УСТРОЙСТВО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РАБОЧЕГО СТОЛА ЗD-ПРИНТЕРА Российский патент 2015 года по МПК B29C67/00 

Область техники, к которой относится изобретение

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, в т.ч корпусов экспериментальной техники - автомобилей, телефонов, радиоэлектронного оборудования; в промышленности, например, для быстрого производства (преимущественно, единичного или мелкосерийного) готовых деталей из материалов, поддерживаемых 3D-принтерами, например, моделей и форм для литейного производства, тары и упаковки, и т.д.; в медицине, например, при протезировании и производстве имплантатов, а также при производстве различных изделий в домашних условиях, и др.

Уровень техники

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, в основе которых лежит принцип послойного создания (выращивания) твердого объекта, в частности, с использованием технологии FDM (Fused Deposition Modeling) - послойной печати расплавленной полимерной нитью (или метода послойного наплавления или моделирования методом наплавления), в результате которой объект формируется путем последовательной укладки на поверхность рабочего стола (рабочую поверхность) слоев, каждый из которых формируется расплавленной нитью из плавкого строительного материала (расходного или моделирующего материала), например, пластика.

Технология FDM печати заключается в следующем: печатающая головка (или экструдер) разогревает до текучего состояния нить из плавкого материала, и с высокой точностью подает расплавленный материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D-принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие. Печатающая головка выдавливает жидкий материал слой за слоем, перемещаясь свободно в плоскости слоя. Для позиционирования печатающей головки используют декартову систему координат, согласно которой в конструкции принтера печатающая головка и рабочий стол, на котором формируется изделие, перемещаются вдоль трех взаимно-перпендикулярных направляющих. Технология была изобретена в конце 80-х годов Скоттом Крампом (компания Stratasys).

В частности, из патентов US 5121329, US 5340433, US 5738817, US 5764521, US 6022207 компании Стратасис (Stratasys, Inc), известна технология построения 3D-объекта по модели для автоматизированного проектирования (CAD) методом «слой за слоем» путем экструзионного осаждения текучего строительного материала (моделирующего материала). При получении данных для построения вначале CAD-модель подвергают разбиению на множество горизонтальных слоев. Затем для каждого слоя компьютер генерирует траекторию осаждения дорожек строительного материала для формирования 3D-объекта. При этом строительный материал подается через наконечник (сопло) печатающей (экструзионной) головки и осаждается в виде последовательности дорожек на подложке в XY-плоскости. Затем в одном из вариантов изготовления 3D-принтера печатающая головка поднимается относительно подложки по оси Z (перпендикулярной XY-плоскости) на один шаг, и процесс повторяется для формирования 3D-объекта, подобного CAD-модели. В другом варианте подложка опускается на один шаг по оси Z и процесс повторяется.

Строительный материал обычно загружается в машину в виде эластичной нити, намотанной на питающую бобину, как описано в патенте US 5121329. Питающие ролики экструзионной головки с приводом от электродвигателя подают нить в нагревательный элемент, в котором нить нагревается до температуры плавления. Расплавленный строительный материал выдавливается из наконечника и осаждается на основание (поверхность рабочего стола). Обычно толщина слоя составляет сотые доли миллиметра. Расход материала, вытесняемого из наконечника, зависит от скорости продвижения нити в экструзионной головке. Контроллер управляет движением экструзионной головки в горизонтальной плоскости ХY, движением рабочего стола в вертикальном направлении Z и скоростью подачи нити питающими роликами. При синхронном управлении этими технологическими переменными строительный материал послойно наносится в виде «валиков» вдоль траекторий перемещения инструмента, задаваемых моделью системы автоматизированного проектирования. Вытесняемый материал наплавляется на предварительно нанесенный материал и твердеет с образованием трехмерного изделия в соответствии с моделью системы автоматизированного проектирования.

При изготовлении объемного изделия (3D-объекта) путем осаждения слоев строительного материала под нависающими деталями или в полостях объектов, не поддерживаемых самим строительным материалом, как правило, в процессе построения формируют поддерживающие слои или структуры. Формирование поддерживающей структуры можно осуществлять теми же самыми методами, что и осаждение строительного материала. Компьютер генерирует дополнительный рельеф, работающий как поддерживающая структура для нависающих или безопорных элементов формируемого 3D-объекта. При этом в процессе построения материал поддержки, как правило, осаждают из второго сопла в соответствии с генерируемым рельефом. В процессе изготовления материал поддержки склеивается со строительным материалом, а после завершения процесса построения 3D-объекта его удаляют.

Как любой другой метод 3D-печати, метод послойного наплавления начинается с подготовки компьютерного описания 3D-модели. После создания 3D-модели используются САПР-системы, поддерживающие управление 3D-печатью. Режимы печати являются настраиваемыми, включая параметры толщины слоя, наполняемости модели материалом, алгоритм выстраивания поддержки. В большинстве случаев для печати используют формат файла STL. В частности, программа компании Stratasys загружает STL-файл с описанием модели и далее анализирует ее во всех сечениях и рассчитывает алгоритм наплавления.

В качестве строительного материала в экструзионных 3D-принтерах наиболее широко используется АБС (ABS)-пластик (ударопрочная техническая термопластическая смола), как наиболее надежный и универсальный материал, в т.ч. в системах быстрого прототипирования благодаря своей температуре стеклования - достаточно высокой, чтобы не возникало нежелательных деформаций при небольшом нагреве в применяемых областях (в т.ч. бытовых условиях), но достаточно низкой для безопасной экструзии с помощью стандартных инструментов. Для 3D-печати данным методом также могут быть использованы поликарбонаты, поликапролактоны, полифенилсульфоны, парафиноподобные соединения и др. Для производства изделий с коротким сроком службы (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара), а также в медицине, для производства хирургических нитей и штифтов может быть использован ПЛА (PLA) пластик - биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, производимый из возобновляемых ресурсов, таких как кукуруза и сахарный тростник и являющийся абсолютно безопасным.

Наиболее близким к заявляемому механизму перемещения рабочего стола (платформы) по оси Z является техническое решение, реализованное в 3D-принтере (патент на изобретение US 6722872 B1). 3D-принтер содержит расположенные в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную устройством (модулем) ее перемещения в плоскости XY, рабочий стол, снабженный устройством (модулем) перемещения по оси Z, контроллер, выполненный с возможностью управления процессом послойного изготовления (выращивания) объемных деталей; катушку (картридж) с расходным материалом, выполненную с возможностью подачи расходного материала в печатающую головку. Устройство перемещения рабочего стола по оси Z содержит расположенные со стороны задней стенки 3D-принтера, ходовую гайку, установленную неподвижно на ходовой пластине, к которой прикреплен рабочий стол, и вертикальный ходовой винт, закрепленный на вращающемся шкиве, а также два идентичных узла, размещенных с противоположных сторон от ходового винта, включающих две пары линейных подшипников, закрепленных на ходовой пластине, и связанные с ними две вертикальные направляющие (направляющие рельсы), расположенные параллельно ходовому винту, по которым перемещается ходовая пластина с рабочим столом. В зависимости от направления вращения шкива, приводимого в движение с помощью электродвигателя, происходит перемещение ходовой пластины и рабочего стола вверх или вниз по оси Z.

Однако в данном устройстве 3D-принтера отсутствует механизм автоматического определения нулевой координаты по оси Z, который учитывает изменения вертикального положения печатающей головки и положения верхнего уровня рабочего стола при их прогреве в рабочем режиме, что вносит ошибку при начале печати 3D-объекта.

Наиболее близким к заявляемому 3D-принтеру является устройство по патенту US 7939003 с механизмом перемещения рабочего стола по оси Z и устройством автоматической калибровки положения рабочего стола (подложки), закрепленного на опорной конструкции. Калибровочное устройство может быть зафиксировано в любом месте на рабочем столе (подложке), но предпочтительно прикреплено к внешнему краю или углу подложки. Горизонтальное положение рабочего стола может быть отрегулировано для изменения ориентации (т.е. угла) плоскости поверхности рабочего стола (подложки). Калибровочное устройство имеет два инфракрасных излучателя и два инфракрасных датчика, ориентированных ортогонально друг другу, аналоговый датчик давления (силы), расположенный на пересечении двух оптических осей, и дополнительный механический элемент. Система контролирует аналоговые выходные сигналы из оптических датчиков, и передает команды системе позиционирования, чтобы выполнить алгоритм поиска. Когда дополнительный механический элемент расположен в центре обеих оптических осей, обеспечивается позиционирование X и Y координат вершины инструмента. По оси Z рабочий стол поднимается постепенно, в результате чего дополнительный механический элемент обнаруживается датчиком давления (силы) и происходит позиционирование по оси Z.

Используемое в известном решении устройство калибровки рабочего стола смонтировано на рабочем столе, что уменьшает полезную рабочую область и создает дополнительные неудобства в работе. Кроме того, такое устройство калибровки достаточно сложно в реализации, что снижает надежность и долговечность работы устройства.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание устройства перемещения рабочего стола и создание 3D-принтера с данным устройством, обеспечивающих высокое качество печати в течение всего срока эксплуатации принтера, более надежных в эксплуатации с увеличенным ресурсом работы.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является обеспечение автоматического позиционирования поверхности рабочего стола при печати 3D-объекта (т.е. определения нулевой координаты по оси Z). Кроме того, заявляемое устройство за счет предложенного устройства перемещения рабочего стола с механизмом определения нулевой координаты по оси Z, позволяет автоматизировать первоначальную настройку принтера (подготовку к работе) под использование различных расходных материалов и подложек (размещаемых на поверхности рабочего стола) различной толщины.

Заявляемое устройство является простым в обслуживании и эксплуатации, имеет увеличенное время наработки на отказ.

Поставленная задача решается тем, что устройство (модуль) перемещения рабочего стола по оси Z для 3D-принтера включает ходовой винт, закрепленный вертикально в корпусе принтера, и соединенный с приводом (электродвигателем), обеспечивающим вращение винта; гайку, расположенную на ходовом винте, и подвижно закрепленную на основании рабочего стола через узел определения нулевой координаты по оси Z, включающий датчик определения нулевой координаты по оси Z, состоящий из двух контактных (печатных) плат, где одна из плат соединена с гайкой, а вторая - с основанием стола, с возможностью изменения состояния электрической цепи при достижении поверхностью рабочего стола сопла печатающей головки.

Устройство (модуль) содержит, по крайней мере, одну, вертикальную направляющую, расположенную со стороны задней стенки принтера параллельно ходовому винту и выполненную с возможностью перемещения по ней рабочего стола.

Для обеспечения подвижности гайки относительно рабочего стола узел определения нулевой координаты по оси Z включает, по крайней мере, две направляющие для гайки, закрепленные на основании стола и расположенные параллельно ходовому винту, по крайней мере, две пружины, расположенные на направляющих для гайки, опоры для пружин, закрепленные на направляющих для гайки и выполненные с возможностью регулировки предварительного сжатия пружин, при этом пружины расположены между опорой и гайкой с обеспечением прижатия гайки к основанию стола в процессе перемещения рабочего стола до соприкосновения с соплом печатающей головки, и при достижении поверхностью рабочего стола сопла печатающей головки - возможностью перемещения гайки относительно рабочего стола по упомянутым направляющим с изменением замкнутого состояния электрической цепи на разомкнутое.

Контактная (печатная) плата датчика определения нулевой координаты по оси Z снабжена двумя контактными токопроводящими металлическими площадками, соединенными проводником, и отверстием для ходового винта, при этом контактные площадки выполнены в виде металлических колец, внутри которых расположены отверстия для размещения направляющих для перемещения гайки, и размещены на равноудаленном расстоянии от центра отверстия для ходового винта.

Поставленная задача решается также тем, что 3D-принтер для послойного изготовления объемных деталей включает расположенные в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную устройством (модулем) ее перемещения в плоскости XY, рабочий стол, закрепленный на основании и снабженный устройством (модулем) перемещения по оси Z, имеющим описанную выше конструкцию, и механизмом калибровки рабочего стола; контроллер, выполненный с возможностью управления процессом послойного изготовления (выращивания) объемных деталей; катушку (картридж) с расходным материалом, выполненную с возможностью подачи расходного материала в печатающую головку.

Один из вариантов выполнения механизма калибровки рабочего стола включает, по крайней мере, две стойки с пружинами и зажимами, которые установлены на основании рабочего стола в двух точках по боковым сторонам рабочего стола ближе к его переднему краю, и обеспечивающими подвижность стола в упомянутых точках, при этом стол в точке, расположенной вблизи ходового винта (ближе к заднему краю стола) закреплен неподвижно. В данном варианте исполнения один конец стойки механизма калибровки рабочего стола жестко прикреплен к столу со стороны его нижней поверхности, другой конец установлен на основании через пружину, зажим размещен на основании, который в свободном (расфиксированном) положении обеспечивает положение пружины (без усилий), при котором часть стола в данной точке находится выше уровня стола, закрепленного в «неподвижной» точке, и при перемещении печатающей головки из «неподвижной» точки в «подвижную», в результате которого стойка перемещается по вертикали вниз, сжимая пружину, зажим обеспечивает фиксацию положения стойки в «подвижной» точке на уровне неподвижной.

Возможен вариант изготовления основания рабочего стола в виде рамной конструкции, состоящей из несущей панели, расположенной в вертикальной плоскости, к которой со стороны ее боковых торцевых поверхностей прикреплены боковые панели, расположенные в вертикальной плоскости перпендикулярно несущей панели с образованием Н-образной конструкции; нижней панели, расположенной в горизонтальной плоскости между боковыми и несущей панелями с передней стороны рамной конструкции; двух крепежных пластин установленных в горизонтальной плоскости одна над другой с задней стороны рамной конструкции с образованием полости между крепежными пластинами, несущей и боковыми панелями для размещения ходовой гайки и узла определения нулевой координаты. Боковые панели могут быть снабжены вертикальными проточками для размещения конструктивных элементов механизма калибровки рабочего стола, расположенными ближе к переднему краю панелей.

Печатающая головка включает расположенные на каретке приводной механизм (электродвигатель), соединенный с катушкой (картриджем), для подачи расходного материала для изготовления объемной детали по сигналу, поступающему от контроллера; ведущий ролик, расположенный на валу приводного механизма (электродвигателя), и расположенный параллельно с ним ведомый ролик, при этом ведущий и ведомый ролики связаны между собой через шестеренки (зубчатые колеса), и ведомый ролик снабжен пружиной для обеспечения необходимого усилия прижатия к ведущему ролику; нагреватель, представляющий собой пластину из материала с высокой теплопроводностью, например, алюминия, через который проходит канал для расплава расходного материала, соединенный с соплом; датчик температуры, расположенный на нагревателе, при этом сопло с нагревателем закреплены на каретке через термоизолятор, представляющий собой трубку из материала с малой теплопроводностью; вентилятор для обеспечения оптимального температурного режима при изготовлении детали, закрепленный на каретке со стороны сопла; закрепленную на каретке коммутационную плату с разъемами для подключения приводного механизма, нагревателя, датчика температуры, датчика нулевой координаты по оси X, и вентилятора.

В одном из вариантов выполнения устройство 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, выполненную 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 P-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 ХY.

Однонаправленное вращение шкивов обеспечивает перемещение каретки с печатающей головкой по оси X, противонаправленное - по оси Y, вращение одного из шкивов обеспечивает перемещение каретки с печатающей головкой в диагональном направлении. Для перемещения поперечной направляющей по продольным направляющим концы поперечной направляющей закреплены на продольных направляющих через подвижные соединительные узлы, при этом каждый из подвижных соединительных узлов, снабжен парой роликов, расположенных по оси Y в плоскости размещения рабочей части ремней, через которые проходят ремни первого и второго контуров. Устройство перемещения печатающей головки в плоскости XY также может содержать два узла из опорных роликов, служащих в качестве направляющих для приводных ремней связанных контуров, при этом узлы закреплены на основании с противоположных от ведущих шкивов сторон продольных направляющих, а узел из опорных роликов образован двумя роликами, расположенными один над другим на одной вертикальной оси, при этом верхние ролики узлов являются направляющими для приводного ремня одного контура, нижние - другого. Таким образом, в первом контуре, образованным P-образным расположением первого ремня, один конец ремня закреплен на одной боковой стенке каретки с печатающей головкой, проходит через один из роликов первого подвижного соединительного узла (узла соединения поперечной направляющей с первой продольной направляющей), затем через шкив, расположенный со стороны первой продольной направляющей, опорные (неподвижные) ролики, затем второй ролик второго подвижного соединительного узла (узла соединения второй продольной направляющей с поперечной направляющей), и заканчивается креплением второго конца приводного ремня на противоположной боковой стенке каретки с печатающей головкой, а второй контур образован аналогично первому с симметричным расположением его элементов, причем нижний опорный ролик одной пары (одного узла), верхний опорный ролик второй пары (второго узла), ролики подвижных соединительных узлов, ведущие шкивы и поперечные направляющие расположены в одной плоскости.

Основание для устройства перемещения печатающей головки в плоскости XY может быть выполнено из двух пластин или уголков, расположенных параллельно и соединенных между собой поперечным элементом с образованием П-образной конструкции, при этом продольные направляющие закреплены на пластинах П-образной конструкции, расположенных параллельно, шкивы и соединенные с ними электродвигатели закреплены на основании с вблизи открытой части П-образной конструкции, а узлы из опорных (неподвижных) роликов закреплены на поперечном элементе П-образной конструкции.

3D-принтер содержит также датчики нулевой координаты по оси X и оси Y, задающие начальное положение печатающей головки в плоскости XY, при этом датчик нулевой координаты по оси X может быть закреплен на каретке с печатающей головкой, а датчик нулевой координаты по оси Y закреплен на конце одной из продольных направляющих со стороны размещения шкива.

Рабочий стол выполнен с возможностью подогрева рабочей поверхности и снабжен подложкой с гладкой поверхностью для изготовления на ней 3D-изделия и фиксаторами подложки.

Контроллер 3D-принтера выполнен с возможностью управления перемещениями рабочего стола и печатающей головки, скоростью подачи расходного материала, температуры нагрева рабочей поверхности рабочего стола и температуры плавления расходного материала, и соединен с индикатором для отображения текущей информации процесса изготовления объемной детали, при этом контроллер выполнен с возможностью автономной работы или работы под управлением компьютера с программным обеспечением, генерирующим данные для построения объемного изделия по его CAD-модели.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 представлен общий вид 3D-принтера (в корпусе без верхней крышки); на фиг. 3-4 - представлен общий вид устройства перемещения печатающей головки (на фиг. 3 - вид спереди, на фиг. 4 - вид сзади); на фиг. 5-6 представлено устройство перемещения печатающей головки, вид сзади и сбоку, соответственно, на фиг. 7, 8 представлено изображение печатающей головки, продольный и поперечный разрезы, соответственно; на фиг. 9 представлено изображение устройства (модуля) перемещения рабочего стола, вид сзади; на фиг. 10-16 представлены конструктивные элементы устройства (модуля) перемещения рабочего стола, где на фиг. 10-12 показаны схема сборки и выполнение отдельных конструктивных элементов основания (в виде рамной конструкции) рабочего стола; на фиг. 13, 14 - схема сборки и отдельные конструктивные элементы модуля перемещения рабочего стола; на фиг. 15 - схема сборки рабочего стола с основанием, на фиг. 16 - датчик нулевой координаты по оси Z; на фиг. 17 представлен узел калибровки рабочего стола, поперечный разрез, на фиг. 18 представлен вариант выполнения крепежных элементов 61, на фиг. 19 - представлен алгоритм формирования задания для печати на принтере.

Позициями на фигурах обозначены:

1 - корпус 3D-принтера,

2 - печатающая головка (экструдер),

3 - каретка, на которой закреплена печатающая головка,

4 - модуль перемещения печатающей головки,

5 - рабочий стол,

6 - модуль перемещения рабочего стола,

7 - контроллер,

8 - катушка с расходным материалом (картридж),

9 - основание модуля перемещения печатающей головки,

10 - первая продольная направляющая, расположенная по оси Y,

11 - вторая продольная направляющая, расположенная по оси Y,

12 - первая поперечная направляющая, расположенная по оси X,

13 - вторая поперечная направляющая, расположенная по оси X,

14 - ведущий шкив первого контура,

15 - ведущий шкив второго контура,

16 - первая пара из опорных (неподвижных) роликов (первая пара опорных роликов),

17 - вторая пара из опорных (неподвижных) роликов (вторая пара опорных роликов),

18 - привод (электродвигатель) для ведущего шкива первого контура,

19 - привод (электродвигатель) для ведущего шкива второго контура,

20 - подшипник скольжения каретки,

21 - подшипник скольжения каретки,

22 - первый подвижный соединительный узел,

23 - второй подвижный соединительный узел,

24 - подвижный ролик направляющей 10 (первого подвижного соединительного узла) для приводного ремня первого контура,

25 - подвижный ролик направляющей 10 (первого подвижного соединительного узла) для приводного ремня второго контура,

26 - подвижный ролик направляющей 11 (второго подвижного соединительного узла) для приводного ремня первого контура,

27 - подвижный ролик направляющей 11 (второго соединительного узла) для приводного ремня второго контура,

28 - первый приводной ремень, образующий первый контур,

29 - второй приводной ремень, образующий второй контур,

30 - приводной механизм печатающей головки (электродвигатель),

31 - ведущий ролик печатающей головки,

32 - ведомый ролик печатающей головки,

33 - шестеренка (зубчатое колесо) ведущего ролика 3,

34 - шестеренка (зубчатое колесо) ведомого ролика 32,

35 - пружина,

36 - нагреватель,

37 - канал для расплава пластика,

38 - сопло,

39 - датчик температуры,

40 - термоизолятор,

41 - коммутационная плата,

42 - датчик нулевой координаты по оси X,

43 - вентилятор,

44 - канавки на роликах,

45 - привод (электродвигатель) модуля перемещения рабочего стола,

46 - вертикальные направляющие для перемещения рабочего стола,

47 - ходовой винт,

48 - гайка,

49 - основание рабочего стола,

50 - направляющие для перемещения гайки 49,

51 - контактные платы датчика нулевой координаты по оси Z, который входит в узел определения нулевой координаты по оси Z,

52 - пружины узла определения нулевой координаты по оси Z,

53 - опоры для пружин 52,

54 - несущая панель основания 49 рабочего стола 5,

55 - боковая панель,

56 - нижняя панель,

57 - уголок,

58 - паз в боковой панели 55 для размещения уголка 57,

59 - алюминиевая пластина боковой панели,

60 - пластина боковой панели из композитного материала,

61 - крепежные элементы,

62 - верхняя крепежная пластина,

63 - нижняя крепежная пластина,

64 - линейные подшипники,

65 - передние торцевые поверхности боковых панелей,

66 - задние торцевые поверхности боковых панелей,

67 - пластина из диэлектрика контактной платы 51,

68 - контактные площадки контактной платы 51,

69 - центральные отверстия в пластинах контактных плат 51,

70 - отверстия в пластинах контактных плат 51 для размещения направляющих 50,

71 - стойка механизма калибровки стола,

72 - пружина механизма калибровки стола,

73 - вертикальные проточки в боковых панелях для размещения стоек 72,

74 - фиксатор,

75 - держатели,

76 - зажим механизма калибровки рабочего стола,

77 - передняя крышка.

Осуществление изобретения.

На фиг. 1 и 2 представлен общий вид 3D-принтера, предназначенного для построения (выращивания) материальных (физических) 3D-объектов и реализующего технологию FDM, на фиг. 3-18 представлены отдельные конструктивные элементы принтера. Принтер состоит из расположенных в корпусе 1 печатающей головки 2, закрепленной на каретке 3 с модулем ее перемещения (каретки) 4 в плоскости XY (горизонтальной плоскости); рабочего стола 5, выполненного с возможностью подогрева рабочей поверхности, и снабженного модулем перемещения 6 по оси Z (перпендикулярно плоскости XY); контроллера 7; катушки с расходным материалом 8; блока питания (на чертеже не показан). При этом катушка с расходным материалом может располагаться за пределами корпуса 1, а каретка 3 экструдера может представлять собой две боковые стенки (например, в виде двух параллельных пластин, расположенных вертикально), соединенные поперечными (вертикально или горизонтально расположенными) элементами (например, несущей пластиной) для размещения и/или закрепления конструктивных элементов печатающей головки.

Модуль перемещения 4 каретки 3 печатающей головки 2 (см. фиг. 2-6) выполнен в виде размещенных на основании 9 (которое может быть выполненным из соединенных между собой пластин или уголков с образованием П-образной конструкции) двух продольных направляющих 10 и 11 и одной или двух поперечных направляющих, например, 12 и 13, расположенных в плоскости XY (две из которых 10 и 11 расположены по оси Y, жестко закреплены на основании 9, а направляющие 12 и 13 расположены по оси X между направляющими 10 и 11 и выполнены с возможностью перемещения по ним), по крайней мере, двух ведущих шкивов 14 и 15, двух пар опорных (неподвижных) роликов 16, 17, оси которых закреплены на основании 9 (где пара роликов образована двумя роликами, расположенными один над другим на одной вертикальной оси), двух подвижных соединительных узлов 22 и 23, реализующих перемещение поперечных направляющих 12 и 13 по продольным направляющим 10 и 11, и электродвигателей 18 и 19. При этом каждый из подвижных соединительных узлов 22 и 23 закреплен неподвижно на поперечных направляющих с возможностью перемещения по продольным направляющим. Каретка 3 печатающей головки 2 закреплена подвижно на поперечных направляющих 12 и 13 (с возможностью перемещения по данным направляющим). Подвижное размещение каретки 3 экструдера 2 на направляющих 12 и 13 может быть реализовано любыми известным из уровня техники средствами, например, с помощью двух подшипников скольжения или двух линейных втулок 20 и 21, одна из которых расположена на одной оси с направляющей 12, вторая - с направляющей 13, соответственно каретка снабжена парой сквозных отверстий (со стороны боковых стенок каретки 3) для размещения подшипников. Подвижное соединение направляющих 12 и 13 с направляющими 10 и 11 может быть реализовано также любыми известными из уровня техники средствами, например, посредством линейных подшипников. Подшипник (линейная втулка), размещенный на одной оси с направляющей 10, обеспечивает подвижное соединение направляющих 12 и 13 с направляющей 10. Соответственно, подшипник, размещенный на направляющей 11, обеспечивает подвижное соединение направляющих 12 и 13 с направляющей 11.

Размещение подвижных роликов 24-27 (в подвижном узле), мест крепления приводных ремней 28 и 29 к боковым стенкам каретки 3 печатающей головки 2, ведущих шкивов 14 и 15, обеспечивающих расположение силовой рабочей части ремней в одной (горизонтальной) плоскости исключает изгибающие моменты на направляющие и подшипники подвижного узла и печатающей головки.

Перемещение (позиционирование) печатающей головки 2 в плоскости XY осуществляется с помощью двух приводных ремней 28 и 29, образующих двухконтурную приводную систему, посредством ведущих шкивов 14 и 15, приводимых в движение по часовой стрелке или против часовой стрелки приводным механизмом, например, электродвигателями 18 и 19. При этом два контура связаны между собой посредством их крепления к экструдеру. Первый P-образный контур образован первым приводным ремнем 28, один конец которого закреплен с одной стороны (на первой боковой поверхности) каретки 3 печатающей головки 2, проходит через ролик 24 первого подвижного соединительного узла 22, затем через ведущий шкив 14, расположенный со стороны продольной направляющей 10, затем через верхние опорные ролики узлов 16, и 17, затем через ролик 26 второго подвижного соединительного узла 23, и заканчивается креплением второго конца (первого приводного ремня) с противоположной стороны (на второй боковой поверхности) каретки 3 печатающей головки 2. Второй контур образован аналогично первому P-образному контуру, и расположен зеркально симметрично относительно оси, расположенной параллельно продольным направляющим на равноудаленном расстоянии между ними. Во втором контуре первый конец приводного ремня закреплен на второй боковой поверхности каретки 3 печатающей головки 2, ремень проходит через ролик 27 второго подвижного соединительного узла 23, затем через ведущий шкив 15, расположенный со стороны продольной направляющей 11, затем через нижний опорный ролик узла 17, затем через нижний опорный ролик узла 16, ролик 25 первого подвижного соединительного узла 22, и заканчивается креплением второго конца второго приводного ремня на первой боковой стенке каретки 3 экструдера 2. Таким образом, каждая из двух боковых стенок каретки имеет место крепления концов ремней первого и второго контуров (начала одного ремня и конца второго ремня). Точки крепления ремней к боковым стенкам каретки 3 экструдера расположены в одной плоскости между поперечными направляющими 12 и 13. Наилучший вариант реализации изобретения достигается при размещении точек крепления ремней первого и второго контуров на боковой стенке по центру между направляющими 12 и 13.

Перемещение первого приводного ремня 28 (первого контура) обеспечивается посредством электродвигателя 18 через шкив 14, (преобразованием вращательного движения шкива 14 в поступательное перемещение приводного ремня 28), перемещение второго приводного ремня 29 (второго контура) обеспечивается посредством электродвигателя 19 через шкив 15. В частности, заявляемая конструкция устройства перемещения печатающей головки обеспечивает следующие направления перемещений: однонаправленное вращение шкивов 14 и 15 обеспечивает перемещение каретки 3 с печатающей головкой 2 по оси X (т.е. возвратно-поступательное перемещение по оси X в зависимости от направления перемещения шкивов - по часовой стрелке или против часовой стрелки); вращение шкивов 14 и 15 в противоположных направлениях обеспечивает перемещение каретки 3 с печатающей головкой 2 по оси Y, вращение одного из шкивов обеспечивает перемещение каретки 2 с печатающей головкой 3 в диагональном направлении. Перемещение печатающей головки в плоскости XY, осуществляется по алгоритму, определяемому из соотношений:

dX=(dM1-dM2)/2,

dY=(dM1+dM2)/2, где

dM1 и dM2 - перемещения приводных ремней первого и второго контуров соответственно, вызванные вращением первого 14 и второго 15 ведущих шкивов, приводимых в движение электродвигателями M1 и М2 (18 и 19), dX и dY - приращения координат экструдера по осям X и Y соответственно.

Заявляемая двухконтурная схема перемещения печатающей головки обеспечивает взаимную перпендикулярность продольных и поперечных направляющих, расположенных по оси X и по оси Y, соответственно, что повышает точность позиционирования печатающей головки при изготовлении 3D-объекта и, соответственно, качество готового изделия, соответствующего проектной 3D-модели, а также уменьшает износ подвижных деталей конструкции, что положительно сказывается на сроке службы как отдельного модуля перемещения печатающей головки, так и всего устройства (3D-принтера) в целом.

На основании модуля перемещения печатающей головки 9 также могут быть закреплены очиститель сопла экструдера 2, датчики нулевой координаты по оси X и оси Y для печатающей головки, задающие начальное положение печатающей головки в плоскости XY, при этом датчик нулевой координаты по оси X закреплен на боковой стенке каретки с печатающей головкой, а датчик нулевой координаты по оси Y закреплен на конце одной из продольных направляющих.

Печатающая головка 2 (см. фиг. 7, 8) предназначена для послойного выращивания объемных моделей из пластикового прутка и включает в себя каретку 3, например, Н-образной формы в виде двух боковых пластин, соединенных несущей вертикальной пластиной, в боковых пластинах которой выполнена пара сквозных отверстий для размещения двух подшипников скольжения 20 и 21, с помощью которых обеспечивается перемещение каретки 3 по направляющим 12 и 13 (оси X); закрепленный на несущей пластине каретки 3 приводной механизм (электродвигатель или мотор) 30, который соединен со сменным картриджем 8, подающим расходный материал для построения 3D-объекта по сигналу, поступающему от контроллера 7; ведущий ролик 31, расположенный на валу мотора 30, ведомый ролик 32, расположенный на несущей пластине, при этом ведущий 31 и ведомый 32 ролики связаны между собой через шестеренки 33 и 34 (зубчатые колеса), при этом ведомый ролик 32 прижимается к ведущему 31 с помощью пружины 35, обеспечивая необходимый контакт с пластиковым прутком в процессе его подачи в зону расплава. Экструдер также содержит нагреватель 36, представляющий собой толстую пластину из материала с высокой теплопроводностью (например, алюминия), через который проходит канал 37 для расплава пластикового прутка, соединенный с соплом 38. Нагреватель 36 снабжен датчиком температуры 39, и закреплен на несущей пластине каретки 3 через термоизолятор 40, представляющий собой трубку из специального материала с малой теплопроводностью (например, нержавеющей стали). При этом нагреватель выполнен со сквозным отверстием, имеющим резьбовую поверхность, в которое, с одной стороны вставлен термоизолятор 40, а с другой сопло 38. Канал 37 образован внутренней полостью трубки термоизолятора 40. Печатающая головка содержит также закрепленную на несущей пластине каретки 3 коммутационную плату 41, на которой расположены разъемы для подключения приводного механизма (электродвигателя) 30, нагревателя 36, датчика температуры 39 и датчика 42 нулевой координаты по оси X (на боковой стенке каретки), а также вентилятора 43 для обеспечения оптимального температурного режима при создании модели, закрепленного на каретке со стороны сопла 38.

Зубчатые колеса 33 и 34 обеспечивают подачу пластикового прутка в зону расплава и устраняют проблемы срыва или срезания прутка. Изменения в диаметре пластикового прутка компенсируются пружиной 35. Передача крутящего момента ведущему зубчатому колесу 33 производится при помощи электродвигателя 30. Далее от ведущего зубчатого колеса 33 момент передается ведомому зубчатому колесу 34. Пластиковый пруток обхватывается с обеих сторон полукруглыми канавками 44 с насечкой, расположенными па роликах 31 и 32, вращение которых обеспечивает перемещение прутка. После попадания прутка в зону расплава (в канал 37), пруток разогревается при помощи нагревателя 36 до необходимой температуры в зависимости от используемого материала и превращается в жидкую массу в сопле 38. Герметичность соединения термоизолятора 40 с соплом 38 обеспечивается выполнением поверхностей сопрягаемых частей (наружной поверхности термоизолятора 40 и внутренней поверхности сопла в зоне соединения) конической формы. Таким образом, получают герметичное разборное соединение, которое в отличие от соединения цилиндрических поверхностей, где герметизации добиваются путем использования уплотнительных колец и трубок, не имеет сложностей в процессе эксплуатации и замены деталей.

Рабочий стол 5 закреплен на основании 49, и снабжен модулем (устройством) его перемещения 6 по вертикали (оси Z), расположенным со стороны задней стенки корпуса 1 3D-принтера (см. фиг. 9) и включающем отдельный привод (например, электродвигатель) 45, вертикальные направляющие 46, ходовой винт 47, гайку 48 и узел автоматического определения нулевой координаты по оси Z, который позволяет автоматически определять положение рабочего стола 5, соответствующее моменту касания поверхности стола соплом 38 печатающей головки 2. Перемещение стола по двум направляющим 46 осуществляется с помощью подшипников 64.

Печатающая головка 2 может передвигаться в горизонтальной плоскости параллельно поверхности рабочего стола 5 в пределах ее рабочей зоны. Ходовой винт 47, вращаемый электродвигателем 45, установлен параллельно направляющим 46. Гайка 48 закреплена на столе и находится в зацеплении с ходовым винтом 47. При этом гайка 48 относительно основания рабочего стола 49 выполнена с возможностью смещения по вертикали по двум направляющим 50, которые жестко прикреплены к основанию стола 49, и с помощью двух пружин 52, расположенных на направляющих 50, прижимается к основанию стола 49. Регулировку усилия сжатия пружин осуществляют с помощью опор 53, закрепленных на направляющих 50 с возможностью перемещения по ним. Вращение гайки 48 относительно основания 49 рабочего стола блокируется направляющими 50. Между гайкой 48 и основанием 49 рабочего стола 5 расположен датчик нулевой координаты по оси Z, который состоит из двух печатных плат 51 с контактными площадками 68, одна из которых соединена неподвижно с гайкой 48, а вторая соединена неподвижно с основанием 49. Прижатые пружинами 52 платы 51 с помощью контактов образуют замкнутую цепь. Пружины 52 выбирают с учетом того, чтобы контакты оставались надежно замкнутыми при максимальной нагрузке от печатаемой детали на рабочий стол. Для определения положения касания соплом 38 поверхности рабочего стола 5 печатающая головка перемещается в ближайшую к ходовому винту 47 точку в рабочей зоне поверхности рабочего стола 5. Рабочий стол 5 сближается с соплом 38 печатающей головки за счет вращения ходового винта 47 при помощи электродвигателя 45. При соприкосновении сопла 38 печатающей головки 2 с поверхностью рабочего стола 5 рабочий стол останавливается, а ходовая гайка 48 с контактной платой поднимается вверх, сжимая пружины 52, и размыкает электрическую цепь датчика. Контроллер 7 отслеживает момент размыкания контактов плат 51, после чего контроллер 7 меняет направление вращения электродвигателя 45 и гайка 48 начинает двигаться обратно вниз в сторону замыкания контактов плат 51. Положение стола в момент повторного замыкания плат 51 соответствует нулевой координате по оси Z. Т.к. начало работы принтера связано с разогревом рабочего стола 5 и сопла 38 экструдера 2 принтера, то предложенный вариант установления нулевой координаты по оси Z учитывает температурную деформацию материалов, из которых изготовлены рабочий стол и печатающая головка, производят после стабилизации температурного режима. Таким образом, датчик нулевой координаты по оси Z позволяет правильно определить момент начала точки печати в рабочих условиях (установить нулевую координату по оси Z - начальную координату печати для поверхности стола и сопла, находящихся в рабочем разогретом режиме). Такая конструкция узла определения нулевой координаты по оси Z (позиционирования рабочего стола) позволяет унифицировать устройство под различные виды расходного материала для печати и материала изготовления поверхности стола, что позволяет скомпенсировать термические расширения материалов упомянутых деталей в процессе работы 3D-принтера.

Основание 49 рабочего стола 5 может быть выполнено в виде рамной конструкции (см. фиг. 10-12), состоящей из несущей панели 54, боковых панелей 55, нижней панели 56, верхней 62 и нижней 63 крепежных пластин. Несущая панель 54 расположена в вертикальной плоскости, к которой со стороны ее боковых торцевых поверхностей (перпендикулярно к плоскости передней панели) прикреплены боковые панели 55, также расположенные в вертикальной плоскости с образованием Н-образной конструкции. При этом несущая панель 54 расположена со сдвигом от задних торцевых поверхностей боковых панелей с образованием полости для размещения ходовой гайки 48 и узла определения нулевой координаты. Нижняя панель 56 расположена в горизонтальной плоскости между боковыми 55 и передней 54 панелями с передней стороны рамной конструкции. Крепление боковых панелей 55 к несущей панели 54 может быть реализовано с помощью уголка 57, имеющего длину, превышающую длину передней панели 54 на величину толщины боковых панелей 55. При этом несущая панель 54 основания 49 рабочего стола 5 прикреплена к одной из полок уголка 57 с образованием выступающих частей уголка от боковых торцевых сторон передней панели, а боковые панели 55 снабжены пазами 58 для размещения в них выступающих частей уголка 57. Т.о. форма пазов 58 в боковых панелях 55 соответствует форме поперечного сечения уголка 57, что обеспечивает надежное соединение упомянутых деталей или Н-образной конструкции. При этом боковая панель в одном из вариантов выполнения состоит из трех плотно соединенных между собой деталей, образующих трехслойную конструкцию - из двух алюминиевых пластин 59, имеющих идентичную геометрию, и пластины из композитного материала 60, расположенной между двумя алюминиевыми пластинами 59. Рельеф верхней торцевой поверхности деталей 59 и 60 боковой панели 55 обеспечивает размещение на ней в горизонтальной плоскости рабочего стола 5. Нижняя панель 56 основания рабочего стола 49 обеспечивает жесткость конструкции, прикреплена к передней панели 54 и к боковым панелям 55, при этом крепление нижней панели 56 к передней 54 реализовано посредством ее закрепления на второй полке того же уголка 58, к которому прикреплена передняя панель 54, а крепление нижней панели 56 к боковым панелям 55 реализовано с помощью специальных крепежных элементов 61, позволяющих надежно соединять детали «стык в стык» с помощью обычных саморезов. К рамной конструкции основания 49 с задней стороны (со стороны расположения полости для размещения узла определения нулевой координаты) прикреплены верхняя 62 и нижняя 63 крепежные пластины (которые расположены в горизонтальной плоскости одна над другой и имеют прямоугольную форму со скругленными углами) между которыми расположены упомянутый узел и ходовая гайка 48 (см. фиг. 13, 14). Верхняя крепежная 62 платина, предназначенная для обеспечения жесткости рамы и фиксации линейных подшипников, с помощью крепежных элементов 61 прикреплена к верхней торцевой поверхности несущей панели 54. Нижняя крепежная пластина 63, предназначенная также для фиксации линейных подшипников и для закрепления на ней конструктивных элементов узла определения нулевой координаты, с помощью аналогичных крепежных элементов 61 прикреплена к нижней торцевой поверхности передней панели 54. При этом пластины выполнены выступающими за пределы боковых панелей рамной конструкции основания, и каждая из пластин 62 и 63 снабжена тремя отверстиями, одно из которых расположено по центру пластины и предназначено для размещения ходового винта 47, а оставшиеся два отверстия расположены по краям пластины - в частях пластины, выступающих за пределы боковых панелей рамной конструкции, симметрично относительно центрального отверстия, и предназначены для размещения в них линейных подшипников 64 для вертикальных направляющих 46 перемещения рабочего стола 5 с основанием 49 (рамной конструкцией). Таким образом, пластины 62 и 63 закреплены на рамной конструкции с обеспечением параллельного расположения проходящих через упомянутые отверстия ходового винта 47 и вертикальных направляющих 46 для перемещения рабочего стола.

При этом как было отмечено выше датчик нулевой координаты по оси Z состоит из двух соединенных между собой печатных плат 51 (см. фиг. 16), одна из которых неподвижно соединена с гайкой, а вторая - с основанием 49. При представленной выше конкретной реализации основания такое соединение обеспечивается посредством закрепления второй контактной платы на нижней крепежной пластине 63. Печатные платы представляют собой пластины из диэлектрика 67, на поверхности и/или в объеме которой сформированы по две контактные токопроводящие металлические площадки 68 (металлические контакты) соединенные между собой проводником. Пластины 67 снабжены отверстиями 69, диаметр которых соответствует диаметру центрального отверстия крепежных пластин 62 или 63 предназначенных для размещения в них ходового винта 47. При этом контактные площадки 68 на каждой пластине 67 расположены симметрично относительно центра отверстия 69 и на равноудаленном расстоянии от него. Контактная площадка выполнена в виде металлического кольца, внутри которого расположены отверстия 70 для установки направляющих 50 перемещения гайки 48 в процессе определения нулевой координаты по оси Z. Платы также снабжены технологическими отверстиями для размещения крепежных элементов.

Рабочий стол 5 установлен на верхние торцевые поверхности боковых панелей 55 в горизонтальной плоскости. При этом стол снабжен механизмом его калибровки, который может быть выполнен как «ручным», так и автоматическим. Механизм калибровки в одном из вариантов исполнения («ручной» калибровки, см. фиг. 15, 17) включает две стойки 71 с пружинами 72 и зажимами 76, которые устанавливают в двух точках стола - В и С (см. фиг. 15), ближе к его переднему краю, в проекции боковых панелей 55, при этом стол в точке А, расположенной вблизи ходового винта (по центру, ближе к заднему краю стола) закреплен неподвижно. Таким образом, рабочий стол в точке А является неподвижным, в точках В и С - регулируемым по высоте и углу наклона. Отрегулированное положение рабочего стола фиксируется зажимами 76. В состоянии расслабленных зажимов 76 стойки 71 в точках В и С являются подвижными в вертикальном направлении (за счет усилия сжатия пружин). Для размещения стоек 71 (со стороны переднего края стола) боковые панели снабжены вертикальными проточками 73, на дне которых сначала размещают пружину 72, на которую устанавливают стойку 71. Стойку 71 прикрепляют к столу 5 со стороны его нижней поверхности, при этом крепление стойки может быть реализовано через фиксатор 74, который может выполнять функцию фиксации на рабочем столе подложки с гладкой поверхностью, на которой осуществляется непосредственно построение 3D-изделия. Фиксатор 74 может представлять собой изогнутую Z-образную пластину, обеспечивающую функцию пружины. Для размещения пружины 72 третьего комплекта механизма калибровки может быть использован винт, закрепленный на детали 57. Пружины 72 подбираются таким образом, чтобы их усилия хватало для удержания всего веса рабочего стола 5.

«Ручную» калибровку рабочего стола осуществляют следующим образом. Зажимы 76 в рабочем состоянии удерживают уровень рабочего стола 5 (платформы). Печатающая головка перемещается в точку А, которая является нулевой координатой по оси Z (точка А является неподвижной, В и С - регулируемые). После нахождения печатающей головкой 2 нулевой координаты в точке А зажим 76 в точке В ослабляют, пружины 72 «выталкивают» рабочий стол 5 в данной точке вверх, таким образом данная область рабочего стола за счет расфиксированного положения зажимов 76, обеспечивающих свободное положение пружин 72 под стойками 71, выступающими в качестве опор для переднего края рабочего стола, располагается выше уровня расположения точки А стола. После чего печатающая головка перемещается к точке В. При перемещении печатающей головки из точки А в точку В за счет усилия сжатия пружины 72, которая поджимает платформу рабочего стола 5 к соплу печатающей головки 2, происходит выравнивание положения рабочего стола в точке В на одном уровне с точкой А. Далее зажим 76 в точке В затягивают, фиксируя тем самым уровень рабочего стола (или его платформы) в данной точке. После чего данную процедуру повторяют для точки С, в которой ослабляют зажим 76, после чего печатающая головка 2 перемещается из точки В в точку С, где положение стола в данной точке фиксируется зажимом 76. Таким образом, получают откалиброванный рабочий стол относительно точки А.

При замене ручных зажимов 76 на автоматические (которая может быть выполнена любыми известными из уровня техники средствами) получают полностью автоматизированную систему калибровки и выравнивания рабочего стола 5.

Рабочий стол может быть снабжен, например, четырьмя держателями 75, обеспечивающими дополнительную фиксацию подложки для 3D-изделия, выполненными по аналогии с фиксаторами 74, и закрепленными по боковым сторонам рабочего стола.

Рамная конструкция основания рабочего стола может быть снабжена передней крышкой 77 (см. фиг. 15), размещаемой в вертикальной плоскости со стороны передней торцевой поверхности 65 боковых панелей 55, закрывающей полость между рабочим столом 5 и нижней панелью 56, а также задней крышкой, размещаемой в вертикальной плоскости со стороны задней торцевой поверхности 66 боковых панелей 55, закрывающей полость, в котором расположен узел определения нулевой координаты по оси Z.

При соединении конструктивных элементов основания 49 рабочего стола использованы оригинальные крепежные элементы 61 (см. фиг. 18), представляющие собой комплекты, состоящие из крепежного винта (самореза) и фиксатора. Фиксатор выполнен из пластика в виде литой объемной детали сложной формы, состоящей из двух подобных частей, например, пластин или иных элементов, одна из поверхностей которых является плоской, при этом данные части фиксатора обращены плоскими поверхностями друг к другу (расположены параллельно) и соединены между собой перемычкой (расположенной в продольном направлении фиксатора), в которой выполнено отверстие для размещения крепежного винта, и которая имеет упорную площадку в виде утолщения перемычки в плоскости размещения входного отверстия винта. Таким образом, в поперечном сечении фиксатор представляет собой Н-образную фигуру, в которой перемычка - перекладина буквы «Н», имеет толщину, обеспечивающую размещение в ней (в продольном направлении) крепежного винта. При соединении двух деталей с помощью крепежного элемента 61 представленной оригинальной конструкции, одна из соединяемых деталей в месте размещения фиксатора должна иметь прорезь или паз под размещение перемычки фиксатора, а вторая деталь - ответное отверстие для размещения винта.

В процессе построения 3D-объекта контроллер 7 направляет рабочий стол 5 шаг за шагом вдоль оси Z и обеспечивает, таким образом, возможность построения следующих один за другим слоев 3D-объекта. Контроллер 7 (модуль управления) управляет перемещением рабочего стола 5 и печатающей головки 2, скоростью подачи расходного материала (пластика), температурой нагрева рабочего стола и температурой плавления расходного материала (пластика). Контроллер 7 соединен с индикатором на котором отображается текущая информация процесса печати 3D-модели, включая температуру нагрева сопла экструдера и рабочего стола, координаты положения стола (по оси Z), процент выполнения печати и т.д. С индикатора также могут быть доступны сервисные функции - заправка пластика, выгрузка пластика, смена сопла и т.д. При этом контроллер выполнен с возможностью автономной работы или работы под управлением компьютера с программным обеспечением, который генерирует данные для построения по CAD-модели, соответствующей 3D-объекту, и передает данные для построения в контроллер 3D-принтера.

Устройство 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, толщину внешней оболочки изделия, процент заполнения изделия материалом пластика (от 0 - при изготовлении полых изделий, до 100%), необходимость построения поддерживающих структур при наличии навесных элементов у модели, температуру охлаждения детали посредством управления режимом работы вентилятора печатающей головки, необходимость добавления «юбки» к основанию 3D-модели для лучшей адгезии начальных слоев строящегося изделия к поверхности рабочего стола 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) (см. Таблицу 1) и т.д. Под каждый пластик выбирают температуру нагревателя для расплавления пластика в печатающей головке, температуру нагрева поверхности рабочего стола при печати первого слоя 3D-модели и остальных слоев. Поддерживающая структура может быть построена из материала печати самого объекта с использованием одной печатающей головки, 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.

Перед началом печати на персональном компьютере с помощью 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 (ПО) (например, Slic3r, KISSlicer), 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.

Подготовку задания для печати осуществляют следующим образом. После окончания всех манипуляций с моделью для старта печати переводят модель в понятное для принтера задание. Задание, представленное в виде компьютерного языка команд, например, g-code, образуется в процессе разрезания модели на множество слоев. Количество слоев определяется необходимым разрешением и ограничивается возможностями по разрешению конкретной модели принтера. В процессе подготовки задания определяют необходимые характеристики прочности модели, разрешение печати, скорость печати и необходимость построения поддерживающих структур под навесные элементы. (Поддерживающие структуры - элементы которые автоматически формируются в процессе разрезания модели на слои, в случае необходимости. Они создают опорные плоскости для элементов детали. Поддерживающие структуры могут выполняться из того же материала, что и выстраивающийся прототип, а может выполняться из других материалов, которые возможно растворить водой и другими специализированными жидкостями, в зависимости от модификации принтера.) По каждому слою строят векторы перемещения печатающей головки - контур и внутреннюю структуру в зависимости от выбранных параметров (толщины стенки, процента заполнения и т.д.).

Общий алгоритм преобразования STL модели в задание для принтера выглядит следующим образом (фиг. 19). Входная модель начинает разрезаться по слоям равным разрешению печати конкретного принтера. После отсечения очередного слоя сначала вырисовывается внешний контур, затем производится его заливка исходя из процента заполнения. После прохода по всей высоте модели, производится построение поддерживающих структур и далее задание экспортируется в готовый файл.

Подготовка устройства. После подготовки задания для печати устанавливают соединение с принтером. Проверяют работоспособность всех механических узлов принтера, наличие установленных расходных материалов. После чего загружают подготовленное задание в контроллер принтера через сетевой интерфейс или переносной носитель.

По окончании всех подготовок запускают печать. После запуска печати разогреваются до заданных температур сопло и поверхность рабочего стола, печатная головка и стол совершают поиск нулевых координат по осям XYZ, после чего осуществляют калибровку рабочего стола, и далее запускают сам процесс печати модели на рабочем столе.

Пример конкретного выполнения

Заявляемое устройство может быть изготовлено в нескольких вариантах - для печати изделий, требующих высокой разрешающей способности (от 50 мкм до 500 мкм), а также крупногабаритных объектов, где разрешающая способность может определяться в мм диапазоне. Т.к. разрешающая способность принтера связана со скоростью печати (чем выше разрешение, тем ниже скорость печати), то пользователь сам выбирает скорость перемещения головки, которая в одном из вариантов осуществления изобретения варьируется в диапазоне от 15 мм/сек до 200 мм/сек. Для данного варианта выполнения изготовленный 3D-принтер имел следующие технические характеристики: габариты 365×386×452 мм; размер области построения (максимальный размер получаемой модели), длина - 200 мм, ширина - 200 мм, высота - 210 мм, разрешение печати по осям X, Y, Z, толщина слоя - 0,05 мм; 0,1 мм; 0,2 мм; 0,25 мм; поддерживаемые материалы - ABS (промышленный термопластик), PLA (биосовместимый термопластик), программное обеспечение - Polygon, которое предоставляет возможность гибкого управления стандартными параметрами, отвечающими за внешний вид, точность деталей, прочность и количество потраченного времени на эффективность процесса построении изделия. Благодаря программному обеспечению Polygon в камере построения автоматически определяется STL файл, который разбивается на слои, из этого производится расчет необходимой структуры поддержки, происходит генерация файла движения печатающей головки соответственно геометрии модели, после чего она отправляется на печать. Поддерживаемые форматы файлов - STL; интерфейс подключения - USB; совместимые ОС - Windows ХР, Windows Vista, Windows7.

Преимущества заявляемого изобретения

В заявляемом решении 3D-принтера реализован комплекс из усовершенствованных устройств:

- устройства перемещения рабочего стола по оси Z, в котором реализована возможность автоматического определения нулевой координаты по оси Z, т.е. обеспечивающего автоматический поиск начального уровня печати в рабочих условиях без необходимости перенастройки при смене расходных материалов и режимов печати.

- устройства калибровки рабочего стола, простого в изготовлении и эксплуатации;

- устройства перемещения печатающей головки, основанное на использовании двух связанных между собой контуров ремней, расположенных зеркально симметрично относительно оси симметрии, расположенной параллельно продольным направляющим и на равноудаленном расстоянии от них, управляемых двумя независимыми электродвигателями, размещенными на шасси. Это решение обеспечивает минимальную массу подвижной части системы, геометрическую перпендикулярность направляющих, расположенных по осям X-Y и максимальную полезную рабочую площадь. Кроме того, те части контуров ремней, которые задают усилие перемещения подвижной части устройства (рабочая часть ремней), находятся в одной плоскости, что минимизирует нагрузку на подвижное соединение направляющих по осям X-Y и увеличивает ресурс работы системы, повышает ее надежность и точность работы.

Заявляемое устройство перемещения печатающей головки по сравнению с аналогичными системами позволяет улучшить ряд важных параметров, которые влияют на точность перемещения и плавность хода печатающей головки.

А именно, расположение роликов 24-27 в одной плоскости с поперечными направляющими 12 и 13 убирает перекашивающие силы, что уменьшает нагрузку на линейные подшипники узлов перемещения поперечных направляющих по продольным направляющим и уменьшает их износ; два связанных контура ремней гарантируют перпендикулярность поперечных направляющих 12 и 13 относительно продольных направляющих 10 и 11, что упрощает и уменьшает массу подвижного соединения поперечных направляющих 12 и 13 на продольных направляющих 10 и 11; конструкция устройства перемещения печатающей головки обеспечивает комплексную возможность перемещения каретки 3 с печатающей головкой 2 - как по оси X и Y, так и в диагональном направлении; фиксация моторов 18 и 19 на корпусе 1 принтера или на основании 9 уменьшает массу подвижных частей, что позволяет снизить инерционный момент; открытый проем в корпусе 1 между моторами 18 и 19 облегчает доступ к каретке 3 с печатающей головкой 2 и рабочему столу 5.

Изобретение относится к технологии изготовления объемного изделия по цифровой 3D-модели методом послойной печати расплавленной полимерной нитью, а именно к устройству перемещения рабочего стола по оси Z для 3D-принтера и к 3D-принтеру, содержащему такое устройство. Техническим результатом изобретения является автоматизация позиционирования поверхности рабочего стола и автоматизация первоначальной настройки принтера, а также упрощение обслуживания и эксплуатации и повышение надежности работы. Технический результат достигается устройством перемещения рабочего стола по оси Z для 3D-принтера. Устройство содержит ходовой винт, закрепленный вертикально в корпусе принтера и соединенный с приводом, обеспечивающим вращение винта. На ходовом винте расположена гайка, подвижно закрепленная на основании рабочего стола через узел определения нулевой координаты по оси Z. Узел включает датчик определения нулевой координаты по оси Z, состоящий из двух контактных плат, где одна из плат соединена с гайкой, а вторая - с основанием стола, с возможностью изменения состояния электрической цепи при достижении поверхностью рабочего стола сопла печатающей головки. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 19 ил., 1 пр.

1. Устройство перемещения рабочего стола по оси Z для 3D-принтера, характеризующееся тем, что оно включает ходовой винт, закрепленный вертикально в корпусе принтера и соединенный с приводом, обеспечивающим вращение винта, гайку, расположенную на ходовом винте и подвижно закрепленную на основании рабочего стола через узел определения нулевой координаты по оси Z, включающий датчик определения нулевой координаты по оси Z, состоящий из двух контактных плат, где одна из плат соединена с гайкой, а вторая - с основанием стола, с возможностью изменения состояния электрической цепи при достижении поверхностью рабочего стола сопла печатающей головки.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что оно содержит, по крайней мере, одну вертикальную направляющую, расположенную со стороны задней стенки принтера параллельно ходовому винту и выполненную с возможностью перемещения по ней рабочего стола.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что для обеспечения подвижности гайки относительно рабочего стола узел определения нулевой координаты по оси Z включает, по крайней мере, две направляющие для гайки, закрепленные на основании стола и расположенные параллельно ходовому винту, по крайней мере, две пружины, расположенные на направляющих для гайки, опоры для пружин, закрепленные на направляющих для гайки и выполненные с возможностью регулировки усилия сжатия пружин, при этом пружины расположены между опорой и гайкой с обеспечением прижатия гайки к основанию стола в процессе перемещения рабочего стола до соприкосновения с соплом печатающей головки, и при достижении поверхностью рабочего стола сопла печатающей головки - возможностью перемещения гайки относительно рабочего стола по упомянутым направляющим с изменением замкнутого состояния электрической цепи на разомкнутое.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что контактная плата датчика определения нулевой координаты по оси Z снабжена двумя контактными токопроводящими металлическими площадками, соединенными проводником, и отверстием для ходового винта, при этом контактные площадки выполнены в виде металлических колец, внутри которых расположены отверстия для размещения направляющих для перемещения гайки, и размещены на равноудаленном расстоянии от центра отверстия для ходового винта.

5. 3D-принтер для послойного изготовления объемных деталей, включающий расположенные в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную устройством - модулем ее перемещения в плоскости XY, рабочий стол, закрепленный на основании и снабженный устройством перемещения по оси Z, выполненным по п. 1, и механизмом калибровки рабочего стола; контроллер, выполненный с возможностью управления процессом послойного изготовления объемных деталей, катушку с расходным материалом, выполненную с возможностью подачи расходного материала в печатающую головку.

6. 3D-принтер по п. 5, характеризующийся тем, что механизм калибровки рабочего стола включает, по крайней мере, две стойки с пружинами и зажимами, которые установлены на основании рабочего стола в двух точках по боковым сторонам рабочего стола ближе к его переднему краю и обеспечивающими подвижность стола в упомянутых точках, при этом стол в точке, расположенной вблизи ходового винта, закреплен неподвижно.

7. 3D-принтер по п. 6, характеризующийся тем, что один конец стойки механизма калибровки рабочего стола жестко прикреплен к столу со стороны его нижней поверхности, другой конец установлен на основании рабочего стола через пружину, зажим размещен на основании, который в свободном положении обеспечивает положение пружины, при котором часть стола в данной точке находится выше уровня стола, закрепленного в «неподвижной» точке, и при перемещении печатающей головки из «неподвижной» точки в «подвижную», в результате которого стойка перемещается по вертикали вниз, сжимая пружину, зажим обеспечивает фиксацию положения стойки в «подвижной» точке на уровне «неподвижной».

8. 3D-принтер по п. 5, характеризующийся тем, что основание рабочего стола представляет собой рамную конструкцию, состоящую из несущей панели, расположенной в вертикальной плоскости, к которой со стороны ее боковых торцевых поверхностей прикреплены боковые панели, расположенные в вертикальной плоскости перпендикулярно несущей панели с образованием Н-образной конструкции; нижней панели, расположенной в горизонтальной плоскости между боковыми и несущей панелями с передней стороны рамной конструкции; двух крепежных пластин, установленных в горизонтальной плоскости одна над другой с задней стороны рамной конструкции с образованием полости между крепежными пластинами, несущей и боковыми панелями для размещения ходовой гайки и узла определения нулевой координаты.

9. 3D-принтер по п. 8, характеризующийся тем, что боковые панели снабжены вертикальными проточками для размещения конструктивных элементов механизма калибровки рабочего стола, расположенными ближе к переднему краю панелей.

10. 3D-принтер по п. 5, характеризующийся тем, что рабочий стол снабжен подложкой с гладкой поверхностью для изготовления на ней 3D-изделия и фиксаторами подложки.

11. 3D-принтер по п. 5, характеризующийся тем, что печатающая головка включает расположенные на каретке приводной механизм, соединенный с катушкой, для подачи расходного материала для изготовления объемной детали по сигналу, поступающему от контроллера; ведущий ролик, расположенный на валу приводного механизма, и расположенный параллельно с ним ведомый ролик, при этом ведущий и ведомый ролики связаны между собой через шестеренки, и ведомый ролик снабжен пружиной для обеспечения необходимого усилия прижатия к ведущему ролику; нагреватель, представляющий собой пластину из материала с высокой теплопроводностью, например алюминия, через который проходит канал для расплава расходного материала, соединенный с соплом; датчик температуры, расположенный на нагревателе, при этом сопло с нагревателем закреплены на каретке через термоизолятор, представляющий собой трубку из материала с малой теплопроводностью; вентилятор для обеспечения оптимального температурного режима при изготовлении детали, закрепленный на каретке со стороны сопла; закрепленную на каретке коммутационную плату с разъемами для подключения приводного механизма, нагревателя, датчика температуры, датчика нулевой координаты по оси X и вентилятора.

12. 3D-принтер по п. 5, характеризующийся тем, что устройство 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, выполненную 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 P-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 ХY.

13. 3D-принтер по п. 12, характеризующийся тем, что однонаправленное вращение шкивов обеспечивает перемещение каретки с печатающей головкой по оси X, противонаправленное - по оси Y, вращение одного из шкивов обеспечивает перемещение каретки с печатающей головкой в диагональном направлении.

14. 3D-принтер по п. 12, характеризующийся тем, что для перемещения поперечной направляющей по продольным направляющим концы поперечной направляющей закреплены на продольных направляющих через подвижные соединительные узлы, при этом каждый из подвижных соединительных узлов снабжен парой роликов, расположенных по оси Y в плоскости размещения рабочей части ремней, через которые проходят ремни первого и второго контуров.

15. 3D-принтер по п. 12, характеризующийся тем, что он содержит датчики нулевой координаты по оси X и оси Y, задающие начальное положение печатающей головки в плоскости XY, при этом датчик нулевой координаты по оси X закреплен на каретке с печатающей головкой, а датчик нулевой координаты по оси Y закреплен на конце одной из продольных направляющих со стороны размещения шкива.

16. 3D-принтер по п. 12, характеризующийся тем, что он содержит два узла из опорных роликов, служащих в качестве направляющих для приводных ремней связанных контуров, при этом узлы закреплены на основании с противоположных от ведущих шкивов сторон продольных направляющих, а узел из опорных роликов образован двумя роликами, расположенными один над другим на одной вертикальной оси, при этом верхние ролики узлов являются направляющими для приводного ремня одного контура, нижние - другого.

17. 3D-принтер по п. 12, характеризующийся тем, что в первом контуре, образованном P-образным расположением первого ремня, один конец ремня закреплен на одной боковой стенке каретки с печатающей головкой, проходит через один из роликов первого подвижного соединительного узла, затем через шкив, расположенный со стороны первой продольной направляющей, опорные ролики, затем второй ролик второго подвижного соединительного узла и заканчивается креплением второго конца приводного ремня на противоположной боковой стенке каретки с печатающей головкой, а второй контур образован аналогично первому с симметричным расположением его элементов, причем нижний опорный ролик одной пары, верхний опорный ролик второй пары, ролики подвижных соединительных узлов, ведущие шкивы и поперечные направляющие расположены в одной плоскости.

18. 3D-принтер по п. 12, характеризующийся тем, что основание выполнено из двух пластин или уголков, расположенных параллельно и соединенных между собой поперечным элементом с образованием П-образной конструкции, при этом продольные направляющие закреплены на пластинах П-образной конструкции, расположенных параллельно, шкивы и соединенные с ними электродвигатели закреплены на основании, вблизи открытой части П-образной конструкции, а узлы из опорных роликов закреплены на поперечном элементе П-образной конструкции.

19. 3D-принтер по п. 5, характеризующийся тем, что рабочий стол выполнен с возможностью подогрева рабочей поверхности.

20. 3D-принтер по п. 5, характеризующийся тем, что контроллер выполнен с возможностью управления перемещениями рабочего стола и печатающей головки, скоростью подачи расходного материала, температурой нагрева рабочей поверхности рабочего стола и температурой плавления расходного материала и соединен с индикатором для отображения текущей информации процесса изготовления объемной детали, при этом контроллер выполнен с возможностью автономной работы или работы под управлением компьютера с программным обеспечением, генерирующим данные для построения объемного изделия по его CAD-модели.