CZ310652B6

CZ310652B6 - Tryska pro 3D tisk

Info

Publication number: CZ310652B6
Application number: CZ2025-118A
Authority: CZ
Inventors: Matěj Supík; Petr Brandejs
Original assignee: Prusa Development a.s.
Priority date: 2025-03-26
Filing date: 2025-03-26
Publication date: 2026-03-18
Also published as: CZ2025118A3

Abstract

Tryska pro 3D tisk s vnitřním segmentováním zahrnuje vstupní segment (1) s kanálem pro vstup filamentu a za ním umístěný výstupní segment (9) s kanálem pro výstup taveniny, a dále zahrnuje mezi vstupním segmentem (1) a výstupním segmentem (9) umístěné následující segmenty, a to: primární segment (4) s alespoň jedním kanálem, přičemž každý z kanálů má přibližný tvar kruhové výseče; za ním umístěný primární přechodový segment (5); za ním umístěný sekundární segment (6) s alespoň jedním nekruhovým kanálem, přičemž celkový obvod kanálů je v příčném řezu větší než celkový obvod kanálů primárního segmentu (4) v příčném řezu; a za ním umístěný sekundární přechodový segment (7).

Description

Tryska pro 3D tisk

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti aditivní výroby trojrozměrných předmětů nanášením kontinuální kapky viskózního materiálu v podobě roztaveného vláknitého materiálu a týká se zařízení pro takovouto aditivní výrobu, a to specificky jejich součástí pro nanášení vrstev v podobě trysek.

Dosavadní stav techniky

Jednou z hlavních překážek průmyslového využití 3D tiskáren založených na metodě postupného vrstvení roztaveného tiskového materiálu, specificky plastového filamentu, ve výrobě součástek či produktů ve velkých objemech je doposud omezený výkon z hlediska množství extrudovaného materiálu za jednotku času. Úzkým hrdlem je z tohoto pohledu především tryska, tedy součástka tiskové hlavy 3D tiskárny, která je zahřívána zdrojem tepla a v jejím vnitřním prostoru tvořeném jedním či více kanály dochází vlivem zvýšené teploty k postupnému měknutí a tavení tiskového materiálu, jež je následně v deponován z ústí trysky, tedy její špičky, do tiskového prostoru za postupného vzniku výtisku. Aby bylo při tisku dosaženo dostatečného tiskového rozlišení a míry detailů ve struktuře 3D výtisku, ústí trysky musí mít omezený průměr, řádově desetiny milimetru. Toto zúžení ovšem významně limituje maximální hodnotu průtoku taveniny, která se typicky u stolních 3D tiskáren pohybuje mezi 10 mm³/s a 20 mm³/s, a tím omezuje rychlost samotného 3D tiskového procesu a prodlužuje dobu nutnou k vytvoření 3D výtisku. Limitace maximálního průtoku je způsobena nedostatečným prohřátím tiskového materiálu během jeho průchodu tělem trysky, a tedy málo účinným zkapalněním, kdy si materiál i v momentu průchodu ústím trysky zachovává vysokou hodnotu viskozity a vlivem vnitřního tření klade odpor, který se projevuje exponenciálním nárůstem nutné extruzní síly.

Ze stavu techniky jsou známa řešení v podobě takzvaných vysokoprůtokových trysek. Tato řešení cílí na příčinu výše zmiňovaného technického problému, kterou je přílišná viskozita tiskového materiálu v okamžiku depozice, a to zvětšením vnitřního povrchu trysky formou většího obvodu kanálu v příčném řezu, a tedy kontaktní plochy mezi tryskou a tiskovým materiálem jí procházejícím, což má za následek vyšší účinnost přenosu tepla a vyšší míru zkapalnění spojenou s nižší viskozitou a nižším vnitřním odporem při extruzi. Řešení známé z dokumentu WO 2022243665 AI představuje trysku, v jejímž vnitřním kanálu se nachází jedna či více příčných přepážek zvětšujících vnitřní povrch trysky oproti variantě s prostým kanálem kruhového průřezu. Dále dokument EP 3445568 AI popisuje vysokoprůtokové trysky se zvětšeným vnitřním povrchem přítomností dvou či více vnitřních kanálů kruhového či oválného průřezu, přičemž tyto vnitřní kanály jsou rovnoběžné s osou trysky a nemění v celé své délce tvar v příčném řezu. U trysky dle tohoto technického řešení ve variantě se třemi vnitřními kanály kruhového průřezu a průměrem ústí 0,4 mm je při aplikované extruzní síle 50 N dosaženo hodnoty průtoku taveniny 16 mm³/s a při 175 N průtoku 48 mm³/s. Tyto hodnoty průtoku jsou ovšem limitem technologie na bázi zmíněného řešení, což je způsobeno konstrukčním omezením, kdy jsou trysky vyráběny metodou vrtání umožňující především konstrukci rovných vnitřních kanálů s tvarem v příčném řezu neměnným v celé délce či alespoň většinové části vícekanálové sekce trysky. Toto má za následek stále omezenou účinnost přenosu tepla z trysky na tiskový materiál, jehož teplota, a tedy mechanické vlastnosti, se v průběhu průchodu tryskou gradientně mění, a tedy v různých částech trysky má materiál různé vlastnosti, což ovšem řešení známá ze stavu techniky nereflektují.

Dále jsou ze stavu techniky, příkladně z dokumentu US 2024253305 AI, známé modulární vysokoprůtokové trysky, kdy je do širšího, příkladně kónického, prostoru v těle trysky vložena vložka s negativním tvarem a rozdělením do více kanálů. U takovéto trysky ve variantě s průměrem ústí 0,4 mm je při aplikované extruzní síle 50 N dosaženo hodnoty průtoku taveniny

- 1 CZ 310652 B6 mm³/s a při 175 N průtoku 40 mm³/s. Nevýhodou této konstrukce je principiální vnesení překážek do cesty proudu taveniny tiskového materiálu, jelikož rozdělení do více kanálů u takovéto trysky vyžaduje zmenšení obsahu kanálu v řezu. Žádoucího většího obvodu kanálu v příčném řezu je tedy dosaženo nežádoucí změnou obsahu kanálu v příčném řezu.

Dalším faktorem omezujícím rychlost 3D riskuje rychlost nahřívání samotné trysky na pracovní teplotu, tedy teplotu dostatečnou k roztavení tiskového materiálu, což je problematické především v případě vícebarevného či vícemateriálového tisku, kdy je nutné během tiskového procesu často měnit tiskový filament, jak je známo příkladně z dokumentu US 2023173749 AI. Tradičně je zdrojem tepla zahřívajícím trysku odporový prvek, přičemž nahřátí na pracovní teplotu trvá řádově jednotky minut. Zahřívání je možné významně urychlit použitím indukčního ohřevu, jak je známo příkladně z dokumentu US 11826960 B2. Využitím této metody ohřevu je možné potenciálně dosáhnout nahřátí trysky a tiskového materiálu v jejím vnitřním prostoru na pracovní teplotu v řádu jednotek sekund. Tato rychlost účinného nahřátí je ovšem dosažitelná pouze při použití trysek, jejichž vnitřní prostor je svým tvarem uzpůsoben pro účinný prostup tepla v celém průřezu a všemi vnitřními strukturami. Trysky známé ze stavu techniky ovšem nejsou pro indukční ohřev specificky uzpůsobeny, a byť je rychlost jejich nahřátí indukčním ohřevem vyšší než rychlost nahřátí konvenčním ohřevem, je stále významně limitována.

Úkolem předkládaného vynálezu je představit trysku pro 3D tisk, která umožňuje vysoké rychlosti tisku, a to jednak dosažením vysokých hodnot průtoku taveniny, které přesahují technologické limity vysokoprůtokových trysek známých ze stavu techniky, a to zvýšením účinnosti přenosu tepla z trysky na tiskový materiál prostřednictvím vnitřního prostoru trysky, jehož struktura se v rámci délky trysky plynule mění, a reaguje tak na rozdílné vlastnosti tiskového materiálu v různých částech trysky, a zachovává vysokou míru uniformity obsahu kanálu v příčném řezu při současném významném zvětšení obvodu kanálu v příčném řezu. Struktura trysky je dále optimalizována pro indukční ohřev a zároveň rychlé chladnutí, což dále zvyšuje rychlost především vícebarevného či vícemateriálového tisku či tisku s dynamickou změnou depoziční teploty, přičemž je fimkční i s konvenční metodou ohřevu.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je tryska pro 3D tisk s vnitřním jedno- či vícekanálovým segmentováním zahrnující mezi vstupním segmentem pro vstup filamentu a výstupním segmentem pro výstup taveniny, příkladně i v podobě ústí trysky, umístěné následující segmenty, a to:

• primární segment s alespoň jedním kanálem, přičemž každý z kanálů má přibližný tvar kruhové výseče;

• za ním umístěný primární přechodový segment;

• za ním umístěný sekundární segment s alespoň jedním nekruhovým kanálem, přičemž celkový obvod kanálů jev příčném řezu větší než celkový obvod kanálů primárního segmentu v příčném řezu; a • za ním umístěný sekundární přechodový segment.

V případě vícekanálové trysky tato dále zahrnuje primárnímu segmentu s alespoň dvěma pravidelně rozmístěnými kanály, z nichž každý má přibližný tvar kruhové výseče, předsazený rozdělovači segment s bifúrkací kanálů a za sekundárním segmentem s alespoň dvěma pravidelně rozmístěnými nekruhovými kanály a sekundárním přechodovým segmentem umístěný spojovací segment se soutokem kanálů. Primární přechodový segment tvoří plynulý tvarový přechod mezi primárním segmentem a sekundárním segmentem a sekundární přechodový segment tvoří plynulý tvarový přechod mezi sekundárním segmentem a segmentem na sekundární přechodový segment navazujícím.

-2 CZ 310652 B6

Jednotlivé segmenty definované výše mohou být umístěny za sebou ve výše popsané posloupnosti přímo či při zachování posloupnosti mohou být doplněny o další případné segmenty, jelikož pro dosažení účinku vynálezu je zcela nezbytná pouze posloupnost primárního segmentu, primárního přechodového segmentu, sekundárního segmentu a sekundárního přechodového segmentu.

Tryska této konstrukce poskytuje uniformitu obsahu kanálů v příčném řezu, a to napříč všemi segmenty, při významné změně obvodu kanálů v příčném řezu, a to významným zvětšením obvodu v sekundárním segmentu. Tohoto je dosaženo výraznou tvarovou změnou kanálů v jejich průběhu tryskou, kdy z kruhového tvaru kanálu vstupního segmentu postupně přechází až do kružnicového tvaru kanálu sekundárního segmentu, tedy do kanálu ve tvaru oblouku či písmene „C“. Díky tomu tryska dosahuje v porovnání se stavem techniky významně vyšších hodnot průtoku taveniny při dané hodnotě extruzní síly, a to plynulým postupem taveniny kanály trysky v důsledku uniformity vnitřního objemu na jednotku délky segmentu, a dále vysoké účinnosti přenosu tepla z trysky na tiskový materiál v důsledku velké vnitřní plochy především v sekundárním segmentu. Vnitřní segmentace trysky složitostí tvarů odpovídá gradientu viskozity tiskového materiál, který je v průběhu cesty tryskou postupně zahříván.

Výhodně je rozdělovači segment opatřen plynule se vzájemně přibližujícími rozdělovacími hřbety, přičemž počet hřbetů odpovídá počtu kanálů, čímž se z hřbetů stávají střižné struktury napomáhající plynulému posunu filamentu při jeho současném rozdělení do jednotlivých kanálů. Dále výhodně může tryska zahrnovat na vstupní segment navazující stabilizační segment s alespoň dvěma stabilizačními hřbety. Přítomnost stabilizačního segmentu zajišťuje zamezení filamentu v rotaci a současně rozpracovává filament pro jeho snazší tvarovou úpravu v navazujících segmentech s dynamickou změnou tvarování kanálu či kanálů.

Z konstrukčního hlediska je možné trysku dle předkládaného vynálezu vyrobit cestou 3D tisku kovu, nikoli obvyklou cestou výroby trysek vrtáním.

Objasnění výkresů

Na připojených výkresech znázorňuje:

obr. 1 dvoukanálovou trysku podle předkládaného vynálezu ve výhodném provedení dle příkladu 2 v podélném řezu;

obr. 2 segmenty jednokanálové trysky podle příkladu 1 v příčných řezech;

obr. 3 segmenty dvoukanálové trysky ve výhodném provedení podle příkladu 2 v příčných řezech; a obr. 4 graf porovnání efektivity dvoukanálové trysky podle předkládaného vynálezu (datová řada 3) s tříkanálovou vysokoprůtokovou tryskou s rovnými kanály dle stavu techniky (datová řada 2) a s čtyřkanálovou vysokoprůtokovou tryskou s vložkou dle stavu techniky (datová řada 1).

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1 - popisuje trysku podle předkládaného vynálezu v jednokanálové variantě.

Tryska pro 3D tisk je sestavena tak, že na vstupní segment 1 s kruhovým kanálem pro vstup filamentu navazuje primární segment 4 s jedním kanálem v přibližném tvaru téměř uzavřené kruhové výseče, na který navazuje primární přechodový segment 5, který na svém počátku

-3 CZ 310652 B6 odpovídá tvaru konce primárního segmentu 4 a na svém konci odpovídá tvaru počátku dále navazujícího sekundárního segmentu 6 s jedním kanálem tvaru téměř uzavřeného písmene „C“, na který dále navazuje sekundární přechodový segment 7, který na svém počátku odpovídá tvaru konce sekundárního segmentu 6 a na svém konci dosahuje kruhového tvaru odpovídající tvaru na něj navazujícího výstupního segmentu 9.

Příklad 2 - popisuje trysku podle předkládaného vynálezu ve dvoukanálové variantě ve výhodném provedení.

Tryska pro 3D tisk je sestavena tak, že obsahuje za sebou přímo uspořádané segmenty v následujícím pořadí:

• vstupní segment j. s kruhovým kanálem pro vstup filamentu;

• stabilizační segment 2 se čtyřmi stabilizačními hřbety;

• rozdělovači segment 3 se dvěma protilehlými plynule se vzájemně přibližujícími rozdělovacími hřbety pro bifurkaci do dvou kanálů, přičemž tyto dva hřbety navazují dva ze čtyř stabilizačních hřbetů stabilizačního segmentu 2;

• primární segment 4 se dvěma pravidelně proti sobě rozmístěnými kanály, přičemž každý z kanálů má přibližný tvar poloviny kruhu;

• primární přechodový segment 5, který na svém počátku odpovídá tvaru konce primárního segmentu 4 a na svém konci odpovídá tvaru počátku sekundárního segmentu 6;

• sekundární segment 6 o délce jedné pětiny celkové délky trysky se dvěma pravidelně proti sobě rozmístěnými kanály, přičemž každý z kanálů má přibližný tvar oblouku;

• sekundární přechodový segment 7, který na svém počátku odpovídá tvaru konce sekundárního segmentu 6 a na svém konci tvaru počátku spojovacího segmentu 8;

• spojovací segment 8 se soutokem kanálů;

• výstupní segment 9 s kruhovým kanálem pro výstup taveniny.

Průmyslová využitelnost

Tryska pro 3D tisk je průmyslově využitelná v konstrukci tiskových hlav 3D tiskáren.

Claims

1. Tryska pro 3D tisk s vnitřním segmentováním, zahrnující vstupní segment (1) s kanálem pro vstup filamentu a za ním umístěný výstupní segment (9) s kanálem pro výstup taveniny, vyznačující se tím, že dále zahrnuje mezi vstupním segmentem (1) a výstupním segmentem (9) umístěné následující segmenty, a to:

• primární segment (4) s alespoň jedním kanálem, přičemž každý z kanálů má přibližný tvar kruhové výseče;

• za ním umístěný primární přechodový segment (5);

• za ním umístěný sekundární segment (6) s alespoň jedním nekruhovým kanálem, přičemž celkový obvod kanálů je v příčném řezu větší než celkový obvod kanálů primárního segmentu (4) v příčném řezu; a • za ním umístěný sekundární přechodový segment (7).

2. Tryska pro 3D tisk podle nároku 1, vyznačující se tím, že sekundární segment (6) zahrnuje kanál ve tvaru téměř uzavřeného písmene “C”

3. Tryska pro 3D tisk podle nároku 1, vyznačující se tím, že sekundární segment (6) zahrnuje alespoň dva pravidelně rozmístěné kanály, přičemž každý z kanálů má přibližný tvar oblouku.

4. Tryska pro 3D tisk podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že primární segment (4) zahrnuje alespoň dva pravidelně rozmístěné kanály, z nichž každý má přibližný tvar kruhové výseče, a dále zahrnuje předsazený rozdělovači segment (3) s bifůrkací kanálů, a sekundární segment (6) zahrnuje alespoň dva pravidelně rozmístěné nekruhové kanály, a sekundární přechodový segment (7) zahrnuje za ním umístěný spojovací segment (8) se soutokem kanálů.

5. Tryska pro 3D tisk podle nároku 4, vyznačující se tím, že rozdělovači segment (3) je opatřen vzájemně se ve směru toku filamentu plynule přibližujícími rozdělovacími hřbety pro rozdělení filamentu do kanálů primárního segmentu (4), přičemž počet hřbetů odpovídá počtu kanálů primárního segmentu (4).

6. Tryska pro 3D tisk podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že primární přechodový segment (5) tvoří plynulý tvarový přechod mezi primárním segmentem (4) a sekundárním segmentem (6) a sekundární přechodový segment (7) tvoří plynulý tvarový přechod mezi sekundárním segmentem (6) a segmentem na sekundární přechodový segment (7) navazujícím.

7. Tryska pro 3D tisk podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že vstupní segment (1) zahrnuje na něj navazující stabilizační segment (2) s alespoň dvěma stabilizačními hřbety pro rozpracování filamentu a zamezení rotace filamentu.