ПЕЧАТАЮЩИЙ БЛОК ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ ПОЛИМЕРАМИ ПО ТЕХНОЛОГИИ FDM

Полезная модель относится к области изготовления трехмерных физических объектов послойным нанесением полимерных материалов, в том числе и высокотемпературными полимерами (РЕЕК - полиэфирэфиркетон, PPSU - полифенилсульфон, PEI - полиэфиримид и др.), а точнее к технологиям трехмерной печати объектов расплавленной полимерной нитью (FDM), и может быть использована при изготовлении 3D-моделей широкой сферы их последующего использования, в частности, науке, образовании, промышленности, медицине и пр.
Известно устройство печатающая головка 3D принтера, содержащее выполненную в едином корпусе подвижную платформу с размещенными на ней шаговым электродвигателем, зубчатым шкивом, основанием, фланцем, направляющей пластиной, радиатором, экструдерным узлом в сборе, каналы филамента, шкив ременной передачи, вентилятор, пружину, прижимающую ведомый зубчатый шкив к ведущему, направляющую ось, установленную между двумя опорами, ремень и опоры, при этом переход с одного экструдера на другой реализован путем механического переключения рычагом на направляющей пластине, путем упора в выступ на опоре и фиксации пружиной. (Пат. №174069 РФ МПК B41J 2/00 от 9.11.2016)
К недостаткам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая скорость печати изделий, обусловленная необходимостью перехода с одного экструдера на второй путем механического переключения рычага (например, при печати различным материалом или материалами различного цвета), что снижает надежность устройства. К тому же данная печатающая головка не обеспечивает возможность печати высокотемпературными полимерам.
Известно устройство печатающая головка 3D принтера, включающая два экструдера с нагревающим элементом, систему подачи печатающего материала, отличающаяся тем, что экструдеры выполнены в виде одного разборного узла, образованного путем соосного размещения в корпусе внешнего экструдера, выполненного с заливочным соплом, корпуса внутреннего экструдера, снабженного точным соплом, диаметр которого меньше диаметра заливочного сопла первого экструдера, при этом внутренний экструдер выполнен с буртиком, наружный край которого снабжен радиально расположенными выемками, образующими с частью внутренней поверхности внешнего экструдера каналы для прохождения печатающего материала в заливочное сопло (Пат. №181116 РФ МПК B41J 2/00 от 12.02.2018).
Недостатками данного устройства является невозможность печати высокотемпературными техническими полимерами, использование одного филамента при печати одной модели на рабочем столе, а также недостаточная надежность, обусловленная быстрым износом сопла экструдера, выполненного из материалов с недостаточной износо- и теплостойкостью.
Известно устройство печатающей головки струйного 3D принтера, содержащей 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, при этом печатающая головка 3D принтера снабжена клапаном для сопел, выполненном 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 (Пат. №161249 РФ МПК B41J 2/00 от 04.09.2015).
Недостатками данного устройства являются недостаточная надежность, обусловленная малой надежностью механизма клапана запирания сопел и быстрым износом сопел, выполненных из материалов с недостаточной износо- и теплостойкостью, а также невозможность печати высокотемпературными полимерами.
Известно устройство - печатающий модуль HTmax module для 3D принтера 3DGENCE INDUSTRY F340 производства компании 3DGence Sp.z о.о., st. Mickiewicza 29 40-085 Katowice, Poland. (Инструкция по эксплуатации 3DGence INDUSTRY F340 [электронный ресурс] // IndustryF340_manual_en_21.01 (стр. 54-55) Режим доступа: https://3dgence.com/support/instrukcje.html (дата обращения: 22.01.2019)). Печатающий модуль HTmax module используется в работе 3D принтера для печати высокотемпературными полимерами (филаментами) типа PEEK и включает в себя направляющую втулку, сервомеханизм и его привод, позиционный штифт, разъем D-SUB, вентилятор охлаждения, резьбовое печатающее отверстие, два печатающих сопла с форсунками.
Недостатками данного устройства являются недостаточная надежность, обусловленная невысокой надежностью и малой эффективностью системы охлаждения устройства и быстрым износом сопел, выполненных из материалов с недостаточной износо- и теплостойкостью, а также ограниченное количество видов и типов высокотемпературных полимеров для 3D-печати.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному устройству и принятому за прототип является печатающая головка 3D принтера (Пат. №171905 РФ МПК B41J 2/00 от 17.03.2017), 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, при этом самозапирающийся механизм выполнен в виде пластины с профилированным вырезом, выполненный с возможностью самозапирания эксцентрика, фиксирующегося в одном из рабочих положений в профилированном вырезе пластины, установленной на единой платформе.
Недостатками устройства являются недостаточная надежность устройства, обусловленная быстрым износом сопел, выполненных из материалов с недостаточной износо- и теплостойкостью, малой надежностью механизма вращения эксцентрика и механизма позиционирования сопел с использованием подпружиненных роликов, а так же невозможность печати высокотемпературными полимерам.
Задачей данного технического решения является разработка новой конструкции печатающего блока (печатающей головки) 3D -принтера с расширенными техническими возможностями его применения.
Техническим результатом применения заявляемой полезной модели является повышение надежности технологического процесса 3D-печати высокотемпературными полимерами.
Поставленный технический результат достигается тем, что печатающий блок для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM, включающий два легкосъемных экструдера с нагревательными элементами, клапаны, выполненные с возможностью запирания сопла неактивного экструдера, прижимные ролики, выполненные с возможностью прижимания филамента к подающему механизму для активного в данный момент экструдера, и зубчатую шестеренку, причем прижимные ролики выполнены виде зубчатых шестерен, закрепленных на концах углового рычага и установленных с возможностью зацепления с зубчатой шестеренкой, а каждый экструдер снабжен жидкостным радиатором, при этом канал подачи филамента, проходящий через радиатор и термобарьер, представляет собой полую цилиндрическую керамическую трубку, а сопла экструдеров выполнены из износостойкого титанового сплава, причем радиатор и подающий механизм заключены в термоизолирующий корпус.
Печатающий блок для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM выполнен в виде единого подвижного блока и используется в составе 3D принтера для печати моделей из филамента путем расплавления филамента в сопле и последующего послойного нанесения расплавленного филамента с последующим застыванием для получения твердого 3D объекта. Наличие в печатающем блоке для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM двух легкосъемных экструдеров с нагревательными элементами, клапанов, выполненных с возможностью запирания сопла неактивного экструдера, прижимных роликов, выполненных с возможностью прижимания филамента к подающему механизму для активного в данный момент экструдера, и зубчатой шестеренки, при том, что прижимные ролики выполнены виде зубчатых шестерен, закрепленных на концах углового рычага и установленных с возможностью зацепления с зубчатой шестеренкой, а каждый экструдер снабжен жидкостным радиатором, при этом канал подачи филамента, проходящий через радиатор и термобарьер, представляет собой полую цилиндрическую керамическую трубку, а сопла экструдеров выполнены из износостойкого титанового сплава, причем сам радиатор и подающий механизм заключены в термоизолирующий корпус позволяет использовать две нити полимеров (филамента) при печати одного 3D объекта, а также использовать технические полимеры с высокой температурой плавления.
Таким образом, улучшается качество получаемых 3D объектов, расширяются технические возможности применения 3D принтера с указанным печатающим блоком и повышается надежность технологического процесса FDM печати высокотемпературными полимерами.
Наличие прижимных роликов, выполненных в виде зубчатых шестерен, закрепленных на концах углового рычага и установленных с возможностью зацепления с зубчатой шестеренкой, позволяет повысить усилие, приходящееся на нить филамента, обеспечивая непрерывную подачу нити в экструдер, повышая, таким образом, надежность технологического процесса.
Наличие жидкостного радиатора отводит избыточное тепло, поступающее от нагретых сопел экструдеров, и поддерживает постоянную температуру в канале подачи филамента, что повышает надежность технологического процесса 3D-печати высокотемпературными полимерами.
Наличие полой цилиндрической керамической трубки канала подачи филамента, проходящей через радиатор и термобарьер, улучшает термическую изоляцию, позволяет избегнуть перегрева, расплава филамента, находящегося в это время в канале подачи, и закупорку канала, что значительно повышает надежность технологического процесса 3D-печати высокотемпературными полимерами.
Наличие сопел экструдеров, выполненных из износостойкого титанового сплава, позволяет увеличить эксплуатационный ресурс самих сопел, что повышает надежность технологического процесса 3D-печати высокотемпературными полимерами.
Наличие термоизолирующего корпуса, закрывающего жидкостный радиатор и подающий механизм, предохраняет их от внешнего перегрева, что повышает надежность технологического процесса 3D-печати высокотемпературными полимерами.
На фиг. 1 представлен печатающий блок для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM, на фиг. 2 -печатающий блок для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM без термоизолирующего корпуса, на фиг. 3 - экструдер и радиатор в сборе.
Печатающий блок для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM состоит из двух легкосъемных экструдеров 1 с нагревательными элементами 2, клапанов 3, выполненных с возможностью запирания сопла неактивного экструдера 1, прижимных роликов 4, представляющих собой зубчатые шестерни, закрепленные на концах углового рычага 5 и установленные с возможность зацепления с зубчатой шестеренкой 6, и выполненных с возможностью прижимания нити филамента 7 к подающему механизму для активного в данный момент экструдера 1. Каждый из двух экструдер 1 снабжен жидкостным радиатором 8. Между нагревателем 2 и радиатором 8 установлен термобарьер 9. При этом канал подачи филамента 7, проходящий через радиатор 8 и термобарьер 9, представляет собой полую цилиндрическую керамическую трубку 10. Сопла двух экструдеров 1 выполнены из износостойкого титанового сплава. Для обеспечения непрерывной подачи нити филамента 7 к соплам экструдера 1 установлены соленоиды 11 и тяги 12. Радиатор 9 и подающий механизм заключены в термоизолирующий корпус 13. Печатающий блок установлен на рельсовой направляющей 14 с возможностью перемещения по ней.
Печатающий блок для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM работает следующим образом.
Печатающий блок для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM в виде единого подвижного блока устанавливается на 3D принтере и работает в его составе, перемещаясь по рельсовой направляющей 14. Автоматическая подача нити филамента 7 осуществляется электромеханическим способом с помощью соленоидов 11, воздействующих на тяги 12 и угловой рычаг 5, передающего усилие на прижимные ролики 4. Нити филамента 7 продвигаются по тефлоновым трубкам (на чертежах не показаны) и подаются каждая в свой канал подачи филамента 7, проходя через жидкостный радиатор 8 и термобарьер 9 по полой цилиндрической керамической трубке 10, а далее в сопло соответствующего экструдера 1, предварительно разогретое нагревателем 2, при этом тепло от нагревателя 2 через термобарьер 9 отводится в радиатор 8, а полая цилиндрическая керамическая трубка 10 препятствует расплаву филамента 7 и закупорке канала его подачи. Филамент 7 из сопла экструдера 1, не закрытого клапаном 3, в расплавленном виде послойно наносится на рабочий стол 3D принтера для печати объекта.
Во время печати наличие прижимных роликов 4, выполненных в виде зубчатых шестерен, закрепленных на концах углового рычага 5 и установленных с возможностью зацепления с зубчатой шестеренкой 6, позволяет повысить усилие, приходящееся на нить филамента 7, обеспечивая его непрерывную подачу в экструдер 1, повышая, таким образом, надежность технологического процесса.
Во время печати наличие жидкостного радиатора 8 позволяет отводить избыточное тепло, поступающее от нагретых сопел двух экструдеров 1, и поддерживать постоянную температуру в канале подачи филамента 7, что повышает надежность технологического процесса печати высокотемпературными техническими полимерами.
Во время печати выполненный в виде полой цилиндрической керамической трубки 10 канал подачи филамента 7, проходящей через радиатор 8 и термобарьер 9, позволяет улучшить термическую изоляцию, тем самым избегнув перегрева и расплава филамента 7, находящегося в это время в канале подачи, и закупорку канала, что повышает надежность технологического процесса печати высокотемпературными техническими полимерами.
Выполнение сопел обоих экструдеров 1 из износостойкого титанового сплава увеличивает эксплуатационный ресурс самих сопел, что повышает надежность технологического процесса печати высокотемпературными техническими полимерами.
Наличие термоизолирующего корпуса 13, закрывающего жидкостный радиатор 8 и подающий механизм, предохраняет их от внешнего перегрева, что повышает надежность технологического процесса печати высокотемпературными техническими полимерами.
Таким образом, выполнение прижимных роликов 4 в виде зубчатых шестерен, закрепленных на концах углового рычага 5 и установленных с возможностью зацепления с зубчатой шестеренкой 6, при снабжении каждого из двух экструдеров 1 жидкостным радиатором 8 и выполнении канала подачи филамента 7, проходящего через радиатор 8 и термобарьер 9, в виде полой цилиндрической керамической трубки 10, а сопел обоих экструдеров 1 из износостойкого титанового сплава, причем радиатор 8 и подающий механизм заключены в термоизолирующий корпус 13, при использовании в печатающем блоке для 3D-печати высокотемпературными полимерами по технологии FDM повышают надежность технологического процесса печати высокотемпературными полимерами, а также позволяют улучшить качество получаемых 3D объектов и расширяют технические возможности применения 3D принтера.