RU2552235C1

RU2552235C1 - Device of displacement of print head for 3d-printer

Info

Publication number: RU2552235C1
Application number: RU2014106923/12A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович ИСУПОВ
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-06-10

Abstract

FIELD: printing industry.SUBSTANCE: device of displacement of print head of 3D-printer in the XY plane comprises two longitudinal and at least one transverse guide for displacement of print head in the plane XY, where the longitudinal guides are located on the Y axis and are rigidly fixed to the base, and the transverse guide is located on the X axis between the two longitudinal guides with the ability to move them; a carriage on which the print head is mounted, made with the ability to move along the transverse guide; two drive belts, the ends of which are fixed on the carriage to form two interconnected loops designed to move the carriage with the print head in the XY plane by means of two drive pulleys connected with their drives with the possibility of independent rotation of the pulleys in the same or opposite directions, one of which transmits the tractive force to the first drive belt, and the second - to the second drive belt. One of the loops is formed by P-shaped arrangement of the first belt, and the second loop is formed by the second belt arranged symmetrically relating to location of the first belt with a symmetry axis located parallel to the longitudinal guides and equidistant from them. The working parts of the belts of two loops extending along the transverse guide are located in the same XY plane.EFFECT: improvement of the device.14 cl, 1 tbl, 16 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.

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.The invention relates to the technology of manufacturing a three-dimensional (bulk) product (physical object, or layout, or model) using a digital 3D model by rapid prototyping methods, which can be implemented by extrusion deposition of a sequence of layers in the cross section of the product. 3D extrusion printers can be used in various fields of human activity, for example, in the production and development of new products - for the rapid manufacture of prototype models, including experimental equipment cases - automobiles, telephones, electronic equipment; in industry, for example, for the rapid production (mainly single or small-scale) of finished parts from materials supported by 3D printers, for example, models and molds for foundry, containers and packaging, etc .; in medicine, for example, in prosthetics and the production of implants, as well as in the manufacture of various products at home, etc.

Уровень техники.The level of technology.

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 послойной укладки на поверхность рабочего стола (рабочую поверхность) слоя, формируемого расплавленной нитью из плавкого строительного материала (расходного или моделирующего материала), например, пластика, с пошаговым перемещением рабочего стола вниз на высоту сформированного слоя.3D printing can be carried out in different ways and using different materials, which are based on the principle of layer-by-layer creation (growing) of a solid object, in particular, using FDM (Fused Deposition Modeling) technology - layer-by-layer printing with molten polymer filament (or the method of layer-by-layer deposition or simulation method), as a result of which the object is formed by layer-by-layer laying on the surface of the working table (work surface) of a layer formed by molten thread from a fusible building material Therians (expendable material or modeling), for example, plastic, with stepwise displacement desktop down to a height formed layer.

Технология FDM печати заключается в следующем: печатающая головка (или экструдер) с контролируемой температурой 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 как в плоскости слоя, так и по вертикали. Для позиционирования печатающей головки используют декартовую систему координат, согласно которой в конструкции принтера печатающая головка, либо рабочий стол, на котором формируются изделие, перемещаются вдоль трех взаимно-перпендикулярных направляющих. Технология была изобретена в конце 80-х годов Скоттом Крампом (компания Stratasys).FDM printing technology consists in the following: a temperature-controlled printhead (or extruder) heats a thread from a fusible material to a fluid state, and with high accuracy delivers the molten material in thin layers onto the working surface of a 3D printer. The layers are applied to each other, joined together and harden, gradually forming the finished product. The print head squeezes the liquid material layer by layer, moving freely both in the plane of the layer and vertically. To position the print head, a Cartesian coordinate system is used, according to which in the design of the printer the print head or the desktop on which the product is formed are moved along three mutually perpendicular guides. The technology was invented in the late 80s by Scott Kramp (company 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 этом строительный материал подается через наконечник (сопло) печатающей (экструзионной) головки и осаждается в виде последовательности дорожек на подложке в XY-плоскости. Затем печатающая головка поднимается относительно подложки по оси Z (перпендикулярной XY-плоскости) на один шаг, и процесс повторяется для формирования 3D-объекта, подобного CAD-модели.In particular, from the patents US 5121329, US 5340433, US 5738817, US 5764521, US 6022207 of the company Stratasys (Stratasys, Inc), the technology of constructing a 3D object by a model for computer-aided design (CAD) by layer-by-layer extrusion deposition is known flowing building material (modeling material). In this case, the building material is fed through the tip (nozzle) of the print (extrusion) head and deposited as a sequence of tracks on the substrate in the XY plane. Then the print head rises relative to the substrate along the Z axis (perpendicular to the XY plane) by one step, and the process is repeated to form a 3D object similar to a CAD model.

Строительный материал обычно загружается в машину в виде эластичной нити, намотанной на питающую бобину, как описано в патенте US 5121329. В качестве строительного материала используется твердеющий материал, который налипает на предыдущий слой с адекватным сцеплением после твердения и который может подаваться как эластичная нить. Питающие ролики с приводом от электродвигателя подают прядь нитей в нагревательный элемент, установленный на экструзионной головке. В нагревательном элементе нить нагревается до температуры текучести. Текучий строительный материал выдавливается из наконечника на дальнем конце нагревательного элемента и осаждается на основание (поверхность рабочего стола). Расход материала, вытесняемого из наконечника, зависит от скорости продвижения нити с экструзионной головкой. Контроллер управляет движением экструзионной головки в горизонтальной плоскости XY, 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 по в соответствии с моделью из системы автоматизированного проектирования.Building material is typically loaded into the machine as an elastic thread wound on a feeding reel, as described in US Pat. No. 5121329. As a building material, a hardening material is used that adheres to the previous layer with adequate adhesion after hardening and which can be fed as an elastic thread. The feed rollers driven by an electric motor feed a strand of filaments into a heating element mounted on an extrusion head. In the heating element, the thread is heated to a pour point. Fluid building material is extruded from the tip at the far end of the heating element and deposited on the base (desktop surface). The consumption of material displaced from the tip depends on the speed of advancement of the thread with the extrusion head. The controller controls the movement of the extrusion head in the horizontal XY plane, the movement of the worktable in the vertical Z direction, and the feed rate of the filament by the feed rollers. With the simultaneous control of these technological variables, the building material is applied in layers in the form of “rollers” along the tool paths defined by the model of the computer-aided design system. The displaced material is deposited on the previously deposited material and hardens with the formation of a three-dimensional product according to the model from the computer-aided design system.

В результате послойного формирования изделия на его внешней поверхности образуются полосы. В общем, искривленные и изогнутые поверхности имеют «ступенчатый» вид, что вызвано послойным представлением их сечений с прямоугольной конфигурацией граней. Зубчатый эффект более выражен по мере увеличения толщины слоя. Хотя зубчатость не влияет на прочность объекта, это ухудшает его эстетическое восприятие. Шероховатость поверхности объектов, получаемых на основе технологий послойного изготовления, также является результатом ошибок в процессе наращивания слоев. Ошибки наиболее часто возникают в начальных и конечных точках маршрута экструзионной головки, например, на месте «шва» (то есть в начальной и конечной точках замкнутого маршрута экструзионной головки). Эти ошибки могут вызывать нежелательные несоответствия формы получаемого изделия с формой спроектированной 3D-модели. Заявляемое изобретение минимизирует данные ошибки, в т.ч. в результате предлагаемой кинематической схемы устройства перемещения печатающей головки в плоскости XY.As a result of layer-by-layer formation of the product, stripes are formed on its outer surface. In general, curved and curved surfaces have a “stepped” appearance, which is caused by the layer-by-layer representation of their sections with a rectangular configuration of faces. The serrated effect is more pronounced as the layer thickness increases. Although dentation does not affect the strength of an object, it impairs its aesthetic perception. The surface roughness of objects obtained on the basis of layer-by-layer manufacturing technologies is also the result of errors in the process of layer building. Errors most often occur at the start and end points of the extrusion head route, for example, at the “seam” location (that is, at the start and end points of the closed route of the extrusion head). These errors can cause unwanted discrepancies in the shape of the resulting product with the shape of the designed 3D model. The claimed invention minimizes these errors, including as a result of the proposed kinematic scheme of the device for moving the print head in the XY plane.

Перемещение экструзионной головки относительно основания (рабочего стола) осуществляется под управлением контроллера в соответствии с данными для построения, которые представляют 3D-объект. 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.The movement of the extrusion head relative to the base (desktop) is carried out under the control of the controller in accordance with the data for the construction, which represent a 3D object. When receiving data for construction, the CAD model is first divided into many horizontal layers. Then, for each layer, the computer generates a deposition path for building material tracks to form a 3D object.

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 он удаляется.In the manufacture of a three-dimensional product (3D object) by deposition of layers of building material under overhanging parts or in cavities of objects not supported by the building material itself, as a rule, supporting layers or structures are formed during the construction process. The formation of the supporting structure can be carried out by the same methods as the deposition of building material. The computer generates an additional relief that acts as a supporting structure for the overhanging or unsupported elements of the generated 3D object. At the same time, in the process of building support material, as a rule, is deposited from the second nozzle in accordance with the generated relief. In the manufacturing process, the support material is glued to the building material, and after the completion of the 3D object construction process, it is removed.

Источником строительного материала обычно служит катушка с намотанной пластиковой нитью, которая подается в печатающую головку. Контроллер включает или выключает подачу материала, а также управляет движением головки в пространстве по трем координатам. Кроме того, головка выполнена с возможностью нагрева материала.The source of building material is usually a spool of wound plastic thread that is fed into the print head. The controller turns the material feed on or off, and also controls the movement of the head in space in three coordinates. In addition, the head is configured to heat the material.

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.Like any other 3D printing method, the fused deposition method begins with the preparation of a computer description of the 3D model. After creating the 3D model, CAD systems that support 3D printing management are used. Printing modes are customizable, including parameters of layer thickness, material filling model, support alignment algorithm. In most cases, the STL file format is used for printing. In particular, the Stratasys program downloads an STL file with a description of the model and then analyzes it in all sections and calculates the fusion algorithm.

В качестве строительного материала обычно используются термопластичные сорта пластика, т.е. пластика, который плавится при нагревании, и твердеющего при охлаждении. Материал подается в печатающую головку, ее движение обеспечивается посредством высокоточных шаговых электродвигателей. Головка движется в соответствии с ранее рассчитанным алгоритмом и наносит разогретый пластик слой за слоем. Обычно толщина слоя составляет сотые доли миллиметра. Сразу после нанесения пластик остывает и затвердевает. 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.As a building material, thermoplastic grades of plastic, i.e. plastic that melts when heated, and hardens when cooled. The material is fed into the print head, its movement is provided by high-precision stepper motors. The head moves in accordance with the previously calculated algorithm and applies the heated plastic layer by layer. Typically, the layer thickness is hundredths of a millimeter. Immediately after application, the plastic cools and hardens. As a building material in extrusion 3D printers, ABS (plastic) (plastic impact resistant technical thermoplastic resin) is most widely used, as the most reliable and versatile material, including in rapid prototyping systems, due to its glass transition temperature, it is high enough so that unwanted deformations do not occur with little heating in the applied areas (including domestic conditions), but low enough for safe extrusion using standard tools. For 3D printing, polycarbonates, polycaprolactones, polyphenyl sulfones, paraffin-like compounds, etc. can also be used by this method. For the production of products with a short service life (food packaging, disposable tableware, bags, various containers), as well as in medicine, for the production of surgical sutures and pins can be used PLA (plastic) - biodegradable, biocompatible, thermoplastic, aliphatic polyester made from renewable resources such as corn and sugarcane and which is absolutely safe.

Из уровня техники известно техническое решение по заявке US 2013/0078073 A1 фирмы Stratasys Inc, в котором представлено описание механизма перемещения печатающей головки. В данном техническом решении перемещение печатающей головки в плоскости XY осуществляется с помощью одного ремня (одного контура), расположенного в виде буквы «H» и приводимого в действие двумя моторами, вынесенными на шасси. Это частично решает проблему уменьшения инерционности подвижных элементов, однако такая система не гарантирует геометрической перпендикулярности направляющих, расположенных по осям X-Y, по которым осуществляется перемещение печатающей головки. Этот недостаток устраняется посредством увеличения механической жесткости подвижного соединения осей X и Y, как правило, за счет увеличения ширины направляющей по оси X, что ведет к увеличению массы подвижной части системы и уменьшению полезной площади рабочей зоны.The prior art technical solution for the application US 2013/0078073 A1 company Stratasys Inc, which presents a description of the mechanism of movement of the print head. In this technical solution, the print head is moved in the XY plane using one belt (one contour) located in the form of the letter “H” and driven by two motors mounted on the chassis. This partially solves the problem of reducing the inertia of the moving elements, however, such a system does not guarantee the geometric perpendicularity of the guides located along the X-Y axes along which the print head is moved. This disadvantage is eliminated by increasing the mechanical rigidity of the movable joint of the X and Y axes, as a rule, by increasing the width of the guide along the X axis, which leads to an increase in the mass of the moving part of the system and a decrease in the useful area of the working area.

Заявляемое решение основано на использовании двухконтурной системы перемещения печатающей головки. Добавление второго контура ремня, связанного с первым контуром, обеспечивает геометрическую перпендикулярность направляющих, расположенных по осям X-Y, что позволяет использовать максимально облегченное подвижное соединение данных направляющих и минимальную ширину направляющей по оси X. Результатом является снижение массы подвижной части системы и увеличение полезной площади рабочей зоны.The claimed solution is based on the use of a dual-circuit system for moving the print head. Adding a second belt contour connected with the first contour ensures the geometric perpendicularity of the guides located along the XY axes, which allows using the most lightweight movable connection of these guides and the minimum width of the guide along the X axis. The result is a reduction in the mass of the moving part of the system and an increase in the useful area of the working area .

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является механизм перемещения печатающей головки многоосевого робота по патенту US 8042425 B2, который включает два направляющих рельса (первый и второй), расположенные параллельно друг другу, которые определяют первую ось перемещения для печатающей головки; перекладину, определяющую вторую ось перемещения печатающей головки, и первый конец которой подвижно соединен с первым направляющим рельсом, а второй - со вторым рельсом; на перекладине подвижно закреплена каретка с печатающей головкой с возможностью перемещения вдоль второй оси; первую приводную систему, включающую первый приводной ремень, имеющий H-бразную геометрию расположения и образующий первый контур перемещения каретки с печатающей головкой по осям X и Y, а также вторую и третью приводные системы, включающие второй и третий приводные ремни, образующие второй и третий контуры перемещения, соответственно, при этом второй приводной ремень имеет P-образную геометрию расположения, а третий ремень расположен симметрично относительно второго, ремни проходят вдоль перекладины, вдоль одного из направляющих рельсов и частично вдоль второго направляющего рельса. Второй контур перемещения обеспечивает движение печатающей головки по оси X, а третий - поворот печатающей головки вокруг ее оси. Механизм перемещения предусматривает возможность использования дополнительных приводных ремней (контуров перемещения).Closest to the claimed technical solution is the mechanism for moving the print head of a multi-axis robot according to US 8042425 B2, which includes two guide rails (first and second) located parallel to each other, which define the first axis of movement for the print head; the crossbar defining the second axis of movement of the print head, and the first end of which is movably connected to the first guide rail, and the second to the second rail; on the crossbar, a carriage with a printhead is movably fixed with the possibility of movement along the second axis; a first drive system including a first drive belt having an H-shaped arrangement geometry and forming a first movement path of the carriage with the print head along the X and Y axes, as well as a second and third drive system including a second and third drive belt forming a second and third circuit displacements, respectively, while the second drive belt has a P-shaped geometry, and the third belt is located symmetrically with respect to the second, the belts run along the crossbar, along one of the rail guides and partially along the second guide rail. The second displacement loop provides the print head movement along the X axis, and the third - the rotation of the print head around its axis. The movement mechanism provides for the possibility of using additional drive belts (displacement loops).

В данном решении для позиционирования печатающей головки робота использованы три контура перемещения, не связанные между собой. При этом в плоскости осей X-Y используется H-образный контур и два мотора, установленных на шасси, а также два контура P-образных ремней. При этом перемещение головки по оси X и по оси Y обеспечивает H-образный контур посредством вращения моторов в одном или противоположном направлениях, соответственно. Остальные варианты реализации добавляют роботу возможность управления печатающей головкой (вращение, перемещение по третьей координате) с помощью дополнительных контуров перемещения. Первый H-образный контур обеспечивает минимальную массу подвижной части системы, геометрическую перпендикулярность осей X-Y и максимальную полезную рабочую площадь, однако расположение трех контуров ремней в разных плоскостях в динамике создает паразитные силы, увеличивающие нагрузку на подвижное соединение осей X-Y, что уменьшает ресурс работы системы и уменьшает ее надежность.In this solution, three displacement loops that are not interconnected are used to position the print head of the robot. In this case, in the plane of the X-Y axes, an H-shaped contour and two motors mounted on the chassis, as well as two P-shaped belts are used. The movement of the head along the X axis and Y axis provides an H-shaped contour by rotating the motors in one or opposite directions, respectively. Other options for the implementation add to the robot the ability to control the print head (rotation, movement along the third coordinate) using additional displacement contours. The first H-shaped contour provides the minimum mass of the moving part of the system, the geometric perpendicularity of the XY axes and the maximum usable working area, however, the location of three belt loops in different planes in the dynamics creates spurious forces that increase the load on the movable joint of the XY axes, which reduces the life of the system and reduces its reliability.

Заявляемое решение основано 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, расположенными 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.The claimed solution is based on the use of two interconnected loops of belts arranged mirror symmetrically with respect to the axis of symmetry located parallel to the longitudinal guides and at an equal distance from them, controlled by two independent electric motors located on the chassis. This solution provides the minimum mass of the moving part of the system, the geometric perpendicularity of the guides located along the X-Y axes and the maximum usable working area. In addition, those parts of the belt circuits that specify the force of movement of the moving part of the device (the working part of the belts) are in the same plane, which minimizes the load on the movable connection of the guides along the X-Y axes and increases the life of the system, increases its reliability and accuracy.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Задачей изобретения является создание устройства перемещения печатающей головки и 3d-принтера с данным устройством, более надежных в эксплуатации и увеличенным ресурсом работы с высокой точностью позиционирования печатающей головки в процессе построения 3D объекта, реализуемой в течение срока эксплуатации устройства.The objective of the invention is to provide a device for moving the print head and a 3D printer with this device, more reliable in operation and an increased resource of work with high accuracy of positioning of the print head in the process of constructing a 3D object, implemented during the life of the device.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является снижение нагрузки на подвижную часть устройства (узел соединения направляющих для печатающей головки, расположенных по оси X с направляющими, расположенными по оси Y) и массы подвижной части устройства, а также обеспечение перпендикулярного положения направляющих для печатающей головки, расположенных по оси X относительно направляющих, расположенных по оси Y в процессе работы устройства (печати 3D объекта).The technical result to which the claimed invention is directed is to reduce the load on the movable part of the device (the junction of the guides for the print head located along the X axis with the guides located on the Y axis) and the mass of the movable part of the device, as well as ensuring the perpendicular position of the guides for a print head located along the X axis relative to the guides located along the Y axis during the operation of the device (3D object printing).

Поставленная задача решается тем, что устройство перемещения печатающей головки 3D-принтера 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 с размещением шкива в основании ножки буквы «P» P-образного контура, а второй контур образован вторым ремнем, расположенным симметрично относительно расположения первого ремня с осью симметрии, расположенной параллельно продольным направляющим и на равноудаленном расстоянии от них, при этом «рабочие» части ремней двух контуров, проходящие вдоль поперечной направляющей, расположены в одной плоскости XY. 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.The problem is solved in that the device for moving the print head of a 3D printer in the XY plane includes two longitudinal and at least one transverse guides for moving the print head in the XY plane, where the longitudinal guides are located on the Y axis and are rigidly fixed to the base, and the transverse guide is located on the X axis between two longitudinal guides with the possibility of movement along them; a carriage on which a print head is mounted, configured to move along a transverse guide; two drive belts, the ends of which are fixed on the carriage with the formation of two interconnected circuits designed to move the carriage with the print head in the XY plane by means of two drive pulleys connected to their drives with the possibility of independent rotation of the pulleys in one or opposite directions, one of which transfers traction to the first drive belt, and the second to the second drive belt, while one of the circuits is formed by a P-shaped arrangement of the first belt with the placement of the pulley in the base and legs of the letter “P” of the P-shaped contour, and the second contour is formed by a second belt symmetrically relative to the location of the first belt with an axis of symmetry parallel to the longitudinal guides and at an equidistant distance from them, while the “working” parts of the belts of the two circuits passing along the transverse guide, located in the same XY plane. Unidirectional rotation of the pulleys provides movement of the carriage with the print head along the X axis, anti-directional rotation of the pulley along the Y axis, rotation of one of the pulleys ensures the movement of the carriage with the print head in the diagonal direction.

В частном варианте реализации изобретения для перемещения поперечной направляющей по продольным направляющим концы поперечной направляющей могут быть 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.In a particular embodiment of the invention, for moving the transverse guide along the longitudinal guides, the ends of the transverse guide can be secured to the longitudinal guides through movable connecting units, each of the movable connecting nodes being provided with a pair of rollers located along the Y axis in the plane of the working part of the belts, through which pass the belts of the first and second circuits.

Устройство 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 боковой стенке каретки с печатающей головкой, а датчик нулевой координаты по оси Y закреплен на конце одной из продольных направляющих со стороны размещения шкива.The device contains sensors of zero coordinate along the X axis and axis Y, which specify the initial position of the print head in the XY plane, while the zero coordinate sensor on the X axis is fixed to the side wall of the carriage with the print head, and the zero coordinate sensor on the Y axis is fixed at the end of one of longitudinal guides on the side of the pulley.

Перемещение печатающей головки в плоскости XY, осуществляется по алгоритму, определяемому из соотношений:Moving the print head in the XY plane, is carried out according to an algorithm determined from the relations:

dX=(dM1-dM2)/2,dX = (dM1-dM2) / 2,

dY=(dM1+dM2)/2, гдеdY = (dM1 + dM2) / 2, where

dM1 и dM2 - перемещения приводных ремней первого и второго контуров соответственно, вызванные вращением первого и второго шкивов, приводимых в движение моторами M1 и M2,dM1 and dM2 are the movements of the drive belts of the first and second circuits, respectively, caused by the rotation of the first and second pulleys, driven by motors M1 and M2,

dX и dY - приращения координат печатающей головки по осям X и Y соответственно.dX and dY are the increments of the coordinates of the print head along the X and Y axes, respectively.

Устройство содержит также 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. При этом 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 (т.е. в плоскости, проходящей через поперечные сечения упомянутых деталей, в т.ч. центры рабочих частей шкивов, при этом под рабочей частью понимают поверхность, с которой происходит зацепления ремня в процессе его перемещения).The device also contains two nodes of the support rollers serving as guides for the drive belts of the connected loops, while the nodes are fixed to the base from the sides of the longitudinal guides opposite from the driving pulleys, and the node of the support rollers is formed by two rollers located one above the other on the same vertical axis, while the upper rollers of the nodes are guides for the drive belt of one circuit, the lower ones of the other. Moreover, in the first circuit, formed by the P-shaped arrangement of the first belt, one end of the belt is fixed on one side wall of the carriage with the print head, passes through one of the rollers of the first movable connecting unit (the unit connecting the transverse guide to the first longitudinal guide), then through the pulley located on the side of the first longitudinal guide, support (fixed) rollers, then the second roller of the second movable connecting node (node connecting the second longitudinal guide with a transverse direction ), and ends by attaching the second end of the drive belt to the opposite side wall of the carriage with the print head, and the second circuit is formed similarly to the first with a symmetrical arrangement of its elements, with the lower support roller of one pair (one assembly), the upper support roller of the second pair (second assembly ), the rollers of the movable connecting nodes, the driving pulleys and the transverse guides are located in the same plane (i.e., in the plane passing through the cross sections of the parts mentioned, incl. the centers of the working parts of the pulleys, while the working part means the surface from which the belt engages during its movement).

Основание может быть выполнено из двух пластин или уголков (или любых других элементов), 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.The base can be made of two plates or corners (or any other elements) located in parallel and interconnected by a transverse element to form a U-shaped structure, while longitudinal guides are mounted on plates of a U-shaped structure located in parallel, pulleys and connected to electric motors are fixed on the base with near the open part of the U-shaped structure, and nodes from the supporting (fixed) rollers are fixed on the transverse element of the U-shaped structure.

Поставленная задача решается тем, что 3D-принтер для послойного изготовления объемных деталей включает расположенные в корпусе печатающую головку, закрепленную на каретке и снабженную модулем ее перемещения в плоскости XY, характеризующимся перечисленной выше совокупностью признаков; рабочий стол, выполненный с возможностью подогрева рабочей поверхности, закрепленный на основании и снабженный модулем перемещения по оси Z; контроллер, выполненный с возможностью управления процессом послойного изготовления (выращивания) объемных деталей; катушку (картридж) с расходным материалом, выполненную с возможностью подачи расходного материала в печатающую головку.The problem is solved in that the 3D printer for the layered production of volumetric parts includes a print head located in the housing, mounted on a carriage and equipped with a module for moving it in the XY plane, characterized by the above set of features; a desktop, made with the possibility of heating the working surface, mounted on the base and equipped with a module for moving along the Z axis; a controller configured to control the process of layer-by-layer manufacturing (growing) of volumetric parts; a coil (cartridge) with a consumable material, configured to supply consumables to the print head.

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.The print head includes a drive mechanism (electric motor) located on the carriage, connected to a coil (cartridge), for supplying consumables for manufacturing a volumetric part by a signal from the controller; a driving roller located on the shaft of the drive mechanism (electric motor), and a driven roller located parallel with it, while the driving and driven rollers are interconnected via gears (gears), and the driven roller is equipped with a spring to provide the necessary pressing force to the driving roller; a heater, which is a plate made of a material with high thermal conductivity, for example, aluminum, through which passes a channel for the melt of the consumable material connected to the nozzle; a temperature sensor located on the heater, while the nozzle with the heater is mounted on the carriage through a thermal insulator, which is a tube made of a material with low thermal conductivity; a fan to ensure optimal temperature conditions in the manufacture of the part, mounted on the carriage from the nozzle side; a patch plate mounted on the carriage with connectors for connecting the drive mechanism, heater, temperature sensor, zero coordinate sensor along the X axis, and a fan.

Модуль перемещения рабочего стола по оси Z включает две вертикальные направляющие, выполненные с возможностью перемещения по ним стола и расположенные со стороны задней стенки принтера; ходовой винт, расположенный параллельно вертикальным направляющим, соединенный с отдельным приводом (электродвигателем), обеспечивающим вращение винта; гайку, расположенную на ходовом винте, между рабочим столом и основанием рабочего стола, и соединенную с основанием рабочего стола через узел определения нулевой координаты по оси Z,The module for moving the desktop along the Z axis includes two vertical guides made to move the table along them and located on the back of the printer; a lead screw located parallel to the vertical rails, connected to a separate drive (electric motor), providing rotation of the screw; a nut located on the lead screw between the desktop and the base of the desktop, and connected to the base of the desktop through the node for determining the zero coordinate along the Z axis,

Узел определения нулевой координаты по оси Z включает, по крайней мере, две направляющие для гайки, расположенные параллельно ходовому винту, обеспечивающие подвижность гайки в осевом направлении относительно основания стола; датчик определения нулевой координаты по оси Z, выполненный из двух контактных плат, расположенных между гайкой и основанием стола, где одна из плат соединена неподвижно с гайкой, а вторая - с основанием стола, с возможностью образования замкнутой или разомкнутой электрической цепи при перемещении гайки; и по крайней мере две пружины, расположенные на направляющих для гайки с возможностью прижатия гайки к основанию стола.The node for determining the zero coordinate along the Z axis includes at least two guides for the nut located parallel to the lead screw, ensuring the mobility of the nut in the axial direction relative to the base of the table; a sensor for determining the zero coordinate along the Z axis, made of two contact boards located between the nut and the base of the table, where one of the boards is connected fixedly to the nut, and the second to the base of the table, with the possibility of forming a closed or open electrical circuit when moving the nut; and at least two springs located on the nut rails to press the nut against the base of the table.

Контроллер 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.The controller is configured to control the movements of the desktop and the print head, the feed rate of the consumable, the heating temperature of the working surface of the desktop and the melting temperature of the consumable, and is connected to an indicator to display current information of the manufacturing process of the bulk part, while the controller is configured to operate autonomously or work under the control of a computer with software that generates data for building a three-dimensional product using its CAD model.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

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.7-10 представлено устройство перемещения печатающей головки, вид сверху, на которых представлена кинематическая схема перемещения печатающей головки в зависимости от направления вращения шкивов, на фиг.11 представлено изображение первого P-образного контура, на фиг.12 - изображение второго контура, расположенного зеркально симметрично относительно первого, на фиг.13-14 представлено изображение печатающей головки, продольный и поперечный разрезы, соответственно, на фиг.15 представлено изображение модуля перемещения рабочего стола, общий вид, поперечный разрез, продольный разрез, соответственно, на фиг.16 представлен алгоритм формирования задания для печати на принтере.The invention is illustrated by drawings, where Figures 1 and 2 show a general view of a 3D printer (in a case without a top cover); figure 3-4 presents a General view of the device for moving the print head (figure 3 is a front view, figure 4 is a rear view); Figures 5-6 show a device for moving a print head, rear and side views, respectively; Figs. 11 is an image of a first P-shaped contour; FIG. 12 is an image of a second contour located mirror symmetrically with respect to the first; FIGS. 13-14 are an image of a print head, longitudinal and transverse th sections, respectively, at 15 is a moving image module desktop perspective view, cross-sectional, longitudinal sectional view, respectively, Figure 16 is a flowchart for formation of a print job on the printer.

Позициями на фигурах обозначены:The positions in the figures indicated:

1 - корпус 3D принтера,1 - 3D printer housing,

2 - печатающая головка (экструдер),2 - printhead (extruder),

3 - каретка, на которой закреплена печатающая головка,3 - carriage on which the print head is mounted,

4 - модуль перемещения печатающей головки,4 - module moving the print head,

5 - рабочий стол,5 - desktop

6 - модуль перемещения рабочего стола,6 - module moving the desktop,

7 - контроллер,7 - controller

8 - катушка с расходным материалом (картридж),8 - coil with consumables (cartridge),

9 - основание модуля перемещения печатающей головки,9 - the base of the module for moving the print head,

10 - первая продольная направляющая, расположенная по оси Y,10 - the first longitudinal guide located along the axis Y,

11 - вторая продольная направляющая, расположенная по оси Y,11 is a second longitudinal guide located along the Y axis,

12 - первая поперечная направляющая, расположенная по оси X,12 - the first transverse guide located along the axis X,

13 - вторая поперечная направляющая, расположенная по оси X,13 - the second transverse guide located along the axis X,

14 - ведущий шкив первого контура,14 - the leading pulley of the primary circuit,

15 - ведущий шкив второго контура,15 - the leading pulley of the second circuit,

16 - первая пара из опорных (неподвижных) роликов (первая пара опорных роликов),16 - the first pair of support (fixed) rollers (the first pair of support rollers),

17 - вторая пара из опорных (неподвижных) роликов (вторая пара опорных роликов),17 - a second pair of support (fixed) rollers (second pair of support rollers),

18 - привод (электродвигатель) для ведущего шкива первого контура,18 - drive (electric motor) for the driving pulley of the primary circuit,

19 - привод (электродвигатель) для ведущего шкива второго контура,19 - drive (electric motor) for the drive pulley of the second circuit,

20 - подшипник скольжения каретки,20 - bearing slide carriage

21 - подшипник скольжения каретки,21 - bearing slide carriage

22 - первый подвижный соединительный узел,22 - the first movable connecting node,

23 - второй подвижный соединительный узел,23 - the second movable connecting node

24 - подвижный ролик направляющей 10 (первого подвижного соединительного узла) для приводного ремня первого контура,24 - movable roller guide 10 (first movable connecting node) for the drive belt of the primary circuit,

25 - подвижный ролик направляющей 10 (первого подвижного соединительного узла) для приводного ремня второго контура,25 - a movable roller guide 10 (first movable connecting node) for the drive belt of the second circuit,

26 - подвижный ролик направляющей 11 (второго подвижного соединительного узла) для приводного ремня первого контура,26 - movable roller guide 11 (second movable connecting node) for the drive belt of the primary circuit,

27 - подвижный ролик направляющей 11 (второго соединительного узла) для приводного ремня второго контура,27 - a movable roller guide 11 (second connecting node) for the drive belt of the second circuit,

28 - первый приводной ремень, образующий первый контур,28 - the first drive belt forming the first circuit,

29 - второй приводной ремень, образующий второй контур,29 - a second drive belt forming a second circuit,

30 - приводной механизм печатающей головки (электродвигатель),30 - the drive mechanism of the print head (electric motor),

31 - ведущий ролик печатающей головки,31 - drive roller print head,

32 - ведомый ролик печатающей головки,32 - driven roller print head,

33 - шестеренка (зубчатое колесо) ведущего ролика 3,33 - gear (gear) of the drive roller 3,

34 - шестеренка (зубчатое колесо) ведомого ролика 32,34 - gear (gear) driven roller 32,

35 - пружина,35 - spring

36 - нагреватель,36 - heater

37 - канал для расплава пластика,37 - channel for molten plastic,

38 - сопло,38 - nozzle

39 - датчик температуры,39 - temperature sensor,

40 - термоизолятор,40 - thermal insulator,

41 - коммутационная плата,41 - patch board

42 - датчик нулевой координаты по оси X,42 - zero coordinate sensor on the X axis,

43 - вентилятор,43 - fan

44 - канавки на роликах,44 - roller grooves,

45 - привод (электродвигатель) модуля перемещения рабочего стола,45 - drive (electric motor) of the module for moving the desktop,

46 - вертикальные направляющие для перемещения рабочего стола,46 - vertical guides for moving the desktop,

47 - ходовой винт,47 - lead screw

48 - гайка,48 - nut

49 - основание рабочего стола,49 - the base of the desktop,

50 - направляющие для перемещения гайки 49,50 - guides for moving the nut 49,

51 - контактные платы датчика нулевой координаты по оси Z, который входит в узел определения нулевой координаты по оси Z,51 - contact boards of the sensor of zero coordinate along the Z axis, which is included in the node for determining the zero coordinate along the Z axis,

52 - пружины узла определения нулевой координаты по оси Z,52 - spring node determination of zero coordinate along the Z axis,

53 - опоры для пружин 52.53 - supports for springs 52.

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

На фиг.1 и 2 представлен общий вид 3D принтера, предназначенного для построения (выращивания) материальных (физических) 3D-объектов и реализующего технологию FDM, на фиг.3-15 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.Figure 1 and 2 presents a General view of a 3D printer designed to build (grow) material (physical) 3D-objects and implements FDM technology, figure 3-15 presents the individual structural elements of the printer. The printer consists of a printhead 2 located in the housing 1, mounted on a carriage 3 with a module for its movement (carriage) 4 in the XY plane (horizontal plane); the desktop 5, made with the possibility of heating the working surface, and equipped with a displacement module 6 along the Z axis (perpendicular to the XY plane); controller 7; reels with consumables 8; power supply (not shown in the drawing). In this case, the coil with consumables can be located outside the housing 1, and the carriage 3 of the extruder can be two side walls (for example, in the form of two parallel plates located vertically) connected by transverse (vertically or horizontally located) elements (for example, a carrier plate ) for placement and / or fixing of structural elements of the print head.

Модуль перемещения 4 каретки 3 печатающей головки 2 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.The moving module 4 of the carriage 3 of the print head 2 is made in the form of two longitudinal guides 10 and 11 and one or two transverse guides, for example 12, placed on the base 9 (which can be made of interconnected plates or corners with the formation of a U-shaped structure) and 13 located in the XY plane (two of which 10 and 11 are located on the Y axis, are rigidly fixed to the base 9, and the guides 12 and 13 are located on the X axis between the guides 10 and 11 and are made to move along them), at least least two Vedas pulleys 14 and 15, two pairs of support (fixed) rollers 16, 17, the axes of which are fixed on the base 9 (where the pair of rollers is formed by two rollers located one above the other on the same vertical axis), two movable connecting nodes 22 and 23, realizing the movement of the transverse rails 12 and 13 along the longitudinal rails 10 and 11, and the electric motors 18 and 19. Moreover, each of the movable connecting nodes 22 and 23 is fixed motionless on the transverse rails with the possibility of movement along the longitudinal rails. The carriage 3 of the print head 2 is mounted movably on the transverse guides 12 and 13 (with the possibility of moving along these guides). The movable placement of the carriage 3 of the extruder 2 on the rails 12 and 13 can be implemented by any means known from the prior art, for example, using two plain bearings or two linear bushings 20 and 21, one of which is located on the same axis with the rail 12, the second with guide 13, respectively, the carriage is equipped with a pair of through holes (from the side of the side walls of the carriage 3) to accommodate the bearings. The movable connection of the rails 12 and 13 with the rails 10 and 11 can also be realized by any means known from the prior art, for example, by linear bearings. The bearing (linear sleeve), located on the same axis with the guide 10, provides a movable connection of the guides 12 and 13 with the guide 10. Accordingly, the bearing placed on the guide 11 provides a movable connection of the guides 12 and 13 with the guide 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.The placement of the movable rollers 24-27 (in the movable unit), the attachment points of the drive belts 28 and 29 to the side walls of the carriage 3 of the printhead 2, the drive pulleys 14 and 15, providing the location of the power working part of the belts in one (horizontal) plane eliminates bending moments on guides and bearings of the movable unit and the print head.

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 (фиг.11) 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 (фиг.12) образован аналогично первому, 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.Moving (positioning) of the print head 2 in the XY plane is carried out using two drive belts 28 and 29, forming a dual-circuit drive system, by means of drive pulleys 14 and 15, driven clockwise or counterclockwise by a drive mechanism, for example, electric motors 18 and 19. In this case, the two circuits are interconnected by means of their fastening to the extruder. The first P-shaped circuit (Fig. 11) is formed by the first drive belt 28, one end of which is fixed on one side (on the first side surface) of the carriage 3 of the print head 2, passes through the roller 24 of the first movable connecting unit 22, then through the drive pulley 14 located on the side of the longitudinal guide 10, then through the upper support rollers of the nodes 16, and 17, then through the roller 26 of the second movable connecting node 23, and ends with the fastening of the second end (first drive belt) from the opposite side (on the second sides of the second surface) of the carriage 3 of the print head 2. The second contour (Fig. 12) is formed similarly to the first, and is located mirror symmetrically about an axis located parallel to the longitudinal guides at an equidistant distance between them. In the second circuit, the first end of the drive belt is fixed on the second side surface of the carriage 3 of the print head 2, the belt passes through the roller 27 of the second movable connecting unit 23, then through the drive pulley 15 located on the side of the longitudinal guide 11, then through the lower support roller of the node 17, then through the lower support roller of the node 16, the roller 25 of the first movable connecting node 22, and ends with the fastening of the second end of the second drive belt on the first side wall of the carriage 3 of the extruder 2. Thus, each of of the two side walls of the carriage, the ends of the belts of the first and second loops are fastened (the beginning of one belt and the end of the second belt). The attachment points of the belts to the side walls of the carriage 3 of the extruder are located in the same plane between the transverse guides 12 and 13. The best embodiment of the invention is achieved by placing the attachment points of the belts of the first and second loops on the side wall in the center between the guides 12 and 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. Кинематическая схема перемещения каретки представлена на фиг.7-10. 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:The movement of the first drive belt 28 (first circuit) is provided by the electric motor 18 through the pulley 14, (by converting the rotational movement of the pulley 14 into the translational movement of the drive belt 28), the movement of the second drive belt 29 (second circuit) is provided by the electric motor 19 through the pulley 15. Kinematic diagram carriage movements are shown in FIGS. 7-10. In particular, the claimed design of the device for moving the print head provides the following directions of movement: unidirectional rotation of the pulleys 14 and 15 provides movement of the carriage 3 with the print head 2 along the X axis (i.e., reciprocating movement along the X axis depending on the direction of movement of the pulleys - clockwise or counterclockwise); rotation of the pulleys 14 and 15 in opposite directions ensures the movement of the carriage 3 with the print head 2 along the Y axis, the rotation of one of the pulleys ensures the movement of the carriage 2 with the print head 3 in the diagonal direction. Moving the print head in the XY plane, is carried out according to an algorithm determined from the relations:

dX=(dM1-dM2)/2,dX = (dM1-dM2) / 2,

dY=(dM1+dM2)/2, гдеdY = (dM1 + dM2) / 2, where

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 M2 (18 и 19), dX и dY - приращения координат экструдера по осям X и Y соответственно.dM1 and dM2 are the movements of the drive belts of the first and second circuits, respectively, caused by the rotation of the first 14 and second 15 drive pulleys driven by electric motors M1 and M2 (18 and 19), dX and dY are the increments of the coordinates of the extruder along the X and Y axes, respectively.

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.The inventive dual-circuit movement of the print head provides mutual perpendicularity of the longitudinal and transverse guides located along the X axis and Y axis, respectively, which increases the accuracy of the positioning of the print head in the manufacture of a 3D object and, accordingly, the quality of the finished product corresponding to the design 3D model, and also reduces the wear of moving parts of the structure, which positively affects the service life of both a separate module for moving the print head, and the entire device ( 3D printer) in general.

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.On the basis of the module for moving the print head 9, the nozzle cleaner of the extruder 2 can also be fixed, sensors of zero coordinate along the X axis and axis Y for the print head, specifying the initial position of the print head in the XY plane, while the zero coordinate sensor on the X axis is fixed to the side wall carriages with a printhead, and a sensor of zero coordinate along the Y axis is fixed at the end of one of the longitudinal guides.

Печатающая головка 2 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.The print head 2 is designed for layer-by-layer growing of volumetric models from a plastic rod and includes a carriage 3, for example, of an H-shape in the form of two side plates connected by a supporting vertical plate, in the side plates of which a pair of through holes are made to accommodate two sliding bearings 20 and 21, with which the carriage 3 is moved along the guides 12 and 13 (X axis); a drive mechanism (electric motor or motor) 30 mounted on the carrier plate of the carriage 3, which is connected to a replaceable cartridge 8 supplying consumables for constructing a 3D object by a signal from the controller 7; a driving roller 31 located on the shaft of the motor 30, a driven roller 32 located on the carrier plate, while the driving 31 and driven 32 rollers are interconnected via gears 33 and 34 (gears), while the driven roller 32 is pressed against the driving 31 s using a spring 35, providing the necessary contact with the plastic rod during its supply to the melt zone. The extruder also includes a heater 36, which is a thick plate of material with high thermal conductivity (for example, aluminum), through which a channel 37 for melting a plastic rod passes through a nozzle 38. The heater 36 is equipped with a temperature sensor 39, and is mounted on the carrier plate of the carriage 3 through a thermal insulator 40, which is a tube made of a special material with low thermal conductivity (for example, stainless steel). In this case, the heater is made with a through hole having a threaded surface into which, on the one hand, the heat insulator 40 is inserted, and on the other, the nozzle 38. The channel 37 is formed by the internal cavity of the tube of the heat insulator 40. The print head also contains a patch plate 41 fixed to the carrier plate of the carriage 3 on which there are connectors for connecting the drive mechanism (electric motor) 30, heater 36, temperature sensor 39 and sensor 42 of the zero coordinate along the X axis (on the side wall of the carriage), as well as the fan 43 for ensuring the optimal temperature regime when creating a model mounted on the carriage from the nozzle 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 на 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.Gears 33 and 34 provide the supply of a plastic rod to the melt zone and eliminate the problems of tearing or shearing of the rod. Changes in the diameter of the plastic rod are compensated by the spring 35. Torque is transmitted to the drive gear 33 using an electric motor 30. Further, from the drive gear 33, the moment is transmitted to the driven gear 34. The plastic rod is grasped on both sides by semicircular grooves 44 with a notch located on the rollers 31 and 32, the rotation of which provides the movement of the bar. After the rod enters the melt zone (in channel 37), the rod is heated by means of a heater 36 to the required temperature depending on the material used and turns into a liquid mass in the nozzle 38. The tightness of the connection of the heat insulator 40 with the nozzle 38 is ensured by the surfaces of the mating parts (outer surface thermal insulator 40 and the inner surface of the nozzle in the connection zone) conical shape. Thus, a sealed collapsible joint is obtained, which, unlike the connection of cylindrical surfaces, where sealing is achieved by using o-rings and tubes, has no difficulties in the process of operation and replacement of parts.

Рабочий стол 5 закреплен на основании 49, и снабжен модулем его перемещения 6 по вертикали (оси Z), включающем отдельный привод (например, электродвигатель) 45, вертикальные направляющие 46, ходовой винт 47, гайку 48 и узел определения нулевой координаты по оси Z (обеспечивающий позиционирование рабочего стола, или самоопределения зазора между поверхностью рабочего стола и печатающей головкой). Перемещение стола по вертикали осуществляется по двум направляющим 46, расположенным со стороны задней стенки корпуса 1 3D-принтера, с помощью подшипников. Узел определения нулевой координаты по оси Z позволяет автоматически определять положение рабочего стола 5, соответствующее моменту касания поверхности стола соплом 38 печатающей головки 2. Печатающая головка 2 может передвигаться в горизонтальной плоскости параллельно поверхности рабочего стола 5 в пределах ее рабочей зоны. Параллельно направляющим 46 установлен ходовой винт 47, вращаемый электродвигателем 45. На ходовом винте 47 расположена гайка 48, которая 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 прижимается к основанию стола 49. Регулировку усилия сжатия пружин осуществляют посредством перемещения опор 53, закрепленных на направляющих 50 с возможностью перемещения по направляющим. Вращение гайки 48 относительно основания 49 рабочего стола блокируется направляющими 50. Между гайкой 48 и основанием 49 рабочего стола 5 находится датчик нулевой координаты по оси Z, который состоит из двух контактных плат 51, одна из которых соединена неподвижно с гайкой, а вторая соединена неподвижно с основанием 49. Прижатые пружинами 52 платы 51 с помощью контактов образуют замкнутую цепь. 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. Момент замыкания плат 51 является нулевой координатой по оси Z. Т.к. в процессе работы принтера поверхность рабочего стола 5 и сопло 38 экструдера 2 разогреты до необходимой температуры печати, датчик нулевой координаты по оси Z позволяет «поймать» момент начала точки печати в рабочих условиях. 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.The working table 5 is fixed on the base 49, and is equipped with a module for its vertical movement 6 (Z axis), including a separate drive (for example, an electric motor) 45, vertical guides 46, a spindle 47, a nut 48 and a node for determining the zero coordinate along the Z axis ( providing desktop positioning, or self-determination of the gap between the surface of the desktop and the print head). The table is moved vertically along two guides 46 located on the rear side of the housing 1 of the 3D printer using bearings. The node for determining the zero coordinate along the Z axis allows you to automatically determine the position of the desktop 5 corresponding to the moment the surface of the table touches the nozzle 38 of the print head 2. The print head 2 can move in a horizontal plane parallel to the surface of the desktop 5 within its working area. Parallel to the guides 46, a lead screw 47 is installed, rotated by an electric motor 45. A nut 48 is located on the lead screw 47, which relative to the base of the working table 49 is vertically biased along two guides 50, which are rigidly attached to the base of the table 49, and using two springs 52 is pressed against the base of the table 49. Adjusting the compression force of the springs is carried out by moving the supports 53, mounted on the rails 50 with the possibility of movement along the rails. The rotation of the nut 48 relative to the base 49 of the working table is blocked by the guides 50. Between the nut 48 and the base 49 of the working table 5 there is a zero coordinate sensor along the Z axis, which consists of two contact boards 51, one of which is connected motionless with the nut, and the second is connected motionless with base 49. Pressed by the springs 52 of the circuit board 51 by means of contacts form a closed circuit. To determine the position of the nozzle 38 touching the surface of the desktop 5, the print head moves to the point closest to the lead screw 47 in the working area of the surface of the desktop 5. The work table 5 is brought closer to the nozzle 38 of the print head by rotating the lead screw 47 by means of an electric motor 45. When in contact the nozzle 38 of the print head 2 with the surface of the desktop 5, the desktop stops, and the travel nut 48 with the contact plate rises, compressing the springs 52, and opens the sensor circuit. The controller 7 monitors the moment of opening the contacts of the boards 51, after which the controller 7 changes the direction of rotation of the electric motor 45 and the nut 48 starts to move back down towards the closing of the contacts of the boards 51. The closing moment of the boards 51 is the zero coordinate along the Z axis. during the operation of the printer, the surface of the desktop 5 and the nozzle 38 of the extruder 2 are heated to the desired print temperature, the zero coordinate sensor along the Z axis allows you to "catch" the start point of the print point in operating conditions. This design of the node for determining the zero coordinate along the Z axis (positioning the desktop) allows you to unify the device for various types of consumables for printing and material for the manufacture of the surface of the table, which allows you to compensate for the thermal expansion of the materials of these parts during the operation of the 3D printer.

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.In the process of constructing a 3D object, the controller 7 directs the desktop 5 step by step along the Z axis and thus provides the possibility of constructing the following one after another layers of the 3D object. The controller 7 (control module) controls the movement of the desktop 5 and the print head 2, the feed rate of the consumable (plastic), the heating temperature of the desktop and the melting temperature of the consumable (plastic). The controller 7 is connected to an indicator that displays the current information of the printing process of the 3D model, including the heating temperature of the extruder nozzle and the working table, the coordinates of the position of the table (along the Z axis), the percentage of printing, etc. Service functions can also be accessed from the indicator - filling plastic, unloading plastic, changing nozzles, etc. In this case, the controller is configured to operate autonomously or work under the control of a computer with software that generates data for construction using a CAD model corresponding to a 3D object, and transmits data for construction to a 3D printer controller.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.Before printing on a 3D printer, the necessary parameters and conditions for printing are determined, in particular: print resolution, speed of movement of the print head, thickness of the outer shell of the product, percentage of filling of the product with plastic material (from 0 - in the manufacture of hollow products, up to 100%) , the need to build supporting structures in the presence of attachments on the model, the cooling temperature of the part by controlling the operation mode of the printhead fan, the need to add a “skirt” to the base 3D models for better adhesion of the initial layers of the product under construction to the surface of the desktop at the beginning of the printing process and to prevent the product from shifting during printing, the need to print the substrate (for the case when the product consists of many separate elements to reduce the risk of error), parameters characterizing consumables (plastic) (see Table 1), etc. For each plastic, select the temperature of the heater to melt the plastic in the print head, the heating temperature of the desktop surface when printing the first layer of the 3D model and the remaining layers. The supporting structure can be constructed from the printing material of the object itself using a single printhead, while the supporting structure is designed and placed with a gap relative to the model under construction to ensure its easy removal from the surface of the finished product. The supporting structure may be made of another material using a second nozzle.

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.Before printing on a personal computer using graphical software (for example, Compass 3D, AutoCad, SolidWorks, Blender, 3ds Max, Google SketchUp) they form a 3D model that must match the printer settings. After that, the generated model is loaded into the appropriate software (software) (for example, Slic3r, KISSlicer), which provides for dividing the model into layers (in accordance with the printer settings) and preparing the print job. At the end of the preparation of the job, check the printer’s readiness for printing and transfer the print job to the printer using the available interfaces.

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.).Preparation of tasks for printing is as follows. After completing all the manipulations with the model to start printing, the model is transferred to a clear task for the printer. The task, presented in the form of a computer command language, for example, g-code, is formed in the process of cutting the model into many layers. The number of layers is determined by the required resolution and is limited by the resolution capabilities of a particular printer model. In the process of preparing the assignment, the necessary characteristics of the strength of the model, print resolution, print speed and the need to build supporting structures for attachments are determined. (Supporting structures - elements that are automatically formed in the process of cutting the model into layers, if necessary. They create reference planes for the elements of the part. Supporting structures can be made from the same material as the prototype being built, or can be made from other materials that are possible dissolve with water and other specialized fluids, depending on the modification of the printer.) For each layer, the print head's movement vectors are constructed - the outline and internal structure depending depending on the selected parameters (wall thickness, percent filling, etc.).

Общий алгоритм преобразования STL модели в задание для принтера выглядит следующим образом (фиг.16). 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.The general algorithm for converting the STL model into a job for the printer is as follows (Fig. 16). The input model begins to cut into layers equal to the print resolution of a particular printer. After clipping the next layer, the outer contour first emerges, then it is filled based on the percentage of completion. After passing through the entire height of the model, the support structures are built and then the task is exported to the finished file.

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.Preparing the device. After preparing the print job, connect to the printer. Check the operability of all mechanical components of the printer, the presence of installed consumables. After that, the prepared task is loaded into the printer controller via the network interface or portable media.

По окончанию 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, и далее запускается сам процесс печати модели на рабочем столе.At the end of all preparations, printing is started. After starting printing, the nozzle and the surface of the desktop are heated to the set temperatures, the print head and table search for zero coordinates along the XYZ axes, and then the process of printing the model on the desktop starts.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

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 XP, Windows Vista, Windows 7.The inventive device can be made in several versions - for printing products requiring high resolution (from 50 microns to 500 microns), as well as large objects, where the resolution can be determined in the mm range. Because the resolution of the printer is related to the print speed (the higher the resolution, the lower the print speed), the user himself selects the speed of movement of the head, which in one embodiment of the invention varies from 15 mm / s to 200 mm / s. For this embodiment, the manufactured 3D printer had the following technical characteristics: dimensions 365 × 386 × 452 mm; the size of the construction area (the maximum size of the resulting model), length - 200 mm, width - 200 mm, height - 210 mm, print resolution along the X, Y, Z axes, layer thickness - 0.05 mm; 0.1 mm; 0.2 mm; 0.25 mm; supported materials - ABS (industrial thermoplastic), PLA (biocompatible thermoplastic), software - Polygon, which provides the ability to flexibly control standard parameters that are responsible for the appearance, accuracy of parts, strength and the amount of time spent on the efficiency of the product construction process. Thanks to the Polygon software, the STL file is automatically determined in the construction chamber, which is divided into layers, the necessary support structure is calculated from this, the printhead moves the file according to the geometry of the model, and then it is sent for printing. Supported file formats - STL; connection interface - USB; compatible OS - Windows XP, Windows Vista, Windows 7.

Преимущества заявляемого изобретения.The advantages of the claimed invention.

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.The inventive device for moving the print head in comparison with similar systems can improve a number of important parameters that affect the accuracy of movement and smoothness of the print head.

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.Namely, the location of the rollers 24-27 in the same plane with the transverse guides 12 and 13 eliminates the distortion forces, which reduces the load on the linear bearings of the nodes of the movement of the transverse guides along the longitudinal guides and reduces their wear; two connected loops of belts guarantee the perpendicularity of the transverse guides 12 and 13 relative to the longitudinal guides 10 and 11, which simplifies and reduces the mass of the movable connection of the transverse guides 12 and 13 on the longitudinal guides 10 and 11; the design of the device for moving the print head provides a comprehensive ability to move the carriage 3 with the print head 2 - both on the X and Y axis, and in the diagonal direction; fixing the motors 18 and 19 on the printer housing 1 or on the base 9 reduces the mass of moving parts, which reduces the inertial moment; an open opening in the housing 1 between the motors 18 and 19 facilitates access to the carriage 3 with the printhead 2 and the desktop 5.

Claims

1. A device for moving the print head of a 3D printer in the XY plane, characterized in that it includes two longitudinal and at least one transverse guides for moving the print head in the XY plane, where the longitudinal guides are located on the Y axis and are rigidly fixed to the base and the transverse guide is located on the X axis between two longitudinal guides with the possibility of movement along them; a carriage on which a print head is mounted, configured to move along a transverse guide; two drive belts, the ends of which are fixed on the carriage with the formation of two interconnected circuits designed to move the carriage with the print head in the XY plane by means of two drive pulleys connected to their drives with the possibility of independent rotation of the pulleys in one or opposite directions, one of which transfers traction to the first drive belt, and the second to the second drive belt, with one of the loops formed by the P-shaped arrangement of the first belt, and the second loop formed w the second belt symmetrically relative to the location of the first belt with the axis of symmetry parallel to the longitudinal guides and at an equal distance from them, while the working parts of the belts of the two circuits extending along the transverse guide are located in the same XY plane.

2. The device according to claim 1, characterized in that the unidirectional rotation of the pulleys provides movement of the carriage with the print head along the X axis, oppositely directed along the Y axis, rotation of one of the pulleys ensures the movement of the carriage with the print head in the diagonal direction.

3. The device according to claim 1, characterized in that to move the transverse guide along the longitudinal guides, the ends of the transverse guide are fixed to the longitudinal guides through the movable connecting nodes, each of the movable connecting nodes equipped with a pair of rollers located along the Y axis in the plane of the working parts of belts through which the belts of the first and second circuits pass.

4. The device according to claim 1, characterized in that it contains sensors of zero coordinate on the X axis and Y axis, specifying the initial position of the print head in the XY plane, while the zero coordinate sensor on the X axis is mounted on the carriage with the print head, and the sensor the zero coordinate along the Y axis is fixed at the end of one of the longitudinal guides on the side of the pulley.

5. The device according to claim 1, characterized in that the movement of the print head in the XY plane is carried out according to an algorithm determined from the relations:
dX = (dM1-dM2) / 2,
dY = (dM1 + dM2) / 2, where
dM1 and dM2 are the movements of the drive belts of the first and second circuits, respectively, caused by the rotation of the first and second pulleys driven by motors M1 and M2,
dX and dY are the increments of the coordinates of the print head along the X and Y axes, respectively.

6. The device according to claim 3, characterized in that it contains two nodes of the support rollers serving as guides for the drive belts of the connected loops, while the nodes are fixed to the base from the sides opposite the leading pulleys of the longitudinal guides, and the node is made of the support rollers it is formed by two rollers located one above the other on the same vertical axis, while the upper rollers of the nodes are guides for the drive belt of one circuit, the lower ones of the other.

7. The device according to claim 6, characterized in that in the first circuit formed by the P-shaped arrangement of the first belt, one end of the belt is mounted on one side wall of the carriage with a printhead, passes through one of the rollers of the first movable connecting unit (transverse connection unit guide with the first longitudinal guide), then through the pulley located on the side of the first longitudinal guide, support (fixed) rollers, then the second roller of the second movable connecting unit (connection unit of the second longitudinal lnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnlnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn)) ending directing guide from themon directing the transverse directing on the opposite side of the drive belt to the opposite side wall of the carriage with the printhead to be completed. pairs (of the second unit), rollers of the movable connecting units, driving pulleys and transverse guides are located in the same plane.

8. The device according to claim 6, characterized in that the base is made of two plates or corners located in parallel and interconnected by a transverse element to form a U-shaped structure, while the longitudinal guides are fixed to the plates of the U-shaped structure located in parallel, pulleys and electric motors connected to them are fixed on the base near the open part of the U-shaped structure, and nodes from the supporting (fixed) rollers are fixed on the transverse element of the U-shaped structure.

9. A 3D printer for layer-by-layer manufacturing of volumetric parts, including a print head located in the housing, mounted on a carriage and equipped with a module for its movement in the XY plane, made according to claim 1; a desktop mounted on the base and equipped with a movement module along the Z axis; a controller configured to control the process of layer-by-layer manufacturing (growing) of volumetric parts; a coil (cartridge) with a consumable material, configured to supply consumables to the print head.

10. The device according to claim 9, characterized in that the print head includes a drive mechanism (electric motor) located on the carriage, connected to a coil (cartridge) for supplying consumables for manufacturing a volumetric part by a signal from the controller; a driving roller located on the shaft of the drive mechanism (electric motor), and a driven roller located parallel with it, while the driving and driven rollers are interconnected via gears (gears), and the driven roller is equipped with a spring to provide the necessary pressing force to the driving roller; a heater, which is a plate made of a material with high thermal conductivity, for example aluminum, through which a channel for the melt of the consumable material is connected, connected to the nozzle; a temperature sensor located on the heater, while the nozzle with the heater is mounted on the carriage through a thermal insulator, which is a tube made of a material with low thermal conductivity; a fan to ensure optimal temperature conditions in the manufacture of the part, mounted on the carriage from the nozzle side; a patch board mounted on the carriage with connectors for connecting the drive mechanism, heater, temperature sensor, zero coordinate sensor on the X axis and fan.

11. The device according to claim 9, characterized in that the module for moving the desktop along the Z axis includes two vertical guides made to move the table along them and located on the back of the printer; a lead screw located parallel to the vertical rails, connected to a separate drive (electric motor), providing rotation of the screw; a nut located on the lead screw between the desktop and the base of the desktop, and connected to the base of the desktop through the node for determining the zero coordinate along the Z axis,

12. The device according to claim 11, characterized in that the node for determining the zero coordinate on the Z axis includes at least two guides for the nut located parallel to the lead screw, providing the nut mobility in the axial direction relative to the base of the table; a sensor for determining the zero coordinate along the Z axis, made of two contact boards located between the nut and the base of the table, where one of the boards is connected fixedly to the nut, and the second to the base of the table, with the possibility of forming a closed or open electrical circuit when moving the nut; and at least two springs located on the nut rails to press the nut against the base of the table.

13. The device according to claim 9, characterized in that the desktop is made with the possibility of heating the work surface.

14. The device according to claim 9, characterized in that the controller is configured to control the movements of the desktop and the print head, the feed rate of the supplies, the heating temperature of the working surface of the desktop and the melting temperature of the supplies, and is connected to an indicator to display the current process information manufacturing a volumetric part, while the controller is configured to operate autonomously or work under the control of a computer with software generating data for building a bulk product according to its CAD model.