БЫСТРОСМЕННЫЙ КАРТРИДЖ ДЛЯ ПЕЧАТАЮЩЕЙ ГОЛОВКИ 3D-ПРИНТЕРА

Полезная модель относится к области аддитивных технологий, а точнее к трёхмерной печати объектов по 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, представляющая собой сопло, через которое происходит истечение жидкого материала, а также резистивный нагревательный элемент, обеспечивающий посредством прямой теплопередачи достаточную для плавления полимерного материала температуру сопла. Второй компонентой является механизм, подающий твёрдую полимерную нить через термобарьер 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 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 (US00D762752S1, опубл.2.08.2016 г.) 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 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://e3d-online.com/cyclops; https://wiki.e3d-online.com/Cyclops_%26_Chimera_Documentation; 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 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 будет произвести переподключение нагревательного элемента и термистора  на управляющей плате или на самой конструкции. В первом случае необходимо будет извлечь провода вместе со сменной конструкцией и проложить новые к плате, во втором случае извлечь термистор и нагревательный элемент из предыдущей 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.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент US20170043536А1 от 16.02.2017. - "Three-dimensionalprintertoolsystems". Данная печатающая головка FDM 3D принтера представляет собой быстросъёмную цельную конструкцию, включающую в себя горячую и большое количество элементов холодной части экструдера с внешним пластиковым корпусом. 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 картриджа на стационарную часть печатающей головки соединяется с валом мотора через дополнительный узел. Прижимной ролик снабжён энкодером, сообщающим на встроенную в корпус плату о вращении прижимного ролика и соответственно о наличии или отсутствии филамента во время печати. Также в корпус встроена ещё одна плата, на которую заведены контакты нагревательного элемента и термистора. На эту же плату с другой стороны корпусаустановлены контакты, обеспечивающие сопряжение картриджа с основной управляющей платой принтера. Крепление самого картриджа 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 игорячей части экструдера, что существенно усложняет устранениедаже 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.
Заявленное техническое решение отличается тем, что обеспечивает быстрое переключение сменного элемента, в качестве которого выступает только горячая часть экструдера.
Данный технический результат достигается за счёт того, что сменная горячая часть, состоит из двух элементов, нижней и верхней части картриджа. Эти две части соединены между собой методом горячей посадки, что обеспечивает хороший тепловой контакт между ними и избавляет от необходимости использования термопасты и других средств для улучшения теплообмена.
Контакты нагревательного элемента, расположенного в нижней части картриджа, и термопары выведены на электрические соединения, закреплённые также в нижней части картриджа. В качестве электрических соединений выступают клеммы, легко и быстро соединяющиеся и разъединяющиеся со своими ответными частями, которые устанавливаются на стационарной части печатающей головки.
Верхняя часть картриджа изготавливается из материала с высокой теплоотдачей и имеет большую площадь контакта с теплообменником, закреплённом на стационарной части печатающей головки, что и здесь избавляет от необходимости использовать термопасту или другие средства улучшения теплообмена.
Способ крепления сопла к верхней части картриджа, а верхней части картриджа к теплообменнику, позволяет обеспечить постоянство общей длины сменной конструкции и избавиться от необходимости юстировки после замены картриджа.
Конструкция обладает небольшим размером и массой, что положительно влияет на скорость и точность печати.
Процесс замены картриджа почти не требует времени и трудозатрат, что сокращает простои оборудования.
Сущность технического устройства поясняется фиг. 1-2:
на фиг. 1 показан вид сбоку предлагаемого быстросменного картриджа,
на фиг. 2 показан изометрический вид предлагаемого быстросменного картриджа.
Быстросменный элемент включает нижнюю часть элемента 1 и верхнюю часть элемента 2, соединённых между собой методом горячей посадки так, что верхняя часть вкладывается в нижнюю, причём в верхнюю часть элемента методом горячей посадки устанавливается сопло 3, причём так, чтобы сопло проходило через соосное отверстие в нижней части элемента, а в нижнюю часть элемента устанавливается крепёж для клемм 4, причём так, что крепёж для клемм вкладывается в нижний элемент, а в крепёж для клемм вставляются три клеммы 5.
Заявленное устройство работает следующим образом. Принято считать, что экструдер 3D принтера состоит из двух частей. Во-первых, горячей части, состоящей из сопла, нагревательного блока, термобарьера и в общем случае темплообменника, который крепится так, что окружает термобарьер. Во-вторых, холодной части, состоящей в общем случае из подающего механизма и мотора. Соединение между горячей и холодной частью осуществляется разными способами. Например, термобарьер с помощью резьбового соединения соединяется с кареткой или термобарьер соединяется с радиатором при помощи прижимных болтов. В случае предлагающегося устройства верхняя часть картриджа в значительной мере играет роль термобарьера и вставляется втулкой в соответствующее отверстие в теплообменнике, закреплённом на стационарной части печатающей головки. Благодаря большому контакту между плоскостью верхней части картриджаи плоскостью теплообменника, а также между втулкой верхней части картриджа и стенками отверстия теплообменника происходит эффективное рассеяние мощности и охлаждение картриджа. А так как верхняя часть картриджа установлена методом горячей посадки в нижнюю часть картриджа и между ними хороший теплообмен, то эффективно охлаждается и нижняя часть картриджа, где находится нагревательный элемент. 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 извлечь пластик из горячей части экструдера. Далее необходимо открутить снизу два крепёжных болта, прижимающих картридж к стационарной части печатающей головки, и обеспечивающих жёсткость конструкции. После чего отключить нагрев сопла. Последним шагом необходимо движением по направлению от печатающей головки к столу снять картридж. При выполнении этой операции произойдёт разъединение клемм с их ответной частью в стационарной части экструдера. Вместе с этим втулка верхней части картриджа покинет отверстие в теплообменнике.
Обратным движением устанавливается новый картридж. Затем устанавливаются крепёжные болты. Способ крепления сопла к верхней части картриджа, а верхней части картриджа к теплообменнику, позволяет обеспечить постоянство общей длины сменной конструкции и избавиться от необходимости юстировки после замены картриджа.
Таким образом, после замены картриджа необходимо включить нагрев сопла, загрузить пластик обратно в горячую часть и продолжить печать.