3D-ПРИНТЕР "ВЕПР"

Полезная модель относится к технологии изготовления трехмерного (объемного) изделия (физического объекта) по цифровой 3D-модели методом экструзионного осаждения последовательных слоев текучего строительного материала, в частности, расплавленной полимерной нити, с помощью 3D-принтера и может быть использована для производства изделий в различных областях человеческой деятельности, например, деталей машин, протезов, имплантатов, сувениров и других изделий любой формы сложности.
Известен 3D-принтер для послойного изготовления объемных деталей, включающий печатающую головку, закрепленную на кронштейне с возможностью перемещения только в вертикальном направлении (по оси Z), каретку, снабженную модулем ее перемещения в плоскости только по оси X, на которой закреплен рабочий стол с автономным модулем перемещения в плоскости только по оси Y, контроллер, выполненный с возможностью управления процессом послойного изготовления (выращивания) объемных деталей; емкость с расходным материалом, содержащую компрессор для подачи расходного материала в печатающую головку. В качестве расходного материала используются самотвердеющие материалы, такие как воск, термопластичные и эпоксидные смолы, расплавленные металлы, вспенивающиеся пластики, стекло и им подобные материалы [см. пат. США №5121329 по классу G06F 15/46, опубликованный 09.06.1992 г.].
Данному техническому решению присущи, по крайней мере, три существенных недостатка, а именно. Во-первых, несовершенство привода перемещения печатающей головки, обусловленное креплением головки непосредственно на штанге, перемещающей ее в вертикальной плоскости, что вынуждает вместе с перемещением головки перемещать и систему подачи в головку строительного материала, а это приводит к появлению сил инерции из-за значительной массы перемещаемых узлов, что, в итоге, приводит к неточности или к погрешностям укладки по заданной траектории строительного материала; во-вторых, использование в качестве строительного материала полужидкой массы, подаваемой из емкости, требует использования системы трубопроводов, которые загрязняются застывающей массой строительного материала в период простоя принтера и требуют специального ухода; в-третьих, специфика используемого строительного материала требует определенного времени его застывания (даже с использованием отвердителей), что снижает производительность принтера в целом.
Перечисленные недостатки устранены в 3D-принтере для послойного изготовления объемных деталей, включающем корпус, расположенную в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную модулем ее перемещения в плоскости XY; рабочий стол, выполненный с возможностью подогрева рабочей поверхности, закрепленный на основании и снабженный модулем поворота относительно оси Z; контроллер, выполненный с возможностью управления процессом послойного изготовления (выращивания) объемных деталей; катушку (картридж) с проволочным расходным материалом, выполненную с возможностью подачи расходного материала в печатающую головку. При этом модуль перемещения каретки с печатающей головкой включает две направляющих (первую и вторую), расположенные параллельно друг другу, которые определяют первую ось перемещения для печатающей головки; перекладину, определяющую вторую ось перемещения печатающей головки, и первый конец которой подвижно соединен с первым направляющей, а второй - со второй; на перекладине подвижно закреплена каретка с печатающей головкой с возможностью перемещения вдоль второй оси; первую приводную систему, включающую первый приводной ремень, имеющий Н-образную геометрию расположения и образующий первый контур перемещения каретки с печатающей головкой по осям X и Y, а также вторую и третью приводные системы, включающие второй и третий приводные ремни, образующие второй и третий контуры перемещения, соответственно, при этом второй приводной ремень имеет Р-образную геометрию расположения, а третий ремень расположен симметрично относительно второго; ремни проходят вдоль перекладины, вдоль одной из направляющих и частично вдоль второй направляющей. Второй контур перемещения обеспечивает движение печатающей головки по оси X, а третий - поворот печатающей головки вокруг ее оси. Механизм перемещения предусматривает возможность использования дополнительных приводных ремней (контуров перемещения) [см. пат. США №8042425 по классу В66С 23/00, опубликованный 25.10.2011 г.].
В данном техническом решении для позиционирования печатающей головки принтера использованы три контура перемещения, не связанные между собой. При этом в плоскости осей X-Y используется Н-образный контур и два мотора, установленных на шасси, а также два контура Р-образных ремней. При этом перемещение головки по оси X и по оси Y обеспечивает Н-образный контур посредством вращения моторов одновременно в одном или противоположном направлениях, соответственно. Остальные варианты реализации придают принтеру возможность управления печатающей головкой (вращение, перемещение по третьей координате) с помощью дополнительных контуров перемещения. Первый Н-образный контур обеспечивает минимальную массу подвижной части системы, геометрическую перпендикулярность осей X-Y и максимальную полезную рабочую площадь, однако расположение трех контуров ремней в разных плоскостях в динамике создает паразитные силы, увеличивающие нагрузку на подвижное соединение осей X-Y, что уменьшает ресурс работы системы перемещения и уменьшает ее надежность.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемым за прототип, является 3D-принтер для послойного изготовления объемных деталей, включающий корпус, состоящий из несущей рамы и отдельной обшивки, расположенную в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную модулем ее перемещения в плоскости XY и механизмом подачи расходного материала; рабочий стол, выполненный с возможностью подогрева рабочей поверхности, закрепленный на основании и снабженный модулем перемещения по оси Z; контроллер, выполненный с возможностью управления процессом послойного изготовления (выращивания) объемных деталей; катушку (картридж) с проволочным расходным материалом, выполненную с возможностью подачи расходного материала в печатающую головку. При этом устройство для перемещения печатающей головки в плоскости XY включает две продольные и, по крайней мере, одну поперечную направляющие для перемещения печатающей головки в плоскости XY, выполненные в виде круглых валов, где продольные направляющие расположены по оси Y и жестко закреплены на основании, а поперечная направляющая расположена по оси X между двумя продольными направляющими с возможностью перемещения по ним; каретку, на которой закреплена печатающая головка, выполненная с возможностью перемещения по поперечной направляющей; два приводных ремня, концы которых закреплены на каретке с образованием двух связанных между собой контуров, предназначенных для перемещения каретки с печатающей головкой в плоскости XY посредством двух ведущих шкивов, соединенных с их приводами с возможностью независимого вращения шкивов в одном или противоположном направлениях, один из которых передает тяговое усилие на первый приводной ремень, а второй - на второй приводной ремень, при этом один из контуров образован Р-образным расположением первого ремня, а второй контур образован вторым ремнем, расположенным симметрично относительно расположения первого ремня с осью симметрии, расположенной параллельно продольным направляющим и на равноудаленном расстоянии от них, при этом рабочие части ремней двух контуров, проходящие вдоль поперечной направляющей, расположены в одной плоскости XY [см. пат.Российской Федерации №2552235 по классу B41F 17/00, опубликованный 10.06.2015 г.].
Основным существенным недостатком принтера, выбранного за прототип, является то, что для перемещения каретки по осям XY используется два ремня. Такая кинематическая схема требует использование дополнительных узлов для обвода каждого из ремней. Кроме того, два ремня, расположенных в одной плоскости, обязательно будут пересекаться, следовательно, появляется участок, где один ремень трется о другой, что приводит к их истиранию и растягиванию. Использование двух ремней автоматически приводит к увеличению мест их соединения и сопряжения, которые занимают определенное пространство, а это, в свою очередь, усложняет натяжение ремней и осуществление контроля и регулировку натяжения. То есть, использование в кинематической схеме известного принтера двух ремней для перемещения каретки, в целом, усложняет его конструкцию и обслуживание.
Вторым существенным недостатком известного технического решения, принятого за прототип, является то, что механизм подачи расходного материала расположен непосредственно на каретке, что, априори, подразумевает более низкую скорость и точность работы данного элемента конструкции из-за увеличения веса подвижной части конструкции в целом, и действующих на нее сил инерции при перемещении. К тому же, такая компоновочная схема способствует растяжению и преждевременному износу ремней перемещения, усложняет доступ к узлу подачи при периодическом его обслуживании. Также, следует отметить, что двигатель механизма подачи, находящийся непосредственно над нагревательными элементами, перегревается, что негативно сказывается на его работе.
Очередной существенный недостаток прототипа заключается в том, что его корпус состоит из несущей рамы и отдельно обшивки, что увеличивает вес конструкции и усложняет доступ во время обслуживания.
Четвертым существенным недостатком известного технического решения является то, что данный принтер может работать только с одним расходным материалом, что обусловлено наличием только одного картриджа и одного механизма подачи расходного материала, а это ограничивает технические возможности получения изделий с разными свойствами. Увеличить количество расходных материалов, например, до двух видов, в данной компоновочной схеме не представляется возможным, поскольку в этом случае пришлось бы устанавливать на каретке второй механизм подачи расходного материала, что еще в большей степени увеличит ее вес, ухудшит обзор, снизит точность перемещения каретки, о чем уже говорилось выше.
Пятым существенным недостатком известного принтера, принятого за прототип является то, что в качестве направляющих для перемещения каретки используют круглые валы с линейными подшипниками или бронзовыми втулками (подшипник скольжения). Линейные подшипники, как известно, имеют меньшую точность и больший люфт, а подшипники скольжения при минимальных посадочных зазорах, необходимых для обеспечения высокой точности и плавности движения, быстро истираются, т.е. имеют существенно меньший ресурс работы.
Таким образом, перечисленные технические недостатки, присущие известному техническому решению, в совокупности, усложняют его конструкцию и обслуживание, приводят к снижению ресурса работы ременных передач и подшипниковых узлов из-за их преждевременного износа, снижают точность изготовления объемных деталей и ограничивают функциональные возможности (один расходный материал), а это, в свою очередь, вызывает необходимость дальнейшего совершенствования известной конструкции принтера.
В основу полезной модели поставлена задача упрощения конструкции 3D-принтера с одновременным повышением точности воспроизведения печатных изделий по моделям и расширение функциональных возможностей за счет изменения кинематической схемы механизма перемещения каретки и изменения местонахождения узлов путем внесения соответствующих конструктивных изменений в кинематическую схему принтера.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном 3D-принтере для послойного изготовления объемных деталей, включающем корпус, расположенную в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную модулем ее перемещения в плоскости XY; рабочий стол, выполненный с возможностью подогрева рабочей поверхности, закрепленный на основании и снабженный модулем перемещения по оси Z; контроллер, выполненный с возможностью управления процессом послойного изготовления (выращивания) объемных деталей; катушку (картридж) с проволочным расходным материалом, выполненную с возможностью подачи расходного материала в печатающую головку, при этом устройство для перемещения печатающей головки в плоскости XY включает две продольные и, по крайней мере, одну поперечную направляющие для перемещения печатающей головки в плоскости XY, где продольные направляющие расположены по оси Y и жестко закреплены на основании, а поперечная направляющая расположена по оси X между двумя продольными направляющими с возможностью перемещения по ним; каретку, на которой закреплена печатающая головка, выполненная с возможностью перемещения по поперечной направляющей; приводные ремни, предназначенные для перемещения каретки с печатающей головкой в плоскости XY, согласно предложению, для перемещения каретки по двум осям XY используется только один ремень, а сама каретка перемещается по рельсовым направляющим, причем количество механизмов подачи расходных материалов составляет не менее двух и расположены на корпусе принтера, который конструктивно выполнен без внутреннего каркаса и из прозрачного материала.
Использование одного ремня для перемещения каретки по двум координатным осям, с одной стороны, упрощает конструкцию (уменьшается количество узлов перемещения, обводных шкивов), а, с другой стороны, положительно сказывается на перпендикулярность осей, точности позиционирования каретки в пространстве, исключается истирание ремня (отсутствует пересечение), упрощается натяжение ремня и контроль за его натяжением.
Перенесение механизмов подачи расходных материалов на корпус принтера позволяет снизить вес каретки, уменьшает инерцию перемещения и вес каретки, также упрощается обслуживание и облегчается доступ к механизмам подачи, а вынесение двигателей за пределы «горячей зоны», находящейся над поверхностью рабочего стола (платформы), исключает их перегрев.
Отказ от внутреннего каркаса и использование несущего корпуса, собираемого всего из нескольких элементов, распределяющих жесткость одновременно в нескольких направлениях, уменьшает вес конструкции и облегчает доступ к узлам, расположенным внутри корпуса.
Благодаря расположению механизмов подачи расходных материалов на корпусе (а не на каретке), появляется возможность одновременной печати (выращивания) двумя и более материалами с различными физическими свойствами, например, температурами плавления, цветом, прочностными характеристиками, совмещая их в одном изделии (композитные структуры).
Использование более точных рельсовых направляющих позволяет увеличить ресурс их работы, они имеют меньшие габариты, более высокую точность хода, меньший люфт подшипников механизма перемещения.
Таким образом, совокупность заявляемых существенных признаков, характеризующих заявленную конструкцию 3D-принтера, полученных в результате внесения соответстующих конструктивных изменений в его узлы и их переориентация в пространстве, позволяют достичь некоторого положительного технического результата, сформулированного в постановке задачи.
Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется совместно с иллюстративным материалом, на котором изображено следующее: фиг. 1 - передний план предложенного 3D-принтера; фиг. 2 - верхний план предложенного 3D-принтера; фиг. 3 - конструкция печатающей головки предложенного 3D-принтера.
Предложенный 3D-принтер состоит корпуса 1 с боковыми стенками из прозрачного материала, что позволяет визуально наблюдать для процессом послойного изготовления объемных деталей, в котором расположена печатающая головка 2, закрепленная на каретке 3 с модулем ее перемещения в плоскости XY, включающем приводные двигатели 4, обводные шкивы 5 для ремня 6 и продольные рельсовые направляющие 7. В корпусе 1 также расположен рабочий стол 8 с возможностью подогрева его рабочей поверхности, и снабженный модулем его перемещения по оси Z (перпендикулярно плоскости XY), включающем винтовую пару 9, приводимую во вращение двигателем (не показан) и вертикальные направляющие 10. На фасадной части корпуса расположен дисплей 11 контроллера для отображения информации о текущей печати. С внешней стороны задней части корпуса 1 установлены катушки 12 (картриджи, бобины) с проволочным расходным материалом, который подается в печатающую головку 2 с помощью механизмов подачи 13. В данном примере количество катушек 12 составляет две, но может быть и больше, в зависимости от решаемых технологических задач и количества видов расходного материала с различными свойствами.
Ремень 6, огибая обводные шкивы 5, проходит вдоль продольных рельсовых направляющих 7 и вдоль поперечной балки 14, образуя так называемый двутавровый двойной контур. Ремень 6 приводится в движение с помощью двух двигателей 4, расположенных по углам внутри корпуса 1. Двигатели 4 могут работать как синхронно, так и по отдельности, что в совокупности обеспечивает перемещение каретки 3 отдельно по координатам X и Y одновременно в плоскости XY.
Печатающая головка 2 содержит экструдер, включающий нагреватель 15 любой известной конструкции, например, выполненный в виде резистора, внутри которого расположен сердечник из материала с высокой теплопроводностью, например, алюминия, через который проходит канал 16 для расплава пластиковой проволоки, соединенный с соплом 17. Нагреватель 15 снабжен датчиком температуры 18, и закреплен на несущей пластине каретки 3 через термоизолятор 19, изготовленный из материала с низкой теплопроводностью, например, нержавеющей стали.
Предложенный 3D-принтер работает следующим образом.
Перед началом печати на 3D-принтере 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, температуру охлаждения детали посредством управления режимом работы вентилятора печатающей головки 2, необходимость добавления «юбки» к основанию 3D-модели для лучшей адгезии начальных слоев строящегося изделия в поверхности рабочего стола 8 в начале процесса печати и предотвращения смещения изделия в процессе печати, необходимость печати подложки (для случая, когда изделие состоит из множества отдельно стоящих элементов для снижения риска ошибки), параметры, характеризующие расходный материал (пластик) и т.д. Под каждый пластик выбирают температуру нагревателя 15 для расплавления пластика в печатающей головке 2, температуру нагрева рабочего стола 8 при печати первого слоя 3D-модели и остальных слоев. Поддерживающая структура может быть построена из материала печати самого объекта с использованием одной печатающей головки 2, при этом поддерживающую структуру проектируют и размещают с зазором относительно строящейся модели для обеспечения ее легкого удаления с поверхности готового изделия. Поддерживающая структура может быть выполнена из другого материала с использованием второго сопла 17.
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, которая должна соответствовать параметрам принтера. После чего сформированную модель загружают в соответствующее программное обеспечение, обеспечивающее разбиение модели на слои (в соответствии с параметрами настройки принтера) и подготовку задания для печати. По окончанию подготовки задания, проверяют готовность принтера к печати и передают задание на печать в принтер средствами доступных интерфейсов. После подготовки задания для печати устанавливают соединение с принтером. Проверяют работоспособность всех механических узлов принтера, наличие необходимых расходных материалов. После чего загружают подготовленное задание в контроллер принтера через сетевой интерфейс или переносной носитель. По окончанию всех подготовок запускают печать. После запуска печати разогреваются до заданных температур сопло 17 и поверхность рабочего стола 8, печатная головка 2 и рабочий стол 8 совершают поиск нулевых координат по осям XYZ, и далее запускается сам процесс печати изделия на рабочем столе 8.
Пример конкретного выполнения. Промышленный образец 3D-принтера «ВеПР» (Вектор Перспективного Развития) предложенной конструкции реализует «метод послойного наплавления» (FFF - Fused Filament Fabrication), обеспечивающий получение объемных деталей высокой точности. Принтер имеет следующие технические характеристики:
Габаритные размеры, мм
470×430×605
Масса (без упаковки и катушек), кг
20.6
Масса (с упаковкой), кг
21.8
Область печати (XYZ), мм
313×213×350
Скорость печати, мм/сек
до 150
Минимальная толщина слоя, мм
0,05
Диаметр пластиковой нити, мм
1,75±0.2
Диаметр сопла, мм
0,3; 0,4; 0,5
Рабочая температура окружающей среды
+15°+32°C
Температура хранения
0°+32°C
Напряжение электрической сети
220 В±15% 50 Гц
Потребляемая мощность
400W
Интерфейс
USB
Корпус
Сталь, поликарбонат
Печатающий стол
Стекло
Направляющие
Сталь
Программное обеспечение
Repetier-Host
Предложенный 3D-принтер не содержит в своем составе ни одного конструктивного элемента или материала, которые невозможно было бы воспроизвести на современном этапе развития науки и техники, в частности, в области приборостроения, следовательно, предложенное техническое решение соответствует условию «промышленная применимость», имеет технические и иные преимущества перед известными аналогами, что подтверждает возможность достижения технического результата заявляемым объектом. В известных источниках патентной, научно-технической и иной информации не обнаружено 3D-принтеров с указанной совокупностью существенных признаков, следовательно, предложенные технические решения соответствуют критерию «новизна», то есть, полностью отвечают критериям патентоспособности, предъявляемым к полезным моделям.
Существенное отличие заявляемого 3D-принтера от ранее известных заключается в том, что используется только один ремень для перемещения каретки по двум координатным осям, а сама печатающая головка максимально разгружена путем вынесения подающих механизмов за ее пределы, а также корпус выполнен из прозрачного материала. Указанные отличительные особенности, в совокупности, позволяет предельно упростить конструкцию, предупредить появление сил инерции, и именно так добиться отличного качества печати объемных изделий одновременно несколькими проволоками. Ни одно из известных технико-технологических решений аналогичного назначения не может одновременно обладать всеми перечисленными свойствами, поскольку не содержат в своем составе всей совокупности заявленных существенных признаков, характеризующих заявленное техническое решение в целом.
К техническим преимуществам заявленного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:
- упрощение конструкции за счет использования всего одного ремня для перемещения печатающей головки по двум координатным осям;
- высокая точность печати за счет облегчения печатающей головки вследствие освобождения ее от механизмов подачи проволок, что позволило полностью исключить появления сил инерции;
- полная визуализация процесса изготовления объемных деталей за счет того, что корпус выполнен из прозрачного материала;
- высокая точность перемещения каретки за счет использования рельсовых направляющих.
После описания предложенного 3D-принтера, специалистам в данной отрасли знаний должно быть очевидным, что все вышеописанное является лишь иллюстративным, а не ограничительным, будучи представленным данным примером. Многочисленные возможные модификации элементов и узлов принтера, в частности, количества сопел и их размеры, используемых материалов, типов нагревателей, могут изменяться в зависимости от поставленных задач и, понятно, находятся в пределах объема одного из обычных и естественных подходов в данной области знаний и рассматриваются таковыми, как находящиеся в пределах объема предложенного технического решения.
Квинтэссенцией предложенного технического решения является то, что перемещение каретки в двух направлениях осуществляется с помощью одного ремня, каретка перемещается по направляющим рельсового типа, печатающая головка освобождена от механизмов подачи проволок, а корпус выполнен из прозрачного материала, и именно эти обстоятельства, в совокупности, позволили приобрести предложенному 3D-принтеру перечисленные выше и иные преимущества. Изменение предложенного принципа перемещения каретки, размещение на ней дополнительных узлов и проч., ограничат спектр преимуществ, перечисленных выше, и не могут считаться новыми техническими решениями в данной области знаний, поскольку иные, подобные заявленному принтеру, уже не требуют никакого творческого подхода от конструкторов и инженеров, а потому не могут считаться результатами их творческой деятельности или новыми объектами интеллектуальной собственности, подлежащими защите охранными документами.