RU2846799C1 - Строительный 3d-принтер - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам для транспортировки и укладки смесей путем послойного нанесения материала на формуемые поверхности при строительстве жилых домов, зданий и сооружений различного назначения, в частности к строительным 3D-принтерам для послойного изготовления трехмерных объектов посредством 3D-печати. Задачей заявляемого изобретения является снижение погрешности позиционирования узла печати в процессе работы относительно заданной траектории движения. Техническим результатом является обеспечение постоянного контроля местоположения узла печати в процессе работы и внесение поправок в заданную траекторию движения через связь датчиков погрешности положения узла печати в пространстве с блоком управления. Технический результат достигается тем, что строительный 3D-принтер содержит не менее трех опор, расположенных не на одной линии, узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов, лебедки по количеству опор с приводом для управления длинами тросов, устройство подготовки и подачи строительного раствора, сопло с механизмом его поворота, датчики местоположения узла печати, связанные с блоком управления приводами, при этом датчики выполнены как датчики погрешности положения узла печати в виде установленных на вершине каждой опоры лазерных отвесов и горизонтально расположенных в основании опор двухкоординатных фотоприемников, а узел печати снабжен механизмами подстройки длин тросов, причем привод каждого механизма подстройки связан с блоком управления. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам для транспортировки и укладки смесей путем послойного нанесения материала на формуемые поверхности при строительстве жилых домов, зданий и сооружений различного назначения, в частности к строительным 3D-принтерам для послойного изготовления трехмерных объектов посредством 3D-печати.

Известно устройство для послойного изготовления трехмерных конструкций (пат. РФ №2690436, В29С 64/106, В29С 64/209, В28В 1/00, Е04В 1/16, B33Y 10/00, опубл. 03.06.2019 Бюл. №16), содержащее: по меньшей мере три первых опоры, находящихся не на одной линии и на которых установлены три первых устройства (M1, М2, М3) для натяжения кабеля; по меньшей мере одну вторую опору, расположенную выше трех первых опор с возможностью перемещения над областью между тремя первыми опорами; трубку для подвода материала и, закрепленную на ее нижнем конце головку для нанесения материала, подвешенную ко второму устройству для обеспечения натяжения кабеля предпочтительно, по существу, в вертикальном положении; три позиционирующих кабеля, каждый из которых присоединен одним концом к головке для нанесения материала и связан другим своим концом с одним из трех первых устройств (M1, М2, М3) для обеспечения натяжения. При этом три позиционирующих кабеля образуют посредством регулировки их длин (L1, L2, L3), перевернутую пирамиду с треугольным основанием, расположенным сверху, и с расположенной снизу вершиной, задающей в трехмерном пространстве точку нанесения, которая расположена на головке для нанесения материала. Данная точка нанесения имеет возможность перемещения по трем координатам трехмерного пространства XYZ между тремя первыми опорами.

Недостатком известного устройства является невысокая точность движения экструзионной головки для нанесения материала из-за изгибающих деформаций опор и неконтролируемого растяжения кабелей (тросов) под переменной нагрузкой. Кроме того, в процессе работы устройства накапливается ошибка координат местоположения узла печати.

Известен манипулятор с кабельным приводом для создания трехмерных (3D) конструкций (заявка US 2017/0095973 A1, В28В 1/00; В29С 67/00; B33Y 10/00; B33Y 30/00; B33Y 50/02, опубл. 06.04.2017), который включает в себя систему опор, приспособленных для перемещения одного или нескольких кабелей, и, по меньшей мере, один привод, способный перемещать кабели по рабочему пространству. Кабель, идущий от каждой опоры, соединен с расположенным в центре узлом печати (экструдером). Узел печати, подвешенный на кабелях, способен наносить экструдированный материал в рабочем пространстве, а сопло узла печати сконфигурировано для выборочного нанесения экструдированного материала в заранее определенных местах в зависимости от положения кабеля. Блок управления содержит логику управления приводами кабелей, расположенных на опорах или на узле печати для перемещения узла печати по всему рабочему пространству путем наматывания и разматывания кабелей. Насос, подающий экструдированный материал для нанесения в заданное место в соответствии с логикой управления, соединен с резервуаром для экструдата посредством гидравлической системы.

Недостатками указанного устройства являются невысокая точность движения экструдера (узла печати) и, соответственно, невысокая точность печатаемых изделий (неровность построенных стен). Указанные недостатки обусловлены невысокой жесткостью на изгиб элементов конструкции и растяжением кабелей (тросов) от большой массы экструдера и большой требуемой мощности оборудования. В связи с тем, что устройство работает в соответствие с заданной программой от исходной реперной точки, то в процессе работы устройства накапливается ошибка координат местоположения узла печати.

Известен строительный 3D-принтер (пат. РФ №2753324, Е04В 1/16, B33Y 30/00, опубл. 13.08.2021 Бюл. №23), выбранный в качестве прототипа, содержащий опоры, узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов, лебедки управления длинами тросов и устройство подготовки и подачи строительного раствора. Узел печати содержит печатающее устройство с не менее чем двумя фильерами, каждая из которых установлена на собственный механизм линейного перемещения. Причем печатающее устройство может быть установлено на механизм поворота и оснащено датчиками местоположения и ориентации в пространстве.

Датчики инерциальной навигационной системы, предложенные в известном устройстве, дают в абсолютном позиционировании большие погрешности в связи с их накоплением, что требует проведение периодической калибровки, и, как следствие, для ее проведения установку дополнительных датчиков, что усложняет устройство.

Задачей заявляемого изобретения является снижение погрешности позиционирования узла печати в процессе работы относительно заданной траектории движения.

Техническим результатом является постоянный контроль местоположения узла печати в процессе работы и внесение поправок в заданную траекторию движения через связь датчиков погрешности положения узла печати в пространстве с блоком управления.

Технический результат при решении поставленной задачи достигается тем, что строительный 3D-принтер содержит не менее трех опор, расположенных не на одной линии; узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов; лебедки по количеству опор с приводом для управления длинами несущих тросов; устройство подготовки и подачи строительного раствора; сопло с механизмом его поворота; датчики местоположения узла печати, связанные с блоком управления приводами и выполненные как датчики погрешности положения узла печати в виде установленных на вершине каждой опоры лазерных отвесов и горизонтально расположенных в основании опор двухкоординатых фотоприемников, а узел печати снабжен механизмами подстройки длин тросов, причем привод каждого механизма подстройки связан с блоком управления. На сопло узла печати 3D-принтера впереди по ходу экструзии может быть установлен бесконтактный датчик-дальномер с вертикальной осью измерения, а в его кинематическую схему включены динамометрические датчики определения усилий натяжения тросов. При этом, лебедки с приводом для управления длинами тросов расположены на узле печати или в основании опор. В последнем случае несущие тросы, соединяющие лебедки с узлом печати перекинуты через поворотные блоки на вершинах опор. Опоры 3D-принтера могут быть установлены с наклоном в сторону от рабочего пространства печати, а также выполнены телескопическими или сборными.

Изобретение поясняется графическим материалом. На фиг. 1 изображена общая схема строительного 3D-принтера с вертикальным расположением опор; на фиг. 2 - общая схема строительного 3D-принтера с опорами, установленными с наклоном; на фиг. 3 - вид расположения опор в плане; на фиг. 4 - схема узла печати, совмещенного с устройством подготовки и подачи строительного раствора и включающего лебедку с приводом для управления длинами тросов и механизмом подстройки длин тросов; на фиг. 5 - схема конструкции опоры в случае расположения лебедок с приводом для управления длинами несущих тросов в основании опор.

Строительный 3D-принтер содержит не менее трех опор 1, установленных вертикально (фиг. 1) или с наклоном в сторону от рабочего пространства печати (фиг. 2) и расположенных не на одной линии (фиг. 3), на которые с помощью тросов 2 подвешен узел печати 3; лебедки 4 (фиг. 4) по количеству опор 1 с приводом для управления длинами тросов 2; устройство 5 подготовки и подачи строительного раствора, на котором расположено сопло 6 с механизмом поворота 7. Точки расположения опор 1 образуют геометрическую фигуру (см. фиг. 3), внутри которой находится рабочее пространство печати. Тросы 2 соединяют лебедки 4, расположенные на узле печати 3, с вершинами опор 1. При расположении лебедок 4 в основании опор 1 (фиг. 5) тросы 2, соединяющие лебедки 4 с узлом печати 3, перекинуты через поворотные блоки 8 на вершинах опор 1. Датчики погрешности положения узла печати 3 в пространстве, связанные с блоком 9 управления (БУ) приводами, выполнены в виде установленных на вершине каждой опоры 1 лазерных отвесов 10 и горизонтально расположенных в основании опор двухкоординатных фотоприемников 11. Узел печати 3 снабжен механизмами 12 подстройки длин тросов 2, причем привод каждого механизма 12 подстройки связан с блоком 9 управления. На сопло узла печати впереди по ходу экструзии может быть установлен бесконтактный датчик-дальномер 13 (см. фиг. 4) с вертикальной осью измерения, а в кинематическую схему 3D-принтера могут быть включены динамометрические датчики определения усилий натяжения тросов (на фигурах не показаны). Опоры 1 3D-принтера могут быть выполнены телескопическими или сборными.

Строительный 3D-принтер работает следующим образом.

Узел печати 3, совмещенный с устройством 5 подготовки и подачи строительного раствора, подвешен на тросах 2, которые связывают лебедки 4 и вершины опор 1. Перемещение узла печати 3 по координатам XYZ осуществляется согласованной работой лебедок 4 по командам блока 9 управления. Координаты реперных точек траектории движения узла печати 3, представленных в декартовой системе координат в программе послойной печати печатаемого объекта (возводимого сооружения, здания, архитектурной формы и т.п.), хранящейся в памяти блока 9 управления, преобразуются вычислителем в длины тросов 2. Программа-интерполятор в процессе движения рассчитывает координаты промежуточных точек и, сравнивая их с текущим положением узла печати 3, формирует команды для приводов лебедок на соответствующие изменения длин тросов 2. Рабочее пространство печати печатаемого объекта должно находиться внутри геометрической фигуры, образуемой точками расположения вершин опор 1. Все перемещения узла печати 3 постоянно контролируются датчиками погрешности положения узла печати 3 в пространстве, выполненными в виде установленных на вершине каждой опоры лазерных отвесов 10 и горизонтально расположенных в основании опор двухкоординатных фотоприемников 11, а узел печати снабжен механизмами 12 подстройки длин тросов, причем привод каждого механизма 12 подстройки связан с блоком 9 управления. Длины намотки тросов 2 определяются, например, с помощью энкодеров (Э) по углу поворота барабанов лебедок 4, и их значения передаются через цифровой интерфейс в вычислитель. Расчет фактического положения узла печати 3 осуществляется с учетом отклонения вершин опор, регистрируемых датчиками погрешности положения узла печати 3 в пространстве. Грубые отклонения положения узла печати 3 в процессе работы относительно заданной траектории движения, представленной в программе послойной печати, корректируются через блок 9 управления действием лебедок 4 тросов 2. Динамические погрешности позиционирования, вызванные деформациями и колебаниями элементов несущей системы, исправляются блоком 9 управления по данным датчиков погрешности положения узла печати 3 в пространстве через приводы механизмов 12 точной подстройки длин тросов 2. В соответствии с заданной траекторией движения блок 9 управления ориентирует направление сопла 6 через механизм его поворота 7, причем на сопло впереди по ходу экструзии может быть установлен бесконтактный датчик-дальномер 13 с вертикальной осью измерения дл контроля расстояния до предыдущего слоя печати. В кинематическую схему 3D-принтера могут быть включены динамометрические датчики определения усилий натяжения тросов (на фигурах не показаны) для контроля векторов усилий, действующих на вершинах опор 1, и учета через блок 9 управления вызванных ими дополнительных деформаций. В случае расположения лебедок 4 в основании опор 1 тросы 2, соединяющие лебедки 4 с узлом печати 3, перекинуты через поворотные блоки 8 на вершинах опор 1. Для повышения жесткости конструкции, повышения точности измерения смещения вершин опор датчиками погрешности положения узла печати 3 и удобства установки этих датчиков целесообразно располагать опоры 1 с наклоном в сторону от рабочего пространства печати, например, на 1-10 градусов (в зависимости от высоты и жесткости опоры). Для удобства монтажа опоры 1 3D-принтера могут быть выполнены телескопическими или сборными.

Таким образом, использование в 3D-принтере датчиков погрешности положения узла печати в пространстве позволяет осуществлять постоянный контроль местоположения узла печати в процессе работы и вносить через связь с блоком управления соответствующие поправки в заданную траекторию движения.

Благодаря полученному техническому результату достигается снижение погрешности позиционирования узла печати в процессе работы относительно заданной траектории движения.

Claims (6)

1. Строительный 3D-принтер, содержащий не менее трех опор, расположенных не на одной линии, узел печати, подвешенный на опорах с помощью тросов, лебедки по количеству опор с приводом для управления длинами тросов, устройство подготовки и подачи строительного раствора, сопло с механизмом его поворота, датчики местоположения узла печати, связанные с блоком управления приводами, отличающийся тем, что датчики местоположения выполнены как датчики погрешности положения узла печати в виде установленных на вершине каждой опоры лазерных отвесов и горизонтально расположенных в основании опор двухкоординатных фотоприемников, а узел печати снабжен механизмами подстройки длин тросов, причем привод каждого механизма подстройки связан с блоком управления.

2. Строительный 3D-принтер по п. 1, отличающийся тем, что опоры установлены с наклоном в сторону от рабочего пространства печати.

3. Строительный 3D-принтер по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что на сопло узла печати впереди по ходу экструзии установлен бесконтактный датчик-дальномер с вертикальной осью измерения.

4. Строительный 3D-принтер по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в его кинематическую схему включены динамометрические датчики определения усилий натяжения тросов.

5. Строительный 3D-принтер по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что лебедки управления длинами тросов расположены на узле печати.

6. Строительный 3D-принтер по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что опоры выполнены телескопическими или сборными.