RU224891U1 - Печатающая головка 3d-принтера - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области изготовления трехмерных физических объектов послойным нанесением полимерных материалов и может быть использована при 3D-печати изделий с повышенной скоростью в широких сферах, в частности, науке, образовании, промышленности, медицине. Технический результат заключается в повышении скорости 3D-печати инженерными и композиционными полимерами. Печатающая головка 3D-принтера содержит сквозной канал для прохождения полимерного материала, на выходе которого установлено сопло, установленный в верхней части канала для прохождения полимерного материала радиатор, размещенный на выходе радиатора термоблок и термобарьер, одна часть которого установлена в радиаторе, а другая – в термоблоке, стойку с закрепленным на ней устройством подачи полимерного материала в канал для прохождения полимерного материала, вентилятор, установленный в радиаторе, канал для подачи воздуха на сопло, закрепленный на выходе радиатора, при этом термоблок расположен в канале для подачи воздуха на сопло и содержит нагревательный элемент в виде нагревательной нити, навитой на термоблок от выхода радиатора до входа сопла.

Description

Полезная модель относится к области изготовления трехмерных физических объектов послойным нанесением полимерных материалов, в том числе инженерными полимерами и композиционными полимерами в виде нитей (ABS/GF/CF, PA12/GF, PP/GF, PA66, PLA, PETG и др.), а точнее к технологиям трехмерной печати объектов расплавленной полимерной нитью (FDM/FFF), и может быть использована при 3D-печати изделий с повышенной скоростью в широких сферах, в частности науке, образовании, промышленности, медицине и пр.

Известно устройство печатающей головки 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 (Патент РФ № 174069, опубликовано 28.09.2017г.).

К недостатку известной печатающей головки 3D-принтера относится невысокая скорость 3D-печати изделий (скорость экструдирования расплавленной нити через сопло), обусловленная необходимостью перехода с одного экструдера на второй путем механического переключения рычага (например, при печати различным материалом или материалами различного цвета), что также снижает и надежность устройства.

Известно устройство печатающей головки 3D-принтера, включающее два экструдера с нагревающим элементом, систему подачи печатающего материала, при этом 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 (Патент РФ № 181116, опубликовано 04.07.2018г.).

Недостатками данного устройства являются невысокая скорость 3D-печати изделий (скорость экструдирования расплавленной нити через сопло) и недостаточная надежность, обусловленные 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 (Патент РФ № 161249, опубликовано 10.04.2016г.).

Недостатками известной печатающей головки 3D-принтера, как и других известных печатающих головок, являются невысокая скорость 3D-печати изделий (скорость экструдирования расплавленной нити через сопло), 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.

В качестве наиболее близкого технического решения выбран экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати, содержащий радиатор, термоблок, на торце которого установлено сопло, в радиаторе и термоблоке выполнен сквозной канал для подачи полимера, термобарьер, одна часть которого установлена в канале термоблока, а другая часть - в канале радиатора, причем часть термобарьера, расположенная в радиаторе, выполнена из материала теплопроводностью более 350 Вт/(м·К), а часть, расположенная в термоблоке, выполнена из материала теплопроводностью менее 25 Вт/(м·К), при этом длина участка канала L на выходе из сопла выбрана из соотношения: 5D<L<10D, где D - диаметр сопла в результате чего повышается производительность печати за счет резкого градиента температур между горячей и холодной частью термобарьера и снижается паразитное экструдирование в процессе печати (Патент РФ № 208684, опубликовано 29.12.2021г.).

Основным недостатком наиболее близкого технического решения является невысокая скорость 3D-печати изделий (скорость экструдирования расплавленной нити через сопло) ввиду малого объема и малой скорости потока расплавленной полимерной нити, исходящей из сопла экструдера, при наплавлении нити по слоям в процессе 3D-печати. Отсутствие нагревательного элемента в виде нити, расположенного по всей длине термоблока до сопла приводит к закупорке канала и прекращению движения расплавленного филамента к соплу, а отсутствие обдува сопла воздухом по специальному каналу не способствует своевременному затвердеванию расплавленного полимера в слое на поверхности объекта, что снижает надежность технологического процесса 3D-печати, приводит к невозможности 3D-печати, либо к 3D-печати с низкой скоростью.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемой полезной моделью, является разработка конструкции печатающего экструдера (печатающей головки) 3D-принтера для повышенной скорости 3D-печати изделий и расширенными техническими возможностями его применения.

Технический результат, получаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в повышении скорости 3D-печати инженерными и композиционными полимерами.

Технический результат достигается тем, что печатающая головка 3D-принтера, содержащая сквозной канал для прохождения полимерного материала, на выходе которого установлено сопло, установленный в верхней части канала для прохождения полимерного материала радиатор, размещенный на выходе радиатора термоблок и термобарьер, одна часть которого установлена в радиаторе, а другая – в термоблоке, согласно полезной модели содержит стойку с закрепленным на ней устройством подачи полимерного материала в канал для прохождения полимерного материала, вентилятор, установленный в радиаторе, канал для подачи воздуха на сопло, закрепленный на выходе радиатора, при этом термоблок расположен в канале для подачи воздуха на сопло и содержит нагревательный элемент в виде нагревательной нити, навитой на термоблок от выхода радиатора до входа сопла.

Техническая проблема была решена разработкой печатающей головки 3D-принтера, в которой за счет наличия устройства подачи полимерного материала в канал для прохождения полимерного материала, вентилятора, канала для подачи воздуха на сопло и выполнения нагревательного элемента в виде нагревательной нити, навитой на термоблок, удалось повысить скорость экструдирования расплавленного полимера через сопло, начиная от обеспечения постоянной подачи полимера в сквозной канал, поддержания стабильной температуры нагрева полимера в термоблоке и заканчивая увеличением скорости застывания (затвердевания) полимера, выходящего из сопла.

Настоящая полезная модель поясняется фигурами 1 и 2, пример выполнения печатающей головки 3D-принтера, на которых, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата. При этом приведенные примеры выполнения заявленной полезной модели не ограничивают возможностей ее осуществления и не являются исчерпывающими. На фиг. 1 и 2 представлена конструкция печатающей головки 3D-принтера.

Согласно полезной модели печатающая головка для 3D-принтера может быть выполнена в едином блоке и содержит сквозной канал 1 для прохождения полимерного материала, на выходе которого установлено сопло 2. Печатающая головка содержит радиатор 3, установленный в верхней части канала 1 для прохождения полимерного материала, а также термоблок 4, размещенный на выходе радиатора 3 (фиг. 1 и 2). Печатающая головка содержит термобарьер 5, одна часть которого установлена в радиаторе 3, а другая – в термоблоке 4 (фиг. 2).

Печатающая головка также содержит стойку 6 с закрепленным на ней устройством 7 подачи полимерного материала в канал 1 для прохождения полимерного материала. Устройство 7 может быть выполнено с электродвигателем 8, шестернями 9 для подачи полимерной нити и концевым выключателем 10 (фиг. 1).

В радиаторе 3 установлен вентилятор 11. Печатающая головка снабжена каналом 12 для подачи воздуха на сопло 2, закрепленное на выходе радиатора 3. При этом термоблок 4 расположен в канале 12 для подачи воздуха на сопло 2 и содержит нагревательный элемент в виде нагревательной нити 13, навитой на термоблок 4 от выхода радиатора 3 до входа сопла 2 (фиг. 1 и 2).

Печатающая головка 3D-принтера работает следующим образом.

Печатающая головка, выполненная в виде единого подвижного блока, используется в составе 3D-принтера для печати объектов из инженерных полимеров и композиционных полимеров в виде нитей (филаментов) путем расплавления нитей и последующего послойного нанесения расплавленной нити (филамента) для получения с последующим застыванием твердого 3D-объекта.

Филамент 14 направляется через сквозной канал 1 для прохождения полимерного материала на печать посредством устройства 7 подачи полимерного материала. С помощью шестерней 9, прижимающих и продвигающих филамент 14, последний далее продвигается и проходит через термобарьер 5, одна часть которого закреплена в радиаторе 3, а другая часть в термоблоке 4, который в свою очередь обвит нагревательной нитью 13, а далее филамент 14 в расплавленном виде подается в сопло 2 для нанесения на поверхность. Чтобы филамент 14 заранее не плавился и не закупоривал своё продвижение, еще не достигнув канала 1 в термоблоке 4, часть тепла от термобарьера 5 передается на радиатор 3 и отводится с помощью вентилятора 11 вовне, что вместе с направленным потоком воздуха по каналу 12 для подачи воздуха на сопло 2 позволяет увеличить поток истекания расплавленного филамента 14, своевременное затвердевание истекающего из сопла 2 филамента 14 на поверхности, и как следствие повысить скорость 3D-печати при послойном наплавлении филаментов.

Заявляемое техническое решение печатающей головки 3D-принтера позволяет поддерживать постоянную температуру нагрева расплавленного полимера во всём объеме полимера по всей длине канала для прохождения полимерного материала и увеличить скорость экструдирования исходящего потока расплавленного полимера через сопло, а поток воздуха, подающийся через воздушный канал на сопло, служит затвердеванию филамента в нанесенном слое непосредственно на создаваемом объекте. Таким образом, повышается скорость и качество технологического процесса 3D-печати, сокращается время изготовления 3D-объектов в несколько раз, расширяется область применения устройств и получаемых изделий.

Claims (1)

1. Печатающая головка 3D-принтера, содержащая сквозной канал для прохождения полимерного материала, на выходе которого установлено сопло, установленный в верхней части канала для прохождения полимерного материала радиатор, размещенный на выходе радиатора термоблок и термобарьер, одна часть которого установлена в радиаторе, а другая – в термоблоке, отличающаяся тем, что содержит стойку с закрепленным на ней устройством подачи полимерного материала в канал для прохождения полимерного материала, вентилятор, установленный в радиаторе, канал для подачи воздуха на сопло, закрепленный на выходе радиатора, при этом термоблок расположен в канале для подачи воздуха на сопло и содержит нагревательный элемент в виде нагревательной нити, навитой на термоблок от выхода радиатора до входа сопла.