PL B1. ZORTRAX SPÓŁKA AKCYJNA, Olsztyn, PL BUP 11/17. RAFAŁ TOMASIAK, Gołdap, PL WUP 10/17

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. B29C 67/00 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Mechanizm do kalibrowania układu roboczego drukarki 3D (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/17 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/17 (73) Uprawniony z patentu: ZORTRAX SPÓŁKA AKCYJNA, Olsztyn, PL (72) Twórca(y) wynalazku: RAFAŁ TOMASIAK, Gołdap, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Izabella Raniszewska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest mechanizm do kalibrowania układu roboczego drukarki 3D przeznaczonej do drukowania elementów z tworzyw termoplastycznych. Mechanizm montowany jest w ekstruderze drukarki, która tworzy obiekty na zasadzie warstwowego osadzania topionego materiału. Znany jest ze zgłoszenia wynalazku P pt. Układ przygotowania podstawy wydruku drukarki 3D i sposób przygotowania podstawy wydruku drukarki 3D, który charakteryzuje się tym, że na platformie roboczej istnieją co najmniej 3 punkty bazowe połączone ze sobą przewodem elektrycznym, który połączony jest z dyszą drukującą. W momencie kontaktu dyszy z którymś z punktów na platformie następuje zamknięcie obwodu elektrycznego. Obecny w obwodzie układ kontrolujący drukarki otrzymuje informację o kontakcie dyszy z platformą. Współrzędne, przy których nastąpił kontakt dyszy z platformą są zapisywane w pamięci drukarki, przez co możliwe jest późniejsze porównanie wysokości poszczególnych punktów platformy, przy których nastąpił styk dyszy z platformą. Ograniczeniem tego rozwiązania jest konieczność posiadania na powierzchni platformy roboczej obszarów przewodzących prąd oraz potrzeba utrzymania dyszy drukującej w czystości, ponieważ tworzywo, którym jest ona często zabrudzona stanowi izolator tamujący przepływ prądu. Znane są również rozwiązania, gdzie zastosowano czujnik krańcowy do detekcji kontaktu dyszy z platformą roboczą. W ekstruderze firmy PiBot Extruder zastosowano optyczny czujnik krańcowy mocowany na korpusie ekstrudera obok głowicy. Czujnik znajduje się powyżej ujścia dyszy zatem konieczne jest jego wcześniejsze skalibrowanie, to jest zaprogramowanie odległości, na której czujnik ma zadziałać. Dodatkowo fakt, że czujnik znajduje się obok głowicy zwiększa ryzyko, że pomimo dobrego ustawienia czujnika, dojdzie do kolizji dyszy z platformą, na przykład gdy w platformie roboczej będzie występowało lokalne wybrzuszenie lub zanieczyszczenie. Z drukarki Up! Plus 2 znane jest rozwiązanie sprawdzania poszczególnych punktów platformy roboczej przez założenie poniżej dyszy drukującej elementu z mechanicznym czujnikiem krańcowym. Poprzez dojazd głowicy drukarki do skrajnych punktów platformy roboczej i zetknięcie czujnika z platformą możliwe jest obliczenie przez układ sterujący drukarki wysokości poszczególn ych punktów platformy, co ma na celu kalibrację układu roboczego. Wadą tego rozwiązania jest mała prec y- zja kalibracji. Z opisu wynalazku US znana jest metoda kalibracji układu roboczego drukarki polegająca na wykonaniu za pomocą drukarki wcześniej zdefiniowanego modelu. Następnie za pomocą współrzędnościowej maszyny pomiarowej element jest mierzony. Otrzymane wymiary są porównywane z wymiarami zdefiniowanymi w oprogramowaniu celem wyznaczenia różnicy między wymiarem rzeczywistym, a wymiarem w projekcie. Otrzymane wartości są wprowadzane do oprogramowania maszyny i są uwzględniane przy drukowaniu na zasadzie wprowadzenia offsetu celem otrzymania modeli o wymiarach najbardziej zbliżonych do wymiarów z projektu. Według wynalazku mechanizm do kalibrowania układu roboczego drukarki 3D współpracujący z czujnikiem optycznym charakteryzuje się tym, że ma w obudowie ekstrudera, poniżej koła posuwu filamentu i powyżej głowicy z dyszą zamocowany korpus. W korpusie współosiowo do kanału fil a- mentu mocowana jest suwliwa prowadnica, do której od dołu, osiowo do prowadnicy przytwierdzone jest mocowanie głowicy z radiatorem, natomiast od góry na prowadnicy umieszczona jest sprężyna działająca na ściskanie oparta o korpus. Do mocowania głowicy przytwierdzony jest trzpień współpracujący z czujnikiem optycznym przytwierdzonym do korpusu, a czujnik optyczny połączony jest przewodem elektrycznym poprzez układ kontrolujący drukarki z pamięcią drukarki, wyświetlaczem i sterownikiem napędu platformy. Głowica drukarki połączona jest z układem kontrolującym poprzez sterownik napędu głowicy, natomiast pozycjonowanie platformy roboczej realizowane jest za pomocą pokręteł. Suwliwa prowadnica jest wykonana korzystnie ze stali nierdzewnej, natomiast korpus wykonany jest korzystnie z tworzywa termoplastycznego zapewniającego niski współczynnik tarcia z prowadnicą korzystnie 0,3. Zaletą prezentowanej konstrukcji jest możliwość dokładnego wykalibrowania układu roboczego. Zapewnia to wysoką jakość otrzymywanych wydruków i zmniejsza ryzyko odrywania wydruków od platformy. Pomiar punktów kalibracyjnych następuje w osi dyszy, przez dotknięcie platformy roboczej przez samą dyszę, zatem pomiar jest dokładniejszy niż w przypadku rozwiązań gdzie zastosowano oddzielne moduły pomiarowe montowane w pewnej odległości od dyszy. Również brak konieczności

3 PL B1 3 stosowania oddzielnych modułów upraszcza obsługę układu, zwiększa jego niezawodność i zmniejsza ryzyko błędu popełnionego przez operatora. Kolejną zaletą jest możliwość sprawdzania punktów pomiarowych niezależnie od materiału platformy. Platforma nie musi być pokryta materiałem przewodzącym prąd, a zatem nie musi być podłączona do przewodów elektrycznych. Wobec tego prezentowane rozwiązanie znajduje zastosowanie również w drukarkach, w których obiekty drukowane są na specjalnych, wymiennych tackach. Możliwość lekkiego podniesienia głowicy w osi Z zapewnia również większe bezpieczeństwo w przypadku awarii i kolizji z przedmiotem drukowanym podczas procesu wydruku. Przykładowo jeśli jakieś elementy drukowanego modelu znajdą się powyżej drukowanej warstwy i nastąpi kolizja dyszy z tymi elementami, to wtedy głowica podniesie się aktywując czujnik optyczny. Wówczas czujnik wyśle informację do układu kontrolującego, który zatrzyma proces drukowania i zgłosi błąd na wyświetlaczu drukarki. Prezentowana konstrukcja mechanizmu może być również zastosowana w drukarkach posiadających wiele głowic drukujących. Wówczas każda z głowic powinna być wyposażona w oddzielny układ do detekcji kontaktu dyszy z platformą roboczą. Poprzez regulowanie wysokości głowic względem dobrze skalibrowanej platformy, możliwe jest precyzyjne wypoziomowanie wysokości głowic w osi Z. Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny przez ekstruder drukarki 3D z mechanizmem do kalibrowania układu roboczego drukarki 3D, fig. 2 przedstawia widok szczegółu A, fig. 3 przedstawia schemat blokowy mechanizmu do kalibrowania układu roboczego drukarki 3D, a na fig. 4 pokazano widok na platformę roboczą z pokrętłami do kalibracji. Mechanizm do kalibrowania układu roboczego drukarki 3D ma w obudowie 1 ekstrudera, poniżej koła posuwu 2 filamentu i powyżej głowicy 3 z dyszą 4 zamocowany korpus 5. W korpusie 5, współosiowo do kanału 6 filamentu mocowana jest suwliwa prowadnica 7 mająca możliwość przesuwu góra-dół względem korpusu 5. Od dołu, osiowo do prowadnicy 7 przytwierdzone jest mocowanie 8 głowicy 3 z radiatorem 9. Od góry na prowadnicy 7 umieszczona jest sprężyna 10 działająca na ściskanie oparta o korpus 5. Do mocowania 8 głowicy 3 przytwierdzony jest trzpień 11, który współpracuje z czujnikiem optycznym 12 przytwierdzonym do korpusu 5. Czujnik optyczny 12 połączony jest przewodem elektrycznym 13 poprzez układ kontrolujący 14 drukarki z pamięcią 15 drukarki, wyświetlaczem 16 i sterownikiem 17 napędu platformy roboczej 18, a głowica 3 drukarki połączona jest z układem kontrolującym 14 poprzez sterownik 19 napędu głowicy 3. Precyzyjne poziomowanie platformy roboczej 18 realizowane jest za pomocą pokręteł 20. Głowica 3 znajduje się nad platformą roboczą 18 i przemieszcza się w płaszczyźnie poziomej, natomiast platforma robocza 18 przemieszcza się w kierunku pionowym. Celem wykalibrowania układu roboczego drukarki 3D jest uzyskanie równoległości toru przesuwu głowicy 3 z powierzchnią platformy roboczej 18. W trakcie kalibracji układu roboczego drukarki 3D dane o położeniu głowicy 3 w kartezjańskim układzie współrzędnych XYZ są wprowadzane do pamięci 15 drukarki. Odczyt współrzędnych położenia głowicy 3 jest możliwy dzięki sterownikowi 19 napędu głowicy 3, natomiast odczyt współrzędnych położenia platformy roboczej 18 jest możliwy dzięki sterownikowi 17 napędu platformy roboczej 18. Do układu kontrolującego 14 podłączony jest interfejs użytkownika w postaci wyświetlacza 16. Wypoziomowanie platformy roboczej 18 w osi pionowej jest realizowane za pomocą pokręteł 20. Prowadnica 7 jest wykonana korzystnie ze stali nierdzewnej, natomiast korpus 5 wykonany jest korzystnie z tworzywa termoplastycznego zapewniającego niski współczynnik tarcia z prowadnicą 7 (korzystnie 0,3). W trakcie pomiaru wysokości punktu kalibracyjnego na platformie roboczej 18, platforma robocza 18 jest podnoszona w kierunku głowicy 3, celem zetknięcia dyszy 4 z powierzchnią platformy 18. Dotknięcie platformy roboczej 18 przez dyszę 4 skutkuje lekkim podniesieniem głowicy 3 z dyszą 4 na skutek tego, że mocowanie 8 głowicy 3 z radiatorem 9 odprowadzającym ciepło z głowicy 3 jest przymocowane do suwliwie zamocowanej w korpusie 5 prowadnicy 7. Sprężyna 10 wywiera nacisk na prowadnicę 7 w kierunku do dołu, zatem w położeniu neutralnym głowica 3 z dyszą 4 znajduje się w najniższym położeniu, natomiast unosi się podczas zetknięcia z platformą 18. Sprężyna 10 zapewnia również powrót głowicy 3 z dyszą 4 do wyjściowej pozycji. Wraz z podniesieniem głowicy 3 z dyszą 4 następuje również podniesienie prowadnicy 7, mocowania 8 głowicy 3 z radiatorem 9 oraz trzpienia 11. Podniesienie trzpienia 11 powoduje przerwanie wiązki światła w czujniku optycznym 12,

4 4 PL B1 który poprzez przewód elektryczny 13 wysyła impuls do układu kontrolującego 14, gdzie impuls ten jest interpretowany jako powstanie kontaktu dyszy 4 z platformą roboczą 18. Działanie mechanizmu kalibrowania układu roboczego drukarki 3D jest następujące: układ kontrolujący 14 drukarki wysyła informację do sterownika 19 napędu głowicy 3, który mając kontrolę nad napędem przemieszczającym głowicę 3, pozycjonuje głowicę 3 drukarki nad jednym ze skrajnych punktów na platformie roboczej 18, na przykład punktem w obszarze A (fig. 4). Następuje ruch pionowy, wzdłuż osi Z, platformy roboczej 18 celem zapewnienia kontaktu dyszy 4 z platformą roboczą 18. W momencie przerwania wiązki światła w czujniku optycznym 12 przez trzpień 11, do układu kontrolującego 14, za pośrednictwem przewodu 13 wysłany jest impuls, który w układzie kontrolującym 14 drukarki interpretowany jest jako zajście kontaktu dyszy 4 z platformą roboczą 18. Następnie układ kontrolujący 14 natychmiast wysyła informację do sterownika 17 napędu platformy roboczej 18, aby zatrzymać ruch platformy roboczej 18, by nie nastąpiła dalsza kolizja. W tym położeniu głowicy 3, za pośrednictwem sterownika 19 napędu głowicy 3 oraz sterownika 17 napędu platformy roboczej 18, układ kontrolujący 14 odczytuje współrzędne w układzie kartezjańskim XYZ aktualnego położenia głowicy 3. Pozycja głowicy 3 we współrzędnych w układzie XYZ zostaje zapisana przez układ kontrolujący 14 w pamięci 15 drukarki. Następnie platforma robocza 18 jest obniżana i następuje przejazd głowicy do kolejnego punktu pomiarowego na platformie roboczej 18, na przykład do punktu w obszarze B. Dla punktu w obszarze B operacja pomiaru współrzędnych kontaktu z dyszy 4 z platformą roboczą 18 zostaje ponowiona, czego wynikiem jest wprowadzenie do pamięci 15 drukarki współrzędnych XYZ kolejnego punktu pomiarowego. Wysokość w osi Z punktów z obszaru A i B zostaje porównana przez układ kontrolujący 14 drukarki. Jeśli różnica wysokości w osi Z obu punktów jest większa niż ustalony zakres tolerancji (korzystnie ±0,1 mm) wówczas układ kontrolujący 14 drukarki zgłasza na wyświetlaczu 16, korzystnie ciekłokrystalicznym, że konieczne jest podniesienie lub obniżenie danego obszaru platformy roboczej 18. Realizuje się to przez obrót odpowiedniego pokrętła 20 znajdującego się pod platformą roboczą 18. Po wykonaniu korekty położenia w osi Z obszaru platformy roboczej 18, układ kontrolujący 14 ponawia pomiar obu punktów na platformie roboczej i ponownie porównuje różnicę ich wysokości w osi Z. Jeśli tym razem mieści się ona w zakresie tolerancji wówczas układ kontrolujący 14 ponawia procedurę korekty dla punktów w obszarze C oraz D. Analogicznie, jeśli wysokość któregoś z tych punktów wychodzi poza zakres tolerancji to na wyświetlaczu 16 wyświetlany jest komunikat, aby dokonać korekty obracając odpowiednim pokrętłem 20 pod platformą roboczą 18 celem obniżenia, bądź podniesienia danego obszaru. W ten sposób, postępując zgodnie ze wskazówkami na wyświetlaczu 16 użytkownik jest w stanie dokonać dokładnej kalibracji układu roboczego drukarki poprzez zlikwidowanie nierównoległości toru przesuwu głowicy 3 z powierzchnią platformy roboczej 18. Zastrzeżenia patentowe 1. Mechanizm do kalibrowania układu roboczego drukarki 3D współpracujący z czujnikiem optycznym, znamienny tym, że ma w obudowie (1) ekstrudera, poniżej koła posuwu (2) filamentu i powyżej głowicy (3) z dyszą (4) zamocowany korpus (5), a w korpusie (5), współosiowo do kanału (6) filamentu mocowana jest suwliwa prowadnica (7), do której od dołu, osiowo do prowadnicy (7) przytwierdzone jest mocowanie (8) głowicy (3) z radiatorem (9), natomiast od góry na prowadnicy (7) umieszczona jest sprężyna (10) działająca na ściskanie oparta o korpus (5), przy czym do mocowania (8) głowicy (3) przytwierdzony jest trzpień (11) współpracujący z czujnikiem optycznym (12) przytwierdzonym do korpusu (5), a czujnik optyczny (12) połączony jest przewodem elektrycznym (13) poprzez układ kontrolujący (14) drukarki z pamięcią (15) drukarki, wyświetlaczem (16) i sterownikiem (17) napędu platformy roboczej (18), a głowica (3) drukarki połączona jest z układem kontrolującym (4) poprzez sterownik (19) napędu głowicy (3), natomiast pozycjonowanie platformy roboczej (18) realizowane jest za pomocą pokręteł (20). 2. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadnica (7) jest wykonana korzystnie ze stali nierdzewnej, natomiast korpus (5) wykonany jest korzystnie z tworzywa termoplastycznego zapewniającego niski współczynnik tarcia z prowadnicą (7) korzystnie 0,3.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)