора печатающей головки 2 и другие параметры доступные в программном обеспечении.
В зависимости от типа материала выбирают температуру в печатающей головке 2, температуру нагрева рабочего стола 4.
По окончанию подготовки задания, загружают подготовленное задание в контроллер 5 при помощи карты памяти или интерфейсов USB, Wi-Fi и др. По окончанию всех подготовок запускают печать.
После запуска печати разогреваются до заданных температур печатающая головка 2 и поверхность рабочего стола 4, печатающая головка 2 и рабочий стол 4 совершают поиск нулевых координат по осям XYZ, и далее запускается сам процесс печати изделия на рабочем столе 4.
Послойное нанесение материала на создаваемое изделие осуществляется через экструдер печатающей головки 2.
Материал в виде намотанной на катушку нити поступает через дозатор (на чертеже не показан) в печатающую головку 2, где он переходит в эластичное или пастообразное состояние, после чего под давлением, создаваемым дозатором, подается в сопло.
Механизм перемещения печатающей головки 2 позволяет установить ее в любой точке над поверхностью рабочего стола 4.
Из сопла печатающей головки 2 материал послойно подается на изготавливаемую модель, при этом имеет место разогрев материала предыдущего слоя, что обеспечивает их надежное сцепление между собой.
По окончании работы печатающая головка 2 устанавливается в исходное состояние. После остывания изделие готово для использования.
Крепление приводной гайки 16 стопорным винтом 19 позволило компенсировать влияние отклонения основания рабочего стола 14 от горизонтальной оси при нагрузке на рабочий стол 4, уменьшить перекос между приводной гайкой 16 и приводным винтом 15, повысить плавность хода, уменьшить нагрузку на мотор.
Приводной винт 15 торцом опирается на опорный шарик 22, закрепленный в основании корпуса принтера 23, а нижней боковой поверхностью зафиксирован в подшипнике приводного винта 24, что позволяет устранить вертикальный люфт приводного винта 15, что позволило повысить качество печати и надежность.
Крепление рабочего стола 4 с нагревателем рабочей поверхности на опорной пластине, выполненной из керамического материала с низким коэффициентом линейного расширения, позволяет получить равномерный прогрев рабочего стола 4 и уменьшить деформацию рабочего стола 4 при нагреве, которая влияет на точность печати принтера.
Оборудование рабочего стола 4 с нагревателем рабочей поверхности электроразъемами 18 позволяет упростить замену рабочего стола 4 в случае выхода его из строя.
Соединение корпуса линейного подшипника рабочего стола 20, основания рабочего стола 14 с задней стенкой рабочего стола 14 увеличивает жесткость и прочность основания рабочего стола 14, уменьшая люфты относительно вертикальной и горизонтальной оси, что повысило точность печати принтера.
Плавная винтовая регулировка натяжителей приводных ремней 33 и 34 в виде пластины 38 и винта натяжителя 39 позволяет получить равномерное натяжение приводных ремней 33 и 34 как в процессе изготовления принтера так и в процессе его эксплуатации, равномерный износ приводных ремней 33 и 34, а также равномерную нагрузку на моторы для приводных шкивов, повысить плавность хода, что позволило повысить качество печати и надежность.
Расположение одного направляющего шкива 38 выше, а другого направляющего шкива 37 ниже плоскости ведущих и опорных шкивов 36 позволяет уменьшить перекос приводных ремней, влияющий на износ и увеличить надежность принтера.
Корпус 1 выполнен со съемными верхней 12, передней 13 крышками из прозрачного материала, что позволяет повысить надежность крепления крышек, ограничить внутренний объем принтера от воздействий внешней среды, что позволило повысить качество печати принтера.
Расположение органов управления 6, и дисплея 7 в корпусе 1 с правой стороны позволяет осуществлять удобное наблюдение за процессом печати и дисплеем, при воздействии на органы управления, не закрывается обзор на рабочий стол 4 и дисплей 7.
Выполнение корпуса 1 из стали толщиной 1-2 мм при помощи высокоточной лазерной резки и прецизионной гибки повышает жесткость, прочность и устойчивость конструкция, что позволило повысить качество печати принтера, обеспечивается удобный доступ к внутренним компонентам для настройки и ремонта.
Корпус 1 выполнен со съемной боковой крышкой 13, закрывающей отсек, внутри которого находятся контроллер 5, блок питания и моторы, причем этот отсек отделен от рабочего стола и имеет принудительную вентиляцию, что позволило уменьшить нагрев деталей принтера.
Корпус 1 изнутри оклеен шумопоглащающим и теплоизоляционным материалом для уменьшения шума от подвижных деталей принтера и моторов, а также для уменьшения потери тепла от рабочего стола 4.
Предлагаемый 3D-принтер имеет простую конструкцию, удобен в эксплуатации и надежен в работе, позволяет добиваться высокой точности печати.