CZ33807U1

CZ33807U1 - Printhead for 3D printing equipment

Info

Publication number: CZ33807U1
Application number: CZ2019-37090U
Authority: CZ
Inventors: David Škaroupka; Petr Krejčiřík
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-02-27

Description

Oblast technikyField of technology

Předkládané technické řešení se týká oblasti 3D tisku, konkrétně popisuje konstrukci hlavy pro 3D tisk kompaundovaného polymemího betonu.The present technical solution relates to the field of 3D printing, in particular it describes the construction of a head for 3D printing of compounded polymer concrete.

Dosavadní stav technikyPrior art

Rychle rozvíjejícím se odvětvím 3D tisku je tisk velkých konstrukcí, z nichž mnohé jsou na bázi tzv. polymemího betonu. Jedná se o kompozitní materiál, jehož směs tvoří organická matrice (polymer) a anorganické plnivo (např. křemičitý písek). Často může být do tisknuté směsi přidávána ještě jedna či další doplňující složky, které dále mění vlastnosti tisknuté směsi, např. barvu nebo mechanické vlastnosti.The rapidly developing branch of 3D printing is the printing of large structures, many of which are based on so-called polymer concrete. It is a composite material, the mixture of which consists of an organic matrix (polymer) and an inorganic filler (eg silica sand). Often, one or more additional components may be added to the printed composition that further alter the properties of the printed composition, such as color or mechanical properties.

V mnoha případech je tisknutá směs předmíchána mimo tiskovou hlavu a do tiskové hlavy samotné je již přiváděna hotová směs. Míchání směsi v tiskové hlavě řeší například dokument KR 20180012432 A. V tomto zařízení je v hlavě pomocí šroubového extruderu míchán a dávkován předpřipravený beton, ke kterému je přidávána voda s barvivém. Daná přihláška však nepopisuje zařízení, které by bylo schopné směrovat 3D tisk i do stran či pod úhlem. Navíc dochází k míchání směsi až přímo u extruderu, čímž nemusí být zajištěno optimálního rozmíchání barviva v tisknuté směsi.In many cases, the printed mixture is premixed outside the print head and the finished mixture is already fed into the print head itself. Mixing of the mixture in the print head is addressed, for example, by document KR 20180012432 A. In this device, pre-prepared concrete is mixed and dosed in the head by means of a screw extruder, to which water with colorant is added. However, the application does not describe a device that would be able to direct 3D printing to the sides or at an angle. In addition, the mixture is mixed directly at the extruder, which may not ensure optimal mixing of the dye in the printed mixture.

Dalším dokumentem reprezentujícím relevantní stav techniky je patent KR 101815513 Bl. Tento popisuje zařízení pro 3D tisk s množstvím rezervoárů, které slouží k dávkování jednotlivých složek tisknuté směsi. Patent je zaměřen především na rozdělení poměru jednotlivých složek tisknuté směsí, jejichž míchání probíhá jednak v mixéru a dále přímo v trubce. Dávkování jednotlivých složek pak probíhá pomocí vážení. Samotné míchání doplňující směsi (trubka 30) a hlavní směsi (trubka 44) však není optimálně řešeno díky krátké vzdálenosti trysky a místa míchání. Zařízení dále neobsahuje šnekový extruder, který zajišťuje nejen tisk směsi, ale i její míchání. A zařízení jako takové tedy není schopno tisknout pod úhlem vůči vodorovné podložce.Another document representing the relevant state of the art is patent KR 101815513 B1. This describes a device for 3D printing with a number of reservoirs, which are used for dosing the individual components of the printed mixture. The patent is mainly focused on the distribution of the ratio of individual components of the printed mixture, the mixing of which takes place both in the mixer and directly in the tube. The individual components are then dosed by weighing. However, the mixing of the make-up mixture (tube 30) and the main mixture (tube 44) alone is not optimally solved due to the short distance between the nozzle and the mixing point. The device also does not contain a screw extruder, which ensures not only the printing of the mixture, but also its mixing. And the device as such is therefore not able to print at an angle to the horizontal surface.

Americká patentová přihláška US 20180022026 AI popisuje zařízení k 3D tisku, které navíc zahrnuje obráběcí nástroj pro odstranění tisknutého materiálu. Tisková hlava je uchycena k efektoru na robotu, čímž je dosaženo efektivního pohybu tiskové hlavy. Míchání tisknuté směsi probíhá v jednotlivých mixérech, které však nejsou součástí tiskové hlavy. Není tedy dosaženo vhodné konzistence tisknuté směsi a zařízení jako takové tedy nemůže tisknout pod úhlem, což je v mnoha aplikacích vyžadováno. Navíc není uzpůsobené pro tisk směsí na bázi polymemího betonu.U.S. Patent Application No. 20180022026 A1 discloses a 3D printing apparatus which further includes a machining tool for removing printed material. The print head is attached to the effector on the robot, which achieves efficient movement of the print head. The printed mixture is mixed in individual mixers, which, however, are not part of the print head. Thus, a suitable consistency of the printed mixture is not achieved and the device as such cannot print at an angle, which is required in many applications. In addition, it is not adapted for printing mixtures based on polymer concrete.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje tisková hlava pro zařízení k 3D tisku zahrnující alespoň hlavní motor, míchací komoru, komoru šnekového extruderu, extruder uložený v komoře šnekového extruderu, alespoň dvě komory šnekového dopravníku a trysku. Zařízení k 3D tisku dále zahrnuje alespoň dva zásobníky. Míchací komora je spojena s komorou šnekového extruderu. Komora šnekového extruderu je pak opatřena alespoň jedním topným tělesem. Komory šnekového dopravníku jsou uchyceny k míchací komoře a spojeny se zásobníky. Tryska je pak uchycena ke komoře šnekového extruderu. Výhoda předneseného řešení spočívá v přítomnosti míchadla v míchací komoře a v pevném uchycení komor šnekového dopravníku k míchací hlavě. Tímto je efektivně vyřešeno míchání směsi přímo v hlavě zařízení pro 3D tisk.The above drawbacks are eliminated to some extent by a printhead for a 3D printing apparatus comprising at least a main motor, a mixing chamber, a screw extruder chamber, an extruder housed in a screw extruder chamber, at least two screw conveyor chambers and a nozzle. The 3D printing device further includes at least two trays. The mixing chamber is connected to the chamber of the screw extruder. The chamber of the screw extruder is then provided with at least one heating element. The chambers of the screw conveyor are attached to the mixing chamber and connected to the hoppers. The nozzle is then attached to the chamber of the screw extruder. The advantage of the presented solution lies in the presence of a stirrer in the mixing chamber and in the firm attachment of the chambers of the screw conveyor to the mixing head. This effectively solves the mixing of the mixture directly in the head of the 3D printing device.

- 1 CZ 33807 U1- 1 CZ 33807 U1

Ve výhodném provedení sestává míchadlo z pevných lopatek, které jsou nepohyblivě uchycené k vnitřní obvodové části míchací komory a z pohyblivých lopatek, které jsou uchycené k extruderu. Pň rotaci extruderu tedy dochází i k rotaci pohyblivých lopatek, které jsou umístěné tak, že při rotačním pohybu nemůže dojít ke kolizi s pevnými lopatkami. Toto provedení umožňuje vytvoření homogenní směsi složek pojivá a plniva a k podávání sypké směsi do komory extruderu nezávisle na orientaci tiskové hlavy vůči gravitačnímu působení.In a preferred embodiment, the stirrer consists of fixed blades which are fixedly attached to the inner peripheral part of the mixing chamber and of movable blades which are attached to the extruder. Thus, during the rotation of the extruder, the movable blades also rotate, which are positioned in such a way that no collision with the fixed blades can occur during the rotational movement. This embodiment makes it possible to form a homogeneous mixture of binder and filler components and to feed the bulk mixture into the extruder chamber independently of the orientation of the printhead relative to gravity.

Ve výhodném provedení zahrnuje míchací komora alespoň jedno topné těleso. Výhoda tohoto řešení spočívá v možnosti předehřátí vytvářené směsi už při jejím míchání.In a preferred embodiment, the mixing chamber comprises at least one heating element. The advantage of this solution lies in the possibility of preheating the formed mixture already during its mixing.

Komory šnekového dopravníku zahrnují, šnekový dopravník, který je mechanicky spojený s motorem dopravníku. Zásobník materiálu je pak s komorou šnekového dopravníku spojen pomocí externího plnicího zařízení. Komora šnekového dopravníku je pak výhodně opatřena alespoň jedním topným tělesem, kterým je předehřátá složka tisknuté směsi ještě před mícháním v míchací hlavě. Následkem předehřevu v komoře šnekového dopravníku jsou v následujícím kroku složky kvalitněji promíchány.The screw conveyor chambers include a screw conveyor that is mechanically connected to the conveyor motor. The material hopper is then connected to the screw conveyor chamber by means of an external filling device. The screw conveyor chamber is then preferably provided with at least one heating element, which is a preheated component of the printed mixture before mixing in the mixing head. As a result of preheating in the screw conveyor chamber, the components are mixed better in the next step.

Tisková hlava je uchycena k manipulátoru, který je uzpůsoben k pohybu ve třech navzájem kolmých osách a k rotaci okolo alespoň jedné osy. Tím je zajištěna možnost směrování tisku, a tedy i tisku pod úhlem. Výhodně tedy při tisku svírá osa tiskové hlavy, daná extruderem, úhel v intervalu -90 až 90° s vertikálou. Konstrukční řešení tiskové hlavy umožňuje přísun sypké směsi materiálu i při náklonu tiskové hlavy ve směru tečny ke stěně tištěného tělesa. To zajišťuje větší kontaktní plochu mezi nanesenými vrstvami, díky čemuž je například možné vytvářet tělesa s většími úhly převisu bez použití podpůrných struktur, než je tomu u konvenčních metod.The printhead is attached to a manipulator that is adapted to move in three mutually perpendicular axes and to rotate about at least one axis. This ensures the possibility of directing the print, and therefore also printing at an angle. Preferably, therefore, during printing, the axis of the print head, given by the extruder, forms an angle in the range of -90 to 90 ° with the vertical. The design of the print head allows the supply of a loose mixture of material even when the print head is tilted in the direction of the tangent to the wall of the printed body. This provides a larger contact area between the applied layers, making it possible, for example, to form bodies with larger overhang angles without the use of support structures than with conventional methods.

Tisková hlava využívá jako složky tiskové směsi především polymer na bázi polypropylenových granulí a křemičitého písku. Výhoda konstrukčního řešení spočívá v tom, že umožňuje extruzi směsi obsahující pevnou frakci do 4 mm.The print head uses as a component of the print mixture mainly a polymer based on polypropylene granules and silica sand. The advantage of the design solution is that it allows the extrusion of a mixture containing a solid fraction up to 4 mm.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Podstata technického řešení je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:The essence of the technical solution is further clarified on examples of its implementation, which are described using the attached drawings, where:

obr. 1 je schematicky znázorněné detailní provedení tiskové hlavy, obr. 2 je znázorněna tisková hlava uchycená k manipulátoru, obr. 3 je znázorněna tisková hlava uchycená k manipulátoru, dále jsou zobrazeny osy pohybu manipulátoru a těleso v zadané souřadnicové soustavě.Fig. 1 is a schematic illustration of a detailed embodiment of a printhead, Fig. 2 shows a printhead attached to a manipulator, Fig. 3 shows a printhead attached to a manipulator, the axes of movement of the manipulator and a body in a given coordinate system.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution

Zařízení k 3D tisku znázorněné na obr. 2 a 3 zahrnuje dva zásobníky J, dvě externí plnicí zařízení 2, manipulátor 3, tiskovou hlavu 4, tiskovou podložku 5 a těleso 6. Plnicí zařízení 2 jsou provedena jako ohebné hadice a propojují zásobníky ]_ stiskovou hlavou 4. Tisková hlava 4 je uchycena na manipulátoru 3, který je uzpůsoben k vykonávání pohybu koncového efektoru ve třech navzájem kolmých osách a dále umožňuje rotaci koncového efektoru okolo alespoň jedné osy.The 3D printing device shown in Figs. 2 and 3 comprises two cartridges J, two external filling devices 2, a manipulator 3, a printhead 4, a printing pad 5 and a body 6. The filling devices 2 are designed as flexible hoses and connect the press cartridges. The printhead 4 is mounted on a manipulator 3 which is adapted to move the end effector in three mutually perpendicular axes and further allows the end effector to rotate about at least one axis.

Tisková hlava 4 znázorněná na obr. 1 zahrnuje dvě komory 4,1 šnekového dopravníku, přičemž každá komora 4,1 šnekového dopravníku je spojena právě s jedním zásobníkem 1 prostřednictvím externího plnicího zařízení 2. V komoře 4,1 šnekového dopravníku je uloženThe printhead 4 shown in Fig. 1 comprises two screw conveyor chambers 4,1, each screw conveyor chamber 4,1 being connected to just one hopper 1 by means of an external filling device 2. A screw conveyor chamber 4,1

-2 CZ 33807 U1 šnekový dopravník 4,1.2. který je prostřednictvím pružné spojky 4,1,4 spojen s motorem 4,1.3. Motor 4,1,3 slouží k pohánění rotačního pohybu šnekového dopravníku 4,1.2. čímž je zajištěna přeprava první složky A nebo B tištěné směsi. Komora 4,1 šnekového dopravníku je ze své vnější strany opatřena topným tělesem 4,1.1.-2 CZ 33807 U1 screw conveyor 4,1.2. which is connected to the motor 4,1.3 by means of a flexible coupling 4,1,4. The motor 4,1,3 serves to drive the rotary movement of the screw conveyor 4,1.2. thereby ensuring the transport of the first component A or B of the printed mixture. The chamber 4.1 of the screw conveyor is provided on its outer side with a heating element 4.1.1.

Tisková hlava 4 dále zahrnuje míchací komoru 42. Taje pevně spojena s oběma komorami 4,1 šnekového dopravníku, což umožňuje snadný transport plniva A a pojivá B z komor 4,1 šnekového dopravníku do míchací komory 42. Míchací komora 42 zahrnuje topná tělesa 42,1 míchací komory, která slouží k ohřevu pojivá B na teplotu v rozmezí 10 až 250 °C, při které získává optimální vlastnosti k tisku, tento rozsah teplot však není omezující pro využití technického řešení. Tepelný výkon topných těles 42,1 dodávaný do míchací komory 42 tedy může být regulován tak, jak je třeba v závislosti na zvoleném materiálu. Ohřevem nad tuto teplotu dochází ke změně vlastností pojivá B. Pojivo B se stává tvárným a na jeho povrch se lepí zma plniva A. V míchací komoře je uloženo míchadlo, které je příkladně provedeno pevnými lopatkami 422 a pohyblivými lopatkami 42,3. Pevné lopatky 422 jsou pevně uchycené ke vnitřní obvodové části míchací komory 42. Pohyblivé lopatky 42,3 jsou uchycené k rotační části šnekového extruderu 4,3,4, která prochází jednak míchací komorou 42 ajednak komorou 43 šnekového extruderu. Díky rotaci rotační části šnekového extruderu 4,3,4 dochází i k rotaci pohyblivých lopatek 42,3. které jsou v míchací komoře 42 uloženy tak, že při jejich rotačním pohybu nedochází ke kolizi s pevnými lopatkami 422. Výhodně může být míchací komora 42 ve tvaru kužele, komolého kužele, přičemž kužel zmenšuje svůj poloměr směrem ke komoře 43 šnekového extruderu. Výhoda kuželového tvaru spočívá v poklesu obvodové rychlosti míchané směsi ve směru distribuce materiálu do šnekového extruderu 43,4.The printhead 4 further comprises a mixing chamber 42. It is firmly connected to both chambers 4.1 of the screw conveyor, which allows easy transport of the filler A and the binder B from the chambers 4.1 of the screw conveyor to the mixing chamber 42. The mixing chamber 42 comprises heaters 42, 1 of a mixing chamber, which serves to heat the binder B to a temperature in the range of 10 to 250 ° C, at which it acquires optimal properties for printing, but this temperature range is not limiting for the use of the technical solution. Thus, the heat output of the heaters 42.1 supplied to the mixing chamber 42 can be regulated as needed depending on the selected material. By heating above this temperature, the properties of the binder B change. The binder B becomes malleable and a filler A adheres to its surface. A stirrer is placed in the mixing chamber, which is for example made by fixed blades 422 and movable blades 42.3. The fixed blades 422 are fixedly attached to the inner peripheral portion of the mixing chamber 42. The movable blades 42,3 are attached to the rotating portion of the screw extruder 4,3,4, which passes through both the mixing chamber 42 and the screw extruder chamber 43. Thanks to the rotation of the rotating part of the screw extruder 4,3,4, the rotating blades 42,3 also rotate. which are arranged in the mixing chamber 42 so that their rotational movement does not collide with the fixed blades 422. Advantageously, the mixing chamber 42 may be in the shape of a cone, a truncated cone, the cone decreasing its radius towards the chamber 43 of the screw extruder. The advantage of the conical shape is the decrease in the circumferential speed of the mixed mixture in the direction of material distribution to the screw extruder 43.4.

Tisková hlava 4 dále zahrnuje komoru 43 šnekového extruderu spojenou s míchací komorou 42. Ta je v příkladném provedení rozdělena na jednotlivé segmenty 432. přičemž příkladně může být každý segment 432 opatřen topným tělesem 43,1. Počet segmentů 432, na které je komora 43 šnekového extruderu rozdělena není omezující z hlediska rozsahu ochrany technického řešení. Pravidelné rozmístění topných těles 43,1 po vnějším obvodu komory, nebo uvnitř stěny komory 43 šnekového extruderu zajišťuje vhodnou distribuci tepla do tisknuté směsi. V komoře 43 šnekového extruderu je dále uložen extruder 43,4, který je výhodně provedený jako šnekový extruder. Extruder 43,4 je prostřednictvím pružné spojky 43,7 mechanicky spojený s hlavním motorem 43,6, který jej pohání a zajišťuje tak jeho rotační pohyb. Rychlostí rotačního pohybu, která je ovládána prostřednictvím hlavního motoru 43,6, je řízena regulace množství extrudováného materiálu. Ke komoře 43 šnekového extruderu je dále uchycena tryska 43,5. která je vyměnitelná a ke komoře 43 šnekového extruderu je tedy uchycena odnímatelně. Geometrie trysky je pak zvolena v závislosti na vlastnostech tištěného materiálu. V dalším příkladném řešení může být tryska uchycena napevno.The printhead 4 further comprises a screw extruder chamber 43 connected to a mixing chamber 42. This is, in an exemplary embodiment, divided into individual segments 432, whereby, for example, each segment 432 may be provided with a heating element 43.1. The number of segments 432 into which the chamber 43 of the screw extruder is divided is not limiting in terms of the scope of protection of the technical solution. The regular distribution of the heating elements 43.1 along the outer circumference of the chamber, or inside the wall of the chamber 43 of the screw extruder, ensures a suitable distribution of heat to the printed mixture. An extruder 43.4 is further accommodated in the chamber 43 of the screw extruder, which is preferably designed as a screw extruder. The extruder 43,4 is mechanically connected to the main motor 43,6 by means of a flexible coupling 43.7, which drives it and thus ensures its rotational movement. The speed of the rotational movement, which is controlled by the main motor 43,6, controls the regulation of the amount of extruded material. A nozzle 43.5 is further attached to the chamber 43 of the screw extruder. which is replaceable and is thus removably attached to the chamber 43 of the screw extruder. The nozzle geometry is then selected depending on the properties of the printed material. In another exemplary solution, the nozzle may be fixed.

Tisková hlava 4 je uchycena na manipulátoru 3, který umožňuje pohyb koncového efektoru ve třech navzájem kolmých osách a rotaci koncového efektoru kolem alespoň jedné osy, viz obr. 3. Extruze materiálu je tedy umožněna po trajektorii, která je určena pohybem manipulátoru 3. Směr depozice tištěného materiálu je pak dán souřadným systémem manipulátoru 3 a regulován především i náklonem manipulátoru 3. Při tisku pak svírá osa tiskové hlavy 4 úhel v rozmezí -90 až 90° s vertikálou.The printhead 4 is mounted on a manipulator 3, which allows movement of the end effector in three mutually perpendicular axes and rotation of the end effector around at least one axis, see Fig. 3. Extrusion of material is thus allowed along a trajectory determined by movement of the manipulator 3. of the printed material is then given by the coordinate system of the manipulator 3 and regulated mainly by the inclination of the manipulator 3. During printing, the axis of the print head 4 then forms an angle in the range of -90 to 90 ° with the vertical.

Depozice tištěného materiálu probíhá vrstvu po vrstvě. Spojení jednotlivých vrstev je pak zajištěno difuzními nebo adhezními silami.The deposition of the printed material takes place layer by layer. The connection of the individual layers is then ensured by diffusion or adhesion forces.

Zadání tisku a řízení tiskového procesuje pak řízeno pomocí počítače, se kterým je tisková hlava 4 komunikačně spojena. Komunikačním spojením je myšleno takové spojení, které umožňuje přenos informace mezi jednotlivými komunikačně spojenými komponentami. Může být realizováno bezdrátově, například rozhraní WiFi, LPWAN, BlueTooth, 4G atp., či například spojením komponent pomocí optického, síťového, datového nebo jiného kabelu. Způsob spojení není z hlediska provedení technického řešení omezující. Informací je v kontextu technickéhoThe print input and the control of the print process are then controlled by means of a computer to which the print head 4 is communicatively connected. By communication link is meant a link that allows the transfer of information between individual communication-linked components. It can be implemented wirelessly, for example WiFi, LPWAN, BlueTooth, 4G, etc., or for example by connecting components using an optical, network, data or other cable. The method of connection is not limiting in terms of the implementation of the technical solution. The information is in a technical context

-3 CZ 33807 U1 řešení jakákoliv informace nutná pro provoz zařízení jakožto celku. Jedná se pak zejména o zadání tisku, stav tisku, informace o poloze tiskové hlavy 4, manipulátoru 3 a tištěného tělesa 6, ať už z hlediska jednotlivých poloh těchto komponent, či vztahu poloh komponent mezi sebou. Dále může být přenášenou informací například stav naplnění zásobníků 1, stav zařízení jako takového - např. defekt, přehřívání, jiná vada atp. Pro účely získání této informace může být zařízení opatřeno senzory uzpůsobenými pro sledování daných parametrů. Další informací pak může být zadání výkonu, respektive rychlosti, otáčení motorů 4,1,3, 4,3,6, či spínání jednotlivých topných těles 4,1.1. 4,2,1 a 4,3.1.-3 GB 33807 U1 solution any information necessary for the operation of the device as a whole. These are, in particular, the print input, the print status, information on the position of the print head 4, the manipulator 3 and the printed body 6, either in terms of the individual positions of these components or the relationship between the positions of the components. Furthermore, the transmitted information can be, for example, the state of filling of the containers 1, the state of the device as such - e.g. defect, overheating, other defect, etc. For the purpose of obtaining this information, the device may be provided with sensors adapted to monitor the given parameters. Further information can be the input of power, or speed, rotation of motors 4,1,3, 4,3,6, or switching of individual heaters 4,1.1. 4,2,1 and 4,3.1.

V příkladném provedení technického řešení je provoz zařízení k 3D tisku následující. Ze zásobníku 1Λ plniva, kterým je například křemičitý písek či drcené sklo, je plnivo A transportováno do komory 4,1 šnekového dopravníku prostřednictvím externího plnicího zařízení 2A plniva. V komoře 4,1 šnekového dopravníku je plnivo A mícháno aextrudováno pomocí šnekového dopravníku 4,1,2 a zahříváno na požadovanou teplotu prostřednictvím jednotlivých topných těles 4,1,1 komory šnekového dopravníku. Rychlost extruze plniva A z komory 4,1 šnekového dopravníku do míchací komory 4,2 je řízena šnekovým dopravníkem 4,1.2. jehož rotační pohyb je zajištěn motorem 4,1,3 dopravníku.In an exemplary embodiment of the technical solution, the operation of the 3D printing apparatus is as follows. From the filler container 1, which is, for example, silica sand or crushed glass, the filler A is transported to the chamber 4,1 of the screw conveyor by means of an external filler filling device 2A. In the screw conveyor chamber 4.1, the filler A is mixed and extruded by means of the screw conveyor 4,1,2 and heated to the desired temperature by means of the individual heating elements 4,1,1 of the screw conveyor chamber. The rate of extrusion of filler A from the screw conveyor chamber 4.1 to the mixing chamber 4.2 is controlled by the screw conveyor 4.1.2. whose rotational movement is ensured by the motor 4,1,3 of the conveyor.

Ze zásobníku 1B pojivá, kterým je například polymer na bázi polypropylenových granulí, je pojivo B transportováno do komory 4,1 šnekového dopravníku prostřednictvím externího plnicího zařízení 2B pojivá. Komora 4,1 šnekového dopravníku, do které je přiváděno pojivo B, není přitom ta samá, jako komora 4,1 šnekového dopravníku, do které je přiváděno plnivo A.From the binder container 1B, which is, for example, a polymer based on polypropylene granules, the binder B is transported to the chamber 4.1 of the screw conveyor by means of an external binder filling device 2B. The chamber 4.1 of the screw conveyor into which the binder B is fed is not the same as the chamber 4,1 of the screw conveyor into which the filler A is fed.

V komoře 4,1 šnekového dopravníku je pojivo B mícháno a extrudováno pomocí šnekového dopravníku 4,1,2 a zahříváno prostřednictvím jednotlivých topných těles 4,1,1 komory šnekového dopravníku. Rychlost extruze pojivá B z komory 4,1 šnekového dopravníku do míchací komory 4,2 je řízena šnekovým dopravníkem 4,1.2. jehož rotační pohyb je zajištěn motorem 4,1,3 dopravníku. Dalšími možnými typy pojiv B jsou např.: cementová pasta, jíl, geopolymery, průmyslová plastelína atp.In the screw conveyor chamber 4.1, the binder B is mixed and extruded by means of the screw conveyor 4,1,2 and heated by means of the individual heating elements 4,1,1 of the screw conveyor chamber. The extrusion rate of the binder B from the screw conveyor chamber 4.1 to the mixing chamber 4.2 is controlled by the screw conveyor 4.1.2. whose rotational movement is ensured by the motor 4,1,3 of the conveyor. Other possible types of binders B are, for example: cement paste, clay, geopolymers, industrial plasticine, etc.

Z komor 4,1 šnekového dopravníku jsou pak plnivo A a pojivo B podávány do míchací komory 4,2. V míchací komoře 4,2 dochází ke smíchání plniva A a pojivá B díky pevným lopatkám 4,2,2 a pohyblivým lopatkám 4,2.3. Pohyblivé lopatky 4,2,3 jsou uchycené k extruderu, jehož rotačním pohybem dochází i k rotaci pohyblivých lopatek 4,2.3. Pevné lopatky 4,2,2 jsou umístěny na vnitřní straně míchací komory 4,2 tak, že při rotačním pohybu pohyblivých lopatek 4,2,3 nedochází ke vzájemným kolizím pevných lopatek 4,2,2 a pohyblivých lopatek 4,2,3. V prostoru míchací hlavy 4,2 tedy dochází ke smíchání plniva A a pojivá B v jednu směs. Díky nahřátí prostřednictvím topných těles 4,2,1 míchací komory má výsledná směs vlastnosti vhodné ke zpracování ve šnekovém extruderu. Zejména při vhodné teplotě dochází ke změně vlastností pojivá B, zejména ke zlepšení tvárnosti a dále dochází k lepení zrn plniva A k natavenému pojivu B. Výsledná směs je dále distribuována do komory 4,3 šnekového extruderu, kde prostřednictvím extruderu 4,3,4, který je příkladně proveden jako šnekový extruder, získává vlastnosti vhodné pro 3D tisk a je vytlačována prostřednictvím trysky 4,3.5. Počtem otáček extruderu 4,3,4. který je poháněn hlavním motorem 4,3,6. je pak regulována rychlost extruze výsledné směsi.From the chambers 4.1 of the screw conveyor, the filler A and the binder B are then fed into the mixing chamber 4.2. In the mixing chamber 4.2, the filler A and the binder B are mixed thanks to the fixed vanes 4,2,2 and the movable vanes 4,2.3. The movable blades 4,2,3 are attached to an extruder, the rotational movement of which also results in the rotation of the movable blades 4,2,3. The fixed blades 4,2,2 are arranged on the inside of the mixing chamber 4,2 so that the rotational movement of the movable blades 4,2,3 does not cause mutual collisions of the fixed blades 4,2,2 and the movable blades 4,2,3. Thus, in the space of the mixing head 4.2, the filler A and the binder B are mixed into one mixture. Due to the heating by means of the heating elements 4,2,1 of the mixing chamber, the resulting mixture has properties suitable for processing in a screw extruder. Especially at a suitable temperature, the properties of binder B change, in particular the ductility is improved and the grains of filler A are further adhered to the molten binder B. The resulting mixture is further distributed to the chamber 4,3 of the screw extruder, where by extruder 4,3,4 which is embodied, for example, as a screw extruder, acquires properties suitable for 3D printing and is extruded by means of a nozzle 4,3.5. The number of revolutions of the extruder 4,3,4. which is powered by the main engine 4,3,6. the extrusion rate of the resulting mixture is then controlled.

Příkladně jsou jednotlivé segmenty 4,3,2 tvořící komoru 4,3 šnekového extruderu mezi sebou vzájemně a od míchací komory 4,2 odděleny izolační vrstvou 4,3.3. Stejně tak motor 4,1,3 dopravníku je oddělen izolační vrstvou 4,1,5 od komory 4,1 šnekového dopravníku.For example, the individual segments 4,3,2 forming the chamber 4.3 of the screw extruder are separated from each other and from the mixing chamber 4.2 by an insulating layer 4,3.3. Likewise, the conveyor motor 4,1,3 is separated by an insulating layer 4,1,5 from the chamber 4.1 of the screw conveyor.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Výše popsané technické řešení je možné využít pro 3D tisk konstrukcí na bázi polymemího betonu nebo jiné disperzní směsi, kde je žádoucí optimální nasměrování extrudátu.The technical solution described above can be used for 3D printing of structures based on polymer concrete or other dispersion mixtures, where optimal orientation of the extrudate is desired.

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

A printhead (4) for a 3D printing device, comprising a main motor (4.3.6), a mixing chamber (4.2), a screw extruder chamber (4.3) provided with at least one heating element (4.3.1) and connected to a mixing chamber ( 4.2), an extruder (4.3.4) housed in the chamber (4.3) of the screw extruder and mechanically connected to the main motor (4.3.6), at least two chambers (4.1) of the screw conveyor and a nozzle (4.3.5) attached to the chamber (4.3) of a screw extruder, characterized in that the mixing chamber (4.2) is provided with a stirrer and the chambers (4.1) of the screw conveyor are attached to the mixing chamber (4.2).

The printhead (4) for a 3D printing device according to claim 1, characterized in that the stirrer consists of fixed blades (4.2.2) fixed to the inner circumferential part of the mixing chamber (4.2) and movable blades (4.2.3). attached to the extruder (4.3.4).

The printhead (4) for a 3D printing device according to claim 1, characterized in that the mixing chamber (4.2) is further provided with at least one heating element (4.2.1) of the mixing chamber.

Printhead (4) for a 3D printing device according to any one of the preceding claims, characterized in that the screw conveyor chambers (4.1) comprise a conveyor motor (4.1.3), a screw conveyor (4.1.2) housed in the chamber (4.1). ) of the screw conveyor and mechanically connected to the motor (4.1.3) of the conveyor.

Printhead (4) for a 3D printing device according to any one of the preceding claims, characterized in that the screw conveyor chamber (4.1) is provided with at least one heating element (4.1.1).

Printhead (4) for a 3D printing device according to any one of the preceding claims, characterized in that the screw extruder chamber (4.1) is divided into segments (4.3.2) of the screw extruder chamber, each segment (4.3.2) is fitted with a heating element (4.3.1).

A printhead (4) for a 3D printing device according to any one of the preceding claims, characterized in that it is attached to a manipulator (3), the manipulator (4) being adapted to move in three mutually perpendicular axes and rotate about at least one axis.

Printhead (4) for a 3D printing device according to one of the preceding claims, characterized in that the extruder (4.3.4) is designed as a screw extruder.