RU2740693C1 - Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати - Google Patents

Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати Download PDF

Info

Publication number
RU2740693C1
RU2740693C1 RU2020119691A RU2020119691A RU2740693C1 RU 2740693 C1 RU2740693 C1 RU 2740693C1 RU 2020119691 A RU2020119691 A RU 2020119691A RU 2020119691 A RU2020119691 A RU 2020119691A RU 2740693 C1 RU2740693 C1 RU 2740693C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
extruder
nozzle
fdm
printing
model
Prior art date
Application number
RU2020119691A
Other languages
English (en)
Inventor
Андрей Александрович Сипугин
Кирилл Михайлович Фолифоров
Артём Владимирович Горьков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ПРОТЕЗНАЯ МАСТЕРСКАЯ ДОСТУПНАЯ СРЕДА"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ПРОТЕЗНАЯ МАСТЕРСКАЯ ДОСТУПНАЯ СРЕДА" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ПРОТЕЗНАЯ МАСТЕРСКАЯ ДОСТУПНАЯ СРЕДА"
Priority to RU2020119691A priority Critical patent/RU2740693C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2740693C1 publication Critical patent/RU2740693C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C31/00Handling, e.g. feeding of the material to be shaped, storage of plastics material before moulding; Automation, i.e. automated handling lines in plastics processing plants, e.g. using manipulators or robots
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205Means for applying layers
    • B29C64/209Heads; Nozzles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления объемного изделия по цифровой 3D-модели методом послойной печати расплавленной полимерной нитью (FDM), а именно к усовершенствованной печатающей головке 3d-принтера. Экструдер характеризуется тем, что модуль экструдера закреплен на пластине перемещения по оси X при помощи опорных подшипников линейного перемещения болтовыми соединениями. Между радиатором охлаждения и опорным подшипником линейного перемещения имеются компенсационные пружины. В нагревательном блоке между нагревательными элементами цилиндрической формы расположено резьбовое отверстие для крепления термобарьера и сопла, с внутренней ступенчатой структурой. Изобретение позволяет обеспечить высокое качество внешней поверхности 3D-модели, а также значительно сократить время печати до получения готового изделия, которое обеспечивается за счет системы механического изменения высоты, таким образом, исключается калибровка высоты сопел вручную, так как в данном случае калибровка высоты осуществляется за счет механического пружинного привода. 1 ил.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления объемного изделия по цифровой 3D-модели методом послойной печати расплавленной полимерной нитью (FDM), а именно к усовершенствованной печатающей головке 3d принтера.
Изобретение относится к технологии изготовления трехмерного (объемного) изделия (физического объекта, или макета, или модели) по цифровой 3D-модели методами быстрого прототипирования, которое может быть реализовано экструзионным осаждением последовательности слоев в сечении изделия. Экструзионные 3D-принтеры могут быть использованы в различных областях человеческой деятельности, например, при производстве и освоении новой продукции - для быстрого изготовления прототипов моделей.
Суть процесса заключается в выдавливании («экструзии») и нанесении расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования. В стандартном процессе печати используются различные нити, которые разматывается с катушки и подаются в экструдер - устройство, с нагревательным элементом для плавки материала и соплом, который жестко закреплен на каретке перемещения и через который осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания полимерной составляющей, которое в свою очередь подается на рабочую поверхность и производится формирование модели, изделия. Как правило, верхняя часть перед соплом наоборот охлаждается с помощью вентилятора, радиатора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала. Сам экструдер, жестко закрепленный на каретке перемещения, перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло является частью экструдера и перемещается также по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии). Модель строится слой за слоем, снизу-вверх. Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение шаговыми двигателями или сервоприводами. Наиболее популярной системой координат, применяемой в FDM-печати, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z.
В качестве расходных материалов применяются всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, FLEX, поликарбонаты, полиамиды, полистирол и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.
FDM-печать является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность домашних принтеров, основанных на этой технологии. В быту 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, применяются для создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшений и сувениров.
Любой принтер для трехмерной печати работающий по технологии FDM имеет определенные особенности в своей конструкции. Главная составляющая каждого - это экструдер для 3D-печати.
Любой экструдер для FDM-принтера состоит из двух частей:
Блок cool-end отвечает за подачу нити. В его конструкцию включены привод от электромотора, прижимной механизм, шестерни. За счет вращения шестерни нить подается в экструдер.
Блок hot-end - это и есть печатающая головка, сопло с нагревательным элементом. Обычно оно сделано из алюминия или латуни, так как эти материалы имеют хорошую теплопроводность. Керамический нагревательный элемент служит для нагрева головки экструдера. Для отслеживания и последующей регулировки температуры, к соплу экструдера крепится датчик (термопара). Hot-end сильно разогревается во время работы, а остальные части экструдера должны оставаться холодными, иначе нить начинает плавиться слишком рано. Поэтому, между "холодным" и "горячим" концами экструдера устанавливается теплоизолирующая вставка (обычно из термостойкого пластика). Кроме того, для охлаждения, в печатающую головку часто встраивают радиатор с вентилятором.
В стандартных экструдерах применяется одно сопло, через которое непосредственно и происходит процесс печати. В стандартных FDM-принтерах при печати в зависимости от решаемых задач диаметр сопла можно подобрать в пределах от 0,2 до 1,0 мм. От диаметра сопла зависит качество проработки модели, изделия.
Недостатками стандартных экструдеров является система жесткого крепления сопла экструдера к каретке перемещения и невозможность демпфирования (сглаживания) неровностей на поверхности модели, что в дальнейшем ведет к ухудшению качества модели или ее порче, а также ограничение скорости печати модели ввиду медленного плавления материала в зоне hot-end.
В предлагаемой нами заявке на изобретение реализована система механического изменения высоты hot-end, нагревательного блока с термистором и соплом в момент печати изделия и измененная система нагрева с дополнительным керамическим нагревателем и внутренними приточками под термобарьер с дополнительной приточкой угла для улучшения скорости и качества печати.
По данным литературы известны печатающие головки для 3D-принтера, описанные в патентах на полезную модель RU №194407 от 09.12.2019 г.и №RU 182393 от 15.08.2018 г., которые позволяют создавать не только разноцветные модели, но использовать при печати поддерживающих структур растворимы пластики, облегчающие их удаление, а также сопла с отверстиями разных диаметров.
Технической задачей изобретения является разработка печатной головки с системой механического изменения высоты, а также разработка hot-end блока с измененными внутренними диаметрами и приточками для улучшения параметров скорости и качества печати изделий с использованием системы со спаренными керамическими нагревателями.
При производстве различного рода изделий немаловажным параметром наряду с качеством печати также является параметр скорости изготовления изделий.
Отличием от выше указанных полезных моделей является применение системы механического изменения высоты; спаренный индивидуальный нагревательный блок с увеличенной зоной нагрева; измененный блок экструдера с уникальной системой охлаждения и подачи посредствам измененных внутренних диаметров и приточек.
Заявленное устройство устраняют недостатки известных принтеров с печатающей головкой, как скорость и качество печати, что позволяет получать высокое качество внешней поверхности 3D модели при меньших затратах времени. Одновременно с этим устранение калибровки высоты сопла вручную существенно упрощает технологию печати и значительно уменьшает время печати, за счет исключения ненужных операций при калибровке высоты сопла.
Задачей создания нового экструдера, в отличие от известных устройств, является создание печатающей головки с изменяемой высотой, улучшенной системой нагрева и измененных внутренних диаметров с углами приточки.
Техническим результатом, который обеспечивается заявленным устройством, является высокое качество внешней поверхности 3D модели, а также значительное уменьшение времени печати до получения готового изделия, которое обеспечивается за счет системы механического изменения высоты, таким образом, исключается калибровка высоты сопел вручную, так как в данном случае калибровка высоты осуществляется за счет механического пружинного привода.
Также техническим результатом является значительное упрощение конструкции печатающей головки, за счет линейной схемы расположения узлов, что значительно уменьшает количество поломок и неисправностей устройства при его использовании, а также исключает проблемы с печатью, связанные с попаданием остаточного расплавленного материала на изготавливаемую модель из сопла.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема экструдера, который и закреплен на пластине перемещения по оси х болтовыми соединениями через опорные подшипники линейного перемещения, где:
1 - пластина перемещения по оси х
2 - зубчатое колесо
3 - подающий механизм
4, 16 - подшипники линейного перемещения
5, 17 - радиатор
6, 18 - компенсационные пружины
7 - пружина
8, 9 - соединительная втулка
10 - термобарьер
11 - контргайка
12 - нагревательный блок
13, 19 - нагревательный элемент
14 - тефлоновая трубка
15 - сопло экструдера
Описание изобретения с ссылкой на фиг. 1: нагревательный блок (12) выполнен из сплава алюминия и имеет размер 30×25×10 мм, где 30 высота нагреваемой зоны, в которой продольно ходу движения расположены нагревательные элементы (13, 19) суммарной мощностью 120 ватт. Нагревательные элементы имеют цилиндрическую форму и расположены равно симметрично друг от друга и имеют размер 20 мм в высоту и 8 мм в диаметре. Между нагревательными элементами расположено резьбовое отверстие необходимое под крепления термобарьера (10) и сопла (15).
Термобарьер (10) выполнен из высокоуглеродистой стали с наружной резьбой М6 и внутренним постоянным диаметром 4 мм. Сопло экструдера (15) выполнено из латуни и имеет наружную резьбу М6. Для более плотного соединения термобарьера (10) и сопла экструдера (15), на сопле имеется внутренняя приточка с углом 135 градусов, а на термобарьере (10) приточка под 135 градусов по наружной кромке. Сопло (15) имеет внутри ступенчатую структуру для наиболее качественного расплава подаваемого материала по всей длине сопла с дальнейшей его экструзией на поверхность с увеличенной скоростью.
Термобарьер (10) закреплен одним концом в нагревательном блоке и стыкуется с соплом (15) посредством направленного друг на друга скручивания и прижатием по приточкам до полного совмещения и контргайки (11), что в свою очередь образует плотное соединение цилиндрических деталей с герметичным швом. Обратным концом термобарьер крепится к охлаждающему радиатору (5), выполненному из алюминиевого сплава посредством резьбы, расположенной внутри радиатора и на наружной части термобарьера диаметром М6.
Радиатор из алюминия (5, 17) выполняет основные функции - такие как охлаждение прутка филамента проходящего по тефлоновой трубке (14) до вхождения его в термобарьер. По наружной структуре имеет продольные прорези, расположенные поперечно направлению движения прутка. Для наиболее эффективного отвода тепла, переходящего от термобарьера (10) и нагревательного блока (12). Радиатор в свою очередь, закреплен соединительными втулками (8 и 9) через опорное подшипники линейного перемещения (4, 16) на подвижной каретке оси X. В верхней части охлаждающего радиатора, равно как и по всей его длине используется проточка с шагом резьбы М6 в которую крепится соединительная втулка (8 и 9) с внутренним диаметром 4 мм и наружной резьбой.
Соединительная втулка (8 и 9) выполнена из высокоуглеродистой стали и служит для соединения радиатора с подающим механизмом посредством скручивания, для закрепления необходимого положения подающего мотора с механизмом подачи. Все внутренние соединения деталей выполняются с применением приточек на обеих деталях, для улучшения фиксации между деталями.
Сопло экструдера (15) имеет внутреннюю ступенчатую структуру для наиболее качественного прохождения материала. В верхней части внутренний диаметр сопла равняется 4 мм на глубину 5 мм, что позволяет тефлоновой трубке (14) проходить через все соединения цельным элементом без соединений и разрывов. Дальше диаметр сопла (15) изменяется до 1.80 мм, что в свою очередь обеспечивает потное прилегание филамента в зоне расплава к нагреваемым поверхностям. Переход с диаметра 4 мм на диаметр 1.80 мм выполняется со стачиванием стенок под углом 135 градусов, равно что и на тефлоновой трубке снимается наружная фаска под этот же угол. Далее сопло на протяженности 18 мм имеет прямую проточку и потом под углом 155 градусов сужается до диаметра 1.00 мм
Компенсационные пружины (6, 18) расположены между опорным подшипником линейного перемещения (4, 16) и радиатором (5, 17) и создают давление на весь экструдер вниз, в свою очередь пружина (7) расположенная между опорным подшипником линейного перемещения (4, 17) и подающим механизмом (3) создает обратное давления тем самым компенсирую вес экструдера.
Использование в работе:
Филамент, попадая посредством прямой подачи от катушки в верхнюю часть механизма подачи (3) посредством зубчатого колеса (2) и ответного прижимного подшипника с проточенной канавкой по диаметру, проталкивается в тефлоновую трубку (14), проходящую по всей длине от механизма подачи до первой ступени сопла экструдера (15). Филамент, проходя через охлаждающий радиатор (5), сохраняет температуру окружающей среды благодаря охлаждающему радиатору и вентилятору на нем направленного действия. Термобарьер (10) в свою очередь способствует минимальному воздействию температуры снаружи его на поверхность филамента, далее, проходя через термобарьер (10), филамент, имеющий номинально среднюю температуру охлаждающей среды попадает в зону расплава, где на протяжение 18 мм подвергается резкому температурному нагреву, что в свою очередь приводит к переходу филамента из твердого агрегатного состояния в текучее и выдавливается через третью ступень сопла экструдера. Благодаря приточки в 155 градусов между 2 и 3 ступенью сопла экструдера в процессе ретракции материала (прекращению подачи и одергивании прутка назад) материал не оставляет после себя нитей на поверхности, что положительно сказывается как на качестве конечного изделия, так и на эстетических свойствах изделия. Нагревательная зона в 18 мм позволяет увеличить количество подаваемого материала за счет увеличения объема расплавленного материала в сопле экструдера, что в свою очередь дает возможность увеличить скорость изготовления изделия без потери качества и не нарушая физических свойств материала, таких как перегрев и раннее затвердевание которые ведут к повышению хрупкости изделий. Благодаря компенсационным пружинам (6 и 7) создаваемое давление на выходе из экструдера достаточно для приподнятая сопла экструдера (15) над рабочей поверхностью на оптимальную высоту для печати 1 слоя, что увеличивает адгезию используемого материала к поверхности стола. При последующих слоях пружины (6 и 7) компенсируют неровности поверхности печати и улучшают качество печати.

Claims (1)

  1. Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати, характеризующийся тем, что модуль экструдера закреплен на пластине перемещения по оси X при помощи опорных подшипников линейного перемещения болтовыми соединениями, между радиатором охлаждения и опорным подшипником линейного перемещения имеются компенсационные пружины, в нагревательном блоке между нагревательными элементами цилиндрической формы расположено резьбовое отверстие для крепления термобарьера и сопла, с внутренней ступенчатой структурой для более качественного расплава подаваемого материала по всей длине сопла, а также для возможности калибровки высоты сопла за счет компенсационных пружин.
RU2020119691A 2020-06-08 2020-06-08 Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати RU2740693C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020119691A RU2740693C1 (ru) 2020-06-08 2020-06-08 Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020119691A RU2740693C1 (ru) 2020-06-08 2020-06-08 Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2740693C1 true RU2740693C1 (ru) 2021-01-19

Family

ID=74183931

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020119691A RU2740693C1 (ru) 2020-06-08 2020-06-08 Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2740693C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU215277U1 (ru) * 2022-06-18 2022-12-07 Общество с ограниченной ответственностью "Мультипринт 3Д" Экструдер для 3d-печати составами на основе восков и парафинов

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU182393U1 (ru) * 2017-12-21 2018-08-15 Общество с ограниченной ответственностью "Тоталзед" Печатающая головка для 3D принтера
RU189770U1 (ru) * 2019-01-30 2019-06-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" Печатающая головка струйного 3d принтера
WO2019106612A1 (en) * 2017-12-01 2019-06-06 Besim Bulent System for feeding filament to a nozzle in an additive manufacturing machine background
US10406724B2 (en) * 2016-01-27 2019-09-10 Ultimaker B.V. Nozzle lifting assembly
RU194407U1 (ru) * 2019-07-12 2019-12-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова" Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10406724B2 (en) * 2016-01-27 2019-09-10 Ultimaker B.V. Nozzle lifting assembly
WO2019106612A1 (en) * 2017-12-01 2019-06-06 Besim Bulent System for feeding filament to a nozzle in an additive manufacturing machine background
RU182393U1 (ru) * 2017-12-21 2018-08-15 Общество с ограниченной ответственностью "Тоталзед" Печатающая головка для 3D принтера
RU189770U1 (ru) * 2019-01-30 2019-06-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" Печатающая головка струйного 3d принтера
RU194407U1 (ru) * 2019-07-12 2019-12-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова" Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU215277U1 (ru) * 2022-06-18 2022-12-07 Общество с ограниченной ответственностью "Мультипринт 3Д" Экструдер для 3d-печати составами на основе восков и парафинов
RU216810U1 (ru) * 2022-12-19 2023-03-02 Виктор Алексеевич Савельев Экструдер с двойной системой подачи филаментов для 3d-принтеров
RU224891U1 (ru) * 2023-11-15 2024-04-08 Общество с ограниченной ответственностью "3Д ЛАЙФ" Печатающая головка 3d-принтера

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11491739B2 (en) Methods and apparatus for compensating for thermal expansion during additive manufacturing
CA3003067C (en) Methods and apparatus for processing and dispensing material during additive manufacturing
CA3080476C (en) Improved compression roller design and method for additive manufacturing
US20210178685A1 (en) Apparatus and method for printing large thermoplastic parts during additive manufacturing
CN112188952B (zh) 高速挤出3-d打印系统
US10889058B2 (en) Apparatus and methods for additive manufacturing at ambient temperature
RU194407U1 (ru) Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати
RU2740693C1 (ru) Экструдер для изготовления продукции методом FDM-печати
US11993012B2 (en) Apparatus and method for thermal compensation during additive manufacturing
US11014291B1 (en) Methods and systems for producing boat molds by additive manufacturing
US11465362B2 (en) Methods and systems for increasing print speed during additive manufacturing