Печатающая головка 3D-принтера послойного наплавления

Полезная модель относится к области изготовления изделий аддитивными технологиями добавочным нанесением (наплавлением) с использованием термопластичных полимерных материалов. Устройство может быть использовано в любых конструкциях 3D-принтеров, работающих по технологии послойного наплавления с одной, двумя или более печатающимися головками.
Известна печатающая головка 3D-принтера послойного наплавления (патент РФ 161249, опубл. 10.04.2016 г.), содержащая выполненную в едином корпусе подвижную платформу с размещенными на ней двумя соплами с нагревателями и механизмом переключения сопел, положение которой определяется датчиком положения подвижной платформы и ограничивается позиционным ограничителем, причем печатающая головка 3D-принтера снабжена клапаном для сопел, выполненном с возможностью прогиба, обеспечивающим запирание одного из сопел и открывание другого при переключении. Кроме того, механизм переключения сопел содержит эксцентрик, приводимый от мотора эксцентрика, управляемого модулем управления принтера, ведомые шестерни первого и второго сопел, последовательно входящие в зацепление с ведущей шестерней. Недостатком указанной полезной модели является невозможность печати материалов с повышенной хрупкостью, такими как высоконаполненные полимерные композиции. Кроме того, недостатком данной полезной модели является технологически сложная конструкция устройства, а именно необходимость использования при переключении сопел печатающей головки, датчика положения, позиционного ограничителя и механизма переключения сопел, которое выполнено из множества конструктивных элементов, таких как шестерни первого и второго сопел, и ведущей шестерни. Что сказывается на надежности изделия в целом, так как выход из строя даже одного из вышеперечисленных элементов (датчика положения, позиционного ограничителя, заклинивание шестерней) приводит к поломке устройства.
Известна печатающая головка 3D-принтера (патент на полезную модель РФ 171905, опуб. 20.06.2017 г.) 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, выполненным с возможностью самозапирания эксцентрика, фиксирующегося в одном из рабочих положений в профилированном вырезе пластины, установленной на единой платформе. Недостатком печатающей головки по данной модели является затрудненная печать хрупкими филаментами из-за возможности их повреждения при протягивании через устройство. В свою очередь это может приводить к постоянным сбоям при печати и ограничивает область используемых материалов для 3D-печати.
Прототипом печатающей головки является модель (патент на полезную модель РФ 189770, опуб. 03.06.2019 г.). Печатающая головка 3D-принтера, содержащая корпус и экструдеры, каждый из которых состоит из сопла, нагревательного и охлаждающего элементов, соединенных с радиатором, жестко связанным с ползуном линейной направляющей, а также механизм переключения экструдеров с приводом, связанным с системой управления, отличающаяся тем, что механизм переключения экструдеров состоит из привода вращения, соединенного с валом, на котором установлен торцевой кулачок, взаимодействующий с толкателем, выполненным в виде пальца, жестко связанным с ползуном линейной направляющей. Данное устройство позволяет использовать большой тип расходных материалов и обеспечить довольно точную печать. Однако, применение в данной конструкции печатающей головки материалов с высокой хрупкость, такими как высоконаполненные полимерные композиции, является невозможным, так как при протяжке возможен излом филамента, что приводит к сбою в печати или поломке печатающей головки.
Технической результат предполагаемой полезной модели выражается в обеспечении возможности печати хрупкими филаментами, такими как наполненные и армированные термопластичные композиции.
Технический результат достигается тем, что печатающая головка 3D-принтера послойного наплавления, предназначенная для печати материалами с повышенной хрупкостью, включающая экструдер с нагревательным элементом, систему подачи печатающего элемента, отличающаяся тем, что система подачи выполнена в виде револьвера, включающего от 6 каналов до 20 каналов для подачи филамента с механизмом поворота с автоматическим позиционированием канала на печатающиеся сопла после расходования филамента в каждом канале.
Схема печатающей головки 3D-принтера послойного наплавления револьверного типа представлена на фигуре 1 и 2.
На фиг.1 показана печатающаяся головка 3D-принтера револьверного типа. Печатающая головка по фиг.1 включает 1- термобарьер, 2 - радиатор охлаждения, 3 - стопорный винт, 4 - нагревательный блок, 5 - сопло, 6 - револьвер.
На фиг.2 показана печатающаяся головка 3D-принтера револьверного типа с возможностью одновременной подачи нескольких филаментов. Печатающая головка по фиг.2 включает 1- экструдер внешний, 2 - экструдер внутренний (заливочное сопло), 3 - переходник, 4 - сопло подачи филамента (точное сопло), 5 - буртик, 6 - револьвер.
Печатающая головка 3D-принтера работает следующим образом.
Согласно заданным условиям печати, выводят необходимые параметры и режимы работы 3D-принтера. Термобарьер 1, радиатор охлаждения 2, и нагревательный блок 4 выполняют функцию поддерживания оптимальной температуры. Стопорный винт 3 предназначен для возможности запирания сопла и прекращения подачи материала. Филамент подается в сопло печатающей головки 5 через револьвер 6, включающий от 6 отверстий до 20 отверстий для филамента. Как правило, филамент является непрерывным и может постоянно подаваться через одно отверстие печатающей головке. Однако филамент из высоконаполненных полимерных композиций или армированных не может быть непрерывным, Это обусловлено наличием наполнителя, в результате чего филамент становится хрупким. По этой причине филамент можно подавать только дискретно, а для получения при печати изделия хорошего качества подача должна быть не прерывна. Револьверная подача материала как раз решает данную проблему. Так, в процессе печати при завершении одного филамента происходит поворот револьвера с переключением на последующий материал. По мере расхода филамента в револьвере в него добавляется дополнительные порции, что обеспечивает непрерывность печати. Подача ограниченными участками позволяет производить печать материалов с повышенной хрупкостью таких как, высоконаполненные полимерные композиции, огнестойкие полимерные композиции, теплопроводящие полимерные композиции.
На фиг.2 показана модель, позволяющая печать одновременно несколькими материалами. Для формирования контура изделия во внутренний экструдер 2 через револьвер 6 подается печатающий материал, в качестве которого может быть использован пластик, армирующие нити или совокупность различных материалов. Револьвер имеет от 6 отверстий до 20 отверстий для филамента. Точность печати контура изделия обеспечивается за счет меньшего диаметра точного сопла 4 внутреннего экструдера. После формирования контура объекта, осуществляют послойную заливку через заливочное сопло 2 внешнего экструдера 1. При этом заливочный материал поступает в сопло через каналы, образуемые выемками на револьвере 6 на буртике 5 внутреннего экструдера и частью внутренней поверхности первого экструдера. При этом точное сопло 4 также может быть использовано при заливке внутренних полостей объекта. За счет того, что заливочное сопло 2 выполнено большим диаметром, чем точное сопло 4, при одновременной подачи материала из сопел заливка осуществляется со скорость превышающею скорость печати, которая достигается при наличии в устройстве двух поочередно работающих экструдеров. Одновременно реализуется возможность печати материалами разной цветовой гаммы и с разными свойствами. Предлагаемая конструкция головки позволяет получить конструкционное изделие, включающие элементы с различными свойствами за один цикл работы печатающей головки.