ES2911235T3 - Dispositivo de dibujo en tres dimensiones portátil - Google Patents

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ES2911235T3 ES13861105T ES13861105T ES2911235T3 ES 2911235 T3 ES2911235 T3 ES 2911235T3 ES 13861105 T ES13861105 T ES 13861105T ES 13861105 T ES13861105 T ES 13861105T ES 2911235 T3 ES2911235 T3 ES 2911235T3
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Peter Dilworth
Maxwell Bogue
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Abstract

Dispositivo de dibujo tridimensional (3D) que comprende: una carcasa (110) configurada para ser sujetada en la mano de un usuario, teniendo la carcasa un primer extremo y un segundo extremo, en el que el dispositivo comprende un puerto (115) configurado para la introducción de una hebra de carga (20) de alimentación a un volumen (116) interno de la carcasa (110); un motor (152) dispuesto en el interior del volumen (116) interno; un tren (150) de engranajes acoplado de manera operativa con el motor (152) para accionar el tren (150) de engranajes, dispuesto en el interior del volumen (116) interno para recibir la hebra de carga (20) de alimentación, y configurado para mover la hebra de carga (20) de alimentación cuando se acopla con el tren (150) de engranajes; un actuador configurado para causar de manera selectiva que el motor (152) gire en al menos una primera dirección que causa que la carga (20) de alimentación sea extruida desde la boquilla de salida para formar un objeto tridimensional; y un conjunto (130) de boquilla dispuesto en el primer extremo de la carcasa (110) y al menos parcialmente en el interior de la carcasa (110), comprendiendo el conjunto (130) de boquilla una extrusora (132), una boquilla (133A) de salida y un tubo (134) guía, caracterizado porque la extrusora (132) tiene un elemento calentador rodeado por un aislante (131), el tubo (134) guía se extiende entre el tren (150) de engranajes y la extrusora (132), un primer extremo del tubo (134) guía posicionado para recibir la hebra de carga (20) de alimentación desde el tren (150) de engranajes, un segundo extremo del tubo (134) guía alineado con una cámara (135) de la extrusora (132) de manera que la hebra de carga (20) de alimentación sea dirigida desde el tubo (134) guía al interior de la cámara (135), estando la extrusora (132) dispuesta entre el tubo (134) guía y la boquilla (133A) de salida.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de dibujo en tres dimensiones portátil
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica el beneficio y la prioridad respecto de la solicitud de patente provisional US con N° de Serie 61/733.689, presentada el 5 de diciembre de 2012.
Antecedentes
Campo
La presente invención se refiere a una herramienta portátil configurada para extruir un material con el fin de construir objetos tridimensionales (3D) tal como se define en las reivindicaciones.
Descripción de la técnica relacionada
Se conocen impresoras tridimensionales que pueden usarse para producir artículos 3D de todo tipo. Ciertas impresoras funcionan mediante la deposición de capas secuenciales de plástico, mientras que otras funcionan mediante aglomeración o solidificación secuencial de capas de un material precursor. Estas impresoras tienden a ser grandes y costosas y requieren que el diseño se proporcione como un archivo de ordenador, por ejemplo, tal como el generado por un programa de diseño asistido por ordenador (CAD).
La patente US 2010/147465 A1 divulga una extrusora de soldadura manual para soldar materiales termoplásticos mediante una hebra de plástico plastificado que tiene una unidad de tornillo sinfín de plastificación conectada a un motor de accionamiento mediante una caja de engranajes y que tiene un dispositivo de generación de aire caliente.
La patente US 3.665.158 concedida a Froedge divulga un dispositivo de extrusión portátil convencional. Una cámara se llena con un material plástico sólido granulado y, a continuación, se sella con una tapa. El contenido de la cámara se calienta para fundir el plástico y para crear presión en el interior de la cámara. Un conducto conduce desde la cámara a una boquilla giratoria que bloquea el flujo en una primera posición y que permite el flujo en una segunda posición. Un gatillo está fijado a la boquilla de manera que al apretar el gatillo mueva la boquilla a la segunda posición, permitiendo de esta manera que el plástico fundido sea expulsado desde la boquilla debido a la presión en el interior de la cámara. La liberación del gatillo permite que la boquilla vuelva a la primera posición, deteniendo de esta manera el flujo de plástico. No hay ninguna disposición para reponer la materia prima sin apagar el dispositivo ni ningún mecanismo para alimentar mecánicamente el material a la boquilla a una velocidad constante. Además, el sistema de Froedge no proporciona ningún medio para enfriar el material extruido.
El documento JP S63 101887 A divulga una pluma tridimensional que usa arcilla de papel.
El documento US 3285 475 A divulga una extrusora de cemento y el documento US 2003/137077 A1 divulga una extrusora de plástico que se usa para fundir materias primas plásticas o acrílicas.
Sumario
Se desea proporcionar un dispositivo portátil, fácilmente recargable, fiable, para formar artículos 2D y 3D sin necesidad de archivos de diseño por ordenador. La presente divulgación describe un dispositivo portátil que permite a un usuario "dibujar" una estructura 3D con una carga de alimentación que puede ser repuesta durante el uso continuo.
En ciertas realizaciones, se divulga un dispositivo de dibujo en 3D que incluye una carcasa configurada para su manipulación con la mano de un usuario y para aceptar una carga de alimentación, un conjunto de boquilla dispuesto al menos parcialmente en el interior de la carcasa y que tiene una boquilla de salida, un motor dispuesto en el interior de la carcasa, y un tren de engranajes dispuesto en el interior de la carcasa y acoplado entre el motor y la carga de alimentación y configurado de manera que la rotación del motor en al menos una primera dirección cause que la carga de alimentación sea extruida desde la boquilla de salida para formar un objeto tridimensional.
Se divulga un dispositivo de dibujo en 3D que incluye una carcasa configurada para su manipulación con la mano de un usuario y para aceptar una carga de alimentación. La carcasa tiene un volumen interno y al menos un puerto de enfriamiento en comunicación de fluido con el volumen interno. El dispositivo de dibujo en 3D incluye además un conjunto de boquilla dispuesto al menos parcialmente en el interior de la carcasa en las proximidades del al menos un puerto de enfriamiento y que tiene una boquilla de salida, un ventilador dispuesto en el interior de la carcasa y configurado para empujar el aire al volumen interno y a continuación expulsar el aire desde el al menos un puerto de enfriamiento, un motor dispuesto en el interior de la carcasa, y un actuador acoplado a la carcasa. El accionamiento del actuador causa que la carga de alimentación sea extruida desde la boquilla de salida para formar un objeto tridimensional.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, que se incluyen para proporcionar una mayor comprensión y que se incorporan a y que constituyen parte de esta memoria descriptiva, ilustran las realizaciones divulgadas y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de las realizaciones divulgadas. En los dibujos:
La Fig. 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo de dibujo en 3D ejemplar según ciertos aspectos de la presente divulgación.
La Fig. 2 es una vista recortada del dispositivo de la Fig. 1 con una parte de la carcasa eliminada según ciertos aspectos de la presente divulgación.
Las Figs. 3A-3B son vistas en sección transversal y recortada del dispositivo de la Fig. 1 según ciertos aspectos de la presente divulgación.
Las Figs. 4A-4B son vistas en planta y en perspectiva del mecanismo de alimentación según ciertos aspectos de la presente divulgación.
Las Figs. 5A-5B son vistas en perspectiva y recortada de otra realización de un dispositivo de dibujo en 3D según ciertos aspectos de la presente divulgación.
Descripción detallada
La presente invención describe un dispositivo portátil que permite a un usuario "dibujar" una estructura 2D o 3D y recargar o reemplazar fácilmente la carga de alimentación.
La descripción detallada proporcionada a continuación pretende ser una descripción de diversas configuraciones de la tecnología relacionada y no pretende representar las únicas configuraciones en las que puede llevarse a la práctica la tecnología relacionada. Los dibujos adjuntos se incorporan a la presente memoria y constituyen una parte de la descripción detallada. La descripción detallada incluye detalles específicos con el propósito de proporcionar una comprensión completa de la tecnología relacionada. Sin embargo, será evidente para las personas expertas en la técnica que la tecnología relacionada puede ser llevada a la práctica sin estos detalles específicos. En algunos casos, las estructuras y los componentes conocidos se muestran en forma de diagrama de bloques con el fin de evitar dejar poco claros los conceptos de la tecnología relacionada. Los componentes similares se etiquetan con los mismos números de elemento para facilitar la comprensión.
Tal como se usa en la presente divulgación, la frase "carga de alimentación" hace referencia a cualquier material proporcionado en cualquier forma adecuada para su procesamiento en el interior del dispositivo de dibujo en 3D con el fin de proporcionar la corriente de salida deseada. La carga de alimentación puede ser un termoplástico, tal como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), cloruro de polivinilo (PVC) o un ácido poliláctico (PLA), un material termoestable, tal como un epoxi, un metal, tal como estaño o plomo, o una mezcla de metales. La carga de alimentación puede ser un único material o una mezcla de materiales, tal como una barra que tiene partículas de un primer material dispersadas en el interior de una matriz de un segundo material.
La Fig. 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo 100 de dibujo en 3D ejemplar según ciertos aspectos de la presente divulgación. El dispositivo 100 incluye una carcasa 110 en la que están provistos un conjunto 120 de control, un conjunto 130 de boquilla, un conjunto 140 de ventilador. La carcasa 110 puede estar dimensionada y configurada para caber en la mano de un usuario y conformada de manera adecuada para permitir su manipulación como una pluma o un lápiz. Un actuador, por ejemplo, los botones 122 y 124 en esta realización, puede estar posicionado para permitir que el usuario accione cualquiera de los actuadores mientras sostiene el dispositivo 100. En esta realización, el usuario puede accionar uno o ambos botones 122, 124 mientras manipula el dispositivo 100 de dibujo en 3D. En esta realización, el dispositivo 100 está configurado para aceptar una carga 20 de alimentación en forma de una hebra que puede tener 3 mm de diámetro. En ciertas realizaciones, la carga 20 de alimentación puede proporcionarse como una longitud cortada, por ejemplo, de 30 cm de longitud, o como una hebra continua extraída desde un carrete (no mostrado en la Fig. 1). Incluye un portal 18 de entrada, u otro elemento de entrada, tal como una tolva, por ejemplo, a través del cual se proporciona una materia 19 prima a la herramienta 10. La carga 20 de alimentación puede ser un material termoplástico, por ejemplo, un PVC, un ABS, o un PLA, sin embargo, otras realizaciones pueden aceptar otros tipos de material, tal como un plástico termoestable o un metal o una combinación de materiales.
En un ejemplo de uso de una realización del dispositivo 100, el usuario selecciona un tipo y un color particulares de una carga 20 de alimentación termoplástica e introduce la carga 20 de alimentación en el puerto 115 de entrada (véase la Fig. 2) y conecta un cable de alimentación (no mostrado en la Fig. 1) a una fuente de alimentación, tal como una toma eléctrica. En ciertas realizaciones, el dispositivo 100 de dibujo en 3D puede incluir una fuente de alimentación portátil (no mostrada en las Figs. 1 -2), por ejemplo, una batería de polímero de litio, para alimentar el dispositivo 100. Después de un periodo de calentamiento, el usuario puede pulsar el botón 122 mientras dibuja una línea sobre una superficie con el dispositivo 100, por ejemplo, trazando un patrón sobre una hoja impresa, de manera similar a dibujar una línea con un lápiz. Una columna 22 de la carga 20 de alimentación se extruye desde el conjunto de boquilla mientras el botón 122 está pulsado. En ciertas realizaciones, la columna 22 puede tener un diámetro de 0,3 mm. Si el usuario mueve el dispositivo a lo largo de la superficie a aproximadamente la misma velocidad que la velocidad de extrusión de la columna 22, el usuario creará una "línea" tridimensional sólida sobre la superficie. En ciertas realizaciones, la carga 20 de alimentación sale del conjunto 130 de boquilla esencialmente en una forma sólida, de manera que la columna extruida conserve su forma. En ciertas realizaciones, la carga 20 de alimentación recién extruida se adherirá a las columnas 22 extruidas previamente de manera que pueda formarse una estructura trazando una línea sobre una columna 22 extruida previamente.
En ciertas realizaciones, el botón 122 puede causar que la carga 20 de alimentación sea extruida a una primera velocidad, por ejemplo, 2,6 mm/s, mientras que el segundo botón 124 puede causar que la carga 20 de alimentación sea extruida a una segunda velocidad, por ejemplo, 5,0 m/s. En ciertas realizaciones, la primera velocidad puede estar comprendida entre 0,1-10,0 mm/s y la segunda velocidad puede estar comprendida entre 2-50 mm/s. En ciertas realizaciones, las velocidades primera y segunda se seleccionan para proporcionar una velocidad apropiada para el usuario deseado, por ejemplo, un dispositivo 100 destinado a ser usado por un niño puede tener velocidades más bajas que un dispositivo 100 destinado a ser usado por un artista adulto. En ciertas realizaciones, el dispositivo 100 de dibujo en 3D puede incluir un mecanismo de control de velocidad variable (no mostrado en la Fig. 1 -2) para permitir que el usuario ajuste una o más de las velocidades de extrusión. En ciertas realizaciones, el mecanismo de control de velocidad variable puede incluir una perilla. En ciertas realizaciones, la liberación de cualquiera de los botones 122, 124 puede causar que el mecanismo interior arrastre la carga 20 de alimentación hacia atrás en cierta medida, rompiendo de esta manera la columna 22 extruida. De esta manera, el usuario puede "escribir" con el dispositivo 100 de dibujo en 3D prácticamente de la misma manera en la que lo haría con una pluma, excepto que puede hacerlo en tres dimensiones, ya que el material extruido es tridimensional. El usuario puede crear líneas de forma libre, formas u otros objetos, según desee. Un usuario puede usar además plantillas u otras guías con el fin de crear objetos deseados, tales como una escultura, joyería, piezas artísticas, etc. De manera adicional o alternativa, el dispositivo 100 de dibujo en 3D puede usarse para reparar o mejorar objetos y estructuras existentes. En ciertas realizaciones, la pulsación de ambos botones 122, 124 a la vez puede causar otra acción, tal como la expulsión de la parte no usada de la carga 20 de alimentación desde el puerto 115 de entrada, de manera que el usuario pueda cambiar a un color o tipo de carga 20 de alimentación diferente.
La Fig. 2 es una vista recortada del dispositivo 100 de la Fig. 1 con una parte de la carcasa 110 eliminada según ciertos aspectos de la presente divulgación. Puede observarse que un conjunto 126 de circuitos está posicionado debajo de los interruptores 122, 124 y que un mecanismo 150 de alimentación está dispuesto sobre la carcasa 114 inferior, con la carga 20 de alimentación entrando a través del puerto 115 de entrada y pasando sobre y entre los elementos del mecanismo 150 de alimentación, que se describe más detalladamente con respecto a las Figs. 4A-4B. En ciertas realizaciones, el conjunto 126 de circuitos puede incluir un procesador mientras que, en ciertas realizaciones, el conjunto 126 de circuitos puede incluir elementos de circuitos analógicos, tales como interruptores mecánicos, resistencias, condensadores, y otros elementos eléctricos (no visibles en la Fig. 2), tal como conocen las personas expertas en la técnica. En ciertas realizaciones, el conjunto 126 de circuitos puede incluir un circuito de acondicionamiento de energía (no mostrado) que convierte la energía desde la fuente de alimentación a una forma diferente, tal como una corriente continua (CC). En ciertas realizaciones, el conjunto 126 de circuitos puede incluir una fuente de alimentación portátil (no mostrada en la Fig. 2). En ciertas realizaciones, el conjunto 126 de circuitos puede conectarse a una fuente de alimentación externa a través de un cable de alimentación (no mostrado en las Figs. 1 -2). En ciertas realizaciones, el dispositivo 100 de dibujo en 3D incluye también una interfaz 127 de control externa que está conectada al conjunto 126 de circuitos y configurada para aceptar comandos de accionamiento desde un sistema remoto, tal como una máquina de control numérico por ordenador (CNC). En ciertas realizaciones, la carcasa 110 puede estar adaptada para su montaje a una interfaz de herramienta de una máquina CNC de manera que la máquina pueda manipular el dispositivo 100 de dibujo en 3D para crear objetos 3D. Por ejemplo, la interfaz 127 de control externa puede incluir tres pines eléctricos, en el que el pin 1 es un pin común, tal como tierra, el pin 2 está acoplado al botón 122 de manera que la provisión de un voltaje de CC a través del pin 1 y el pin 2 sea equivalente a presionar el botón 122, y el pin 3 que está acoplado al botón 124 de manera que la provisión de un voltaje de CC a través del pin 1 y el pin 3 sea equivalente a presionar el botón 124. En ciertas realizaciones, la interfaz 127 de control externa puede estar configurada para aceptar señales a través de una frecuencia de radio (RF) o un sistema inalámbrico óptico. En ciertas realizaciones, la interfaz 127 de control externa puede estar configurada para aceptar señales a través de un cable de fibra óptica.
Las Figs. 3A-3B son vistas en sección transversal y recortada del dispositivo 100 de la divulgación de la Fig. 1 según ciertos aspectos de la presente invención. La Fig. 3A es una vista lateral de todo el dispositivo 100 de dibujo en 3D, que muestra cómo la carcasa 112 superior y la carcasa 114 inferior juntas forman un volumen 116 interno en el que está situado el mecanismo 150 de alimentación. En el extremo derecho, puede observarse que el conjunto 130 de boquilla incluye una extrusora 132 y un tubo 134 guía, que se describen más detalladamente con respecto a la Fig. 3B. El conjunto 140 de ventilador incluye una cubierta 142 de ventilador, que es estacionaria y que está fijada a la carcasa 112 superior, un impulsor 144 situado debajo de la cubierta 142 y configurado para empujar el aire al interior del volumen 116 interno a través de puertos (no visibles en la Fig. 3A) en la cubierta 142. En este ejemplo, un motor 146 está montado a la carcasa 114 inferior y acciona el impulsor 144 a una velocidad constante. En ciertas realizaciones, el aire que se introduce al volumen interno puede salir a través de los puertos 118 de enfriamiento en las carcasas 112, 114 superior e inferior. Los puertos 118 de enfriamiento se describen más detalladamente con respecto a la Fig. 3B. En la Fig. 3A, puede observarse que, en esta realización, la carga 20 de alimentación sigue una trayectoria recta a través del dispositivo 100.
La Fig. 3B es una vista recortada, en primer plano, del conjunto 130 de boquilla. La extrusora 132 tiene una primera cámara 135 formada como un orificio cilíndrico de aproximadamente el mismo diámetro que la carga 20 de alimentación y un conducto 133 de extrusión de un diámetro más pequeño, que termina en una boquilla 133A de salida. En ciertas realizaciones, la primera cámara 135 puede tener un primer diámetro de 3 mm mientras que el conducto 133 de extrusión tiene un diámetro de 0,3 mm. En ciertas realizaciones, la extrusora 132 está formada en un material térmicamente conductor, por ejemplo, un metal o una cerámica, con un elemento de calentamiento, por ejemplo, un alambre de nicrom, (no visible en la Fig. 3B) enrollado alrededor de la circunferencia exterior. Cuando el dispositivo 100 está conectado a una fuente de alimentación, el elemento de calentamiento eleva la temperatura de la extrusora 132 a una temperatura que puede estar por encima del punto de fusión de la carga 20 de alimentación. En ciertas realizaciones, el conjunto 130 de boquilla incluye un sensor de temperatura que está conectado al conjunto 126 de circuitos que puede incluir un circuito de control de temperatura para regular la energía suministrada al elemento calentador con el fin de mantener la temperatura de la extrusora 132 en el interior de un intervalo deseado de un punto de consigna. Debido a que los sistemas y los métodos de regulación de temperatura son conocidos por las personas expertas en la técnica, no se proporcionarán detalles en el presente documento. En ciertas realizaciones, puede proporcionarse un indicador (no mostrado), por ejemplo, un LED, para indicar que la extrusora 132 ha alcanzado una temperatura suficiente para fundir la carga 20 de alimentación.
En ciertas realizaciones, por ejemplo, con una carga de alimentación que comprende un plástico, la temperatura de la extrusora 132 puede estar comprendida entre 20-500°C. En ciertas realizaciones, por ejemplo, con una carga de alimentación que comprende un metal, la temperatura de la extrusora 132 puede estar comprendida entre 1.000-2.000°C. En ciertas realizaciones, por ejemplo, con una carga de alimentación que comprende un metal, tal como plomo, estaño o mezclas de los mismos, la temperatura de la extrusora 132 puede estar comprendida entre 100-400°C. En ciertas realizaciones, por ejemplo, con una carga de alimentación que comprende un metal, tal como cobre, oro, plata o mezclas de los mismos, la temperatura de la extrusora 132 puede estar comprendida entre 1.000-1.200°C. En ciertas realizaciones, por ejemplo, con una carga de alimentación que comprende un metal, tal como platino, la temperatura de la extrusora 132 puede estar comprendida entre 1.600-2.000°C. En ciertas realizaciones, el dispositivo 100 de dibujo en 3D puede incluir un controlador de temperatura variable (no mostrado) que está conectado al conjunto 126 de circuitos para permitir a un usuario seleccionar una temperatura de punto de consigna para la extrusora 132. En ciertas realizaciones, el controlador de temperatura variable puede permitir al usuario seleccionar un tipo de material, por ejemplo, "termoplástico", y el conjunto 126 de circuitos ajustará la temperatura de consigna de la extrusora 132. En ciertas realizaciones, el controlador de temperatura variable puede incluir una perilla.
Un tubo 134 guía está alineado con la primera cámara 135 de la extrusora 132 de manera que la carga de alimentación que pasa a través del tubo 134 guía entre a la primera cámara 135. En ciertas realizaciones, el tubo 134 guía puede estar formado por un material de baja fricción, tal como politetrafluoroetileno (PTFE), para permitir que la carga 20 de alimentación se deslice fácilmente mientras se minimiza también el espacio entre el tubo 134 guía y la carga 20 de alimentación. La extrusora 132 y el tubo 134 guía se mantienen alineados mediante un tubo 138 de montaje. En ciertas realizaciones, el tubo 138 de montaje está formado en un metal que tiene una conductividad térmica relativamente baja, en comparación con otros metales. En ciertas realizaciones, el tubo 138 de montaje puede ser de acero inoxidable. En ciertas realizaciones, puede aplicarse una película aislante (no visible en la Fig. 3B), por ejemplo, una cinta de poliimida, sobre el elemento de calentamiento y bajo el tubo 138 de montaje.
En ciertas realizaciones, puede proporcionarse un aislante 131 sobre el tubo 138 de montaje para reducir la cantidad de calor transferida desde la extrusora 132 a las carcasas 112, 114 superior e inferior. En ciertas realizaciones, una o ambas carcasas 112, 114 superior e inferior pueden tener puertos 118 de enfriamiento formados a través de las mismas de manera que el aire pueda fluir desde el volumen 116 interno a la atmósfera ambiente. En ciertas realizaciones, los conductos formados en las carcasas 112, 114 superior e inferior que conducen a los puertos 118 de enfriamiento pueden estar dispuestos en ángulo de manera que el aire que emerge desde los puertos 118 de enfriamiento sea dirigido hacia el interior, hacia la punta 137. De esta manera, a medida que el aire sale de los puertos 118 de enfriamiento, el aire pasa por la punta 137 de la extrusora 132, enfriando tanto la punta 137 como la carga 20 de alimentación que acaba de ser extruida desde el conducto 133 de extrusión. Estos dos efectos de enfriamiento sirven para reducir la temperatura de la carga 20 de alimentación a medida que sale del conducto 133 de extrusión de manera que la carga 20 de alimentación pueda estar esencialmente sólida cuando sale del conducto 133 de extrusión. En ciertas realizaciones, la carga 20 de alimentación recién extruida puede ser flexible y moldeable en diversas formas. En ciertas realizaciones, la superficie de la carga 20 de alimentación recién extruida puede ser receptiva a la fijación, por ejemplo, pegajosa, de manera que el material extruido se adherirá a otra carga 20 de alimentación extruida previamente.
En ciertas realizaciones, puede haber un espacio entre el aislante 131 y el tubo 138 de montaje. En ciertas realizaciones, este espacio puede proporcionar una rotura térmica con el fin de proporcionar un aislamiento térmico adicional a las carcasas 112, 114 superior e inferior con relación a la extrusora 132.
A medida que la carga 20 de alimentación es dirigida hacia el conducto 133 de extrusión mediante el mecanismo 150 de alimentación (no mostrado en la Fig. 3B), la parte de la carga 20 de alimentación que está en el interior de la extrusora 132 será calentada por la extrusora 132 de manera que la carga 20 de alimentación en el interior de la primera cámara 135 se ablande o se funda. A medida que la carga 20 de alimentación sólida es forzada hacia adelante, la carga 20 de alimentación ablandada o fundida será expulsada a través del conducto 133 de extrusión y emergerá desde la punta 137, donde el aire de enfriamiento que está fluyendo desde los puertos 118 de enfriamiento fluye sobre esta carga 20 de alimentación recién extruida, enfriando y solidificando de esta manera la carga 20 de alimentación. En ciertas realizaciones, una parte de la extrusora 132 que se extiende hacia el exterior más allá de un plano 102 frontal puede ser enfriada a una temperatura menor que la temperatura de la parte principal de la extrusora 132 por el aire que fluye desde los puertos 118 de enfriamiento. En ciertas realizaciones, la temperatura de la punta 137 puede ser más baja que el punto de fusión de la carga 20 de alimentación.
Las Figs. 4A-4B son vistas en planta y en perspectiva del mecanismo 150 de alimentación según ciertos aspectos de la presente divulgación. La Fig. 4A muestra una serie de pares de engranajes 153, 154, 155, 156, y 157 que son accionados por el motor 152 a través de un engranaje recto (no visible en la Fig. 4A) que está fijado al rotor del motor 152. Cada par de engranajes tiene un engranaje grande y un engranaje pequeño que están fijados entre sí y que giran alrededor de un eje común. El engranaje pequeño del motor 152 acciona el engranaje 153A grande, lo que causa que el engranaje 153B pequeño accione el engranaje 154A grande. En ciertas realizaciones, cada uno de los engranajes 153A, 154A, 155A, 156A, y 157A grandes puede tener 40 dientes mientras que los engranajes 153B, 154B, 155B y 155B (no visibles en la Fig. 4A) y 157B pequeños pueden tener 12 dientes, lo que proporciona una relación de reducción de 40:12 entre cada par de engranajes. En ciertas realizaciones, la reducción desde el motor 152 al engranaje 157B pequeño puede ser 5*(40:12) o de aproximadamente 17:1, es decir, diecisiete vueltas completas del motor 152 causan solo una vuelta completa del engranaje 157B pequeño. En ciertas realizaciones, los pares de engranajes 153, 154, 155, 156, y 157 pueden tener distintos números de dientes en los engranajes grandes y/o pequeños. En ciertas realizaciones, los pares de engranajes 153, 154, 155, 156, y 157 pueden no tener el mismo número de dientes en cada engranaje grande o pequeño correspondiente.
Durante el uso, el uso de un motor 152 para accionar el tren 150 de engranaje reductor para controlar el avance de la carga 20 de alimentación provee un nivel de control mejorado sobre la velocidad de extrusión de la carga 20 de alimentación. Por ejemplo, una pistola de pegamento convencional tiene una vinculación directa entre el gatillo y la barra de pegamento, de manera que la presión sobre el gatillo se transfiera directamente a la barra. La velocidad de avance de la barra de pegamento, y por lo tanto la velocidad de extrusión, depende de la viscosidad del pegamento fundido y por lo tanto varía en un intervalo de matriz. Frecuentemente, esto resulta en una dispensación excesiva de pegamento. Además, debido a que la liberación del gatillo no retrae la barra de pegamento, frecuentemente hay una "cola" de pegamento que sale de la pistola de pegamento cuando la boquilla es separada de la ubicación de dispensación. Por el contrario, el dispositivo 100 de dibujo en 3D divulgado proporciona una velocidad de extrusión constante, por ejemplo 3 mm/s, debido al movimiento controlado proporcionado por el motor 152 y el tren 150 de engranaje. Además, el conjunto 126 de circuitos causa que el motor 152 funcione brevemente en dirección contraria cuando se libera el botón 122, retrayendo de esta manera la carga 20 de alimentación ligeramente y arrastrando la carga 20 de alimentación fundida que está en el interior del conducto 133 de extrusión de vuelta al interior de la extrusora 132, cortando limpiamente de esta manera la columna 22 extruida desde la punta 137.
La Fig. 4B ilustra cómo los dientes del engranaje 157B pequeño final se acoplan con la carga 20 de alimentación. En esta realización, la carga 20 de alimentación pasa por un poste 119 de la carcasa 114 inferior, a continuación, por el engranaje 157B pequeño, y a continuación al interior del tubo 134 guía. En ciertas realizaciones, el engranaje 157B se posiciona de manera que los dientes presionen contra la carga 20 de alimentación, cuyo movimiento lateral lejos de los dientes del engranaje 157B está restringido por el poste 119 y el tubo 134 guía, de manera que la rotación del engranaje 157B aplique una fuerza axial, es decir dirigida a lo largo de la longitud, a la carga 20 de alimentación. La rotación del conjunto 150 de engranajes en una primera dirección causará que la carga 20 de alimentación se mueva linealmente hacia adelante, es decir, hacia la punta 137. Debido a que esta parte de la carga 20 de alimentación no se ve afectada por el calentamiento en el interior de la extrusora 132, la rotación del conjunto 150 de engranajes en una dirección inversa causará que la carga 20 de alimentación se mueva linealmente hacia atrás, es decir, lejos de la punta 137.
A partir de las Figs. 4A y 4B, puede observarse que la rotación del motor 152, que es controlada presionando uno de los botones 122, 124, causa que la carga 20 de alimentación se mueva hacia adelante o hacia atrás. La reducción desde el motor 152 al engranaje 157B pequeño proporciona una velocidad de desplazamiento suave de la carga de alimentación, debido a que el motor 152 puede girar a una velocidad dentro del intervalo de funcionamiento suave normal, mientras que la reducción convierte esta velocidad a una velocidad de movimiento lineal baja de la carga 20 de alimentación.
Las Figs. 5A-5B son vistas en perspectiva y recortada de otra realización 200 de un dispositivo de dibujo en 3D según ciertos aspectos de la presente divulgación. La Fig. 5A ilustra un dispositivo 200 de dibujo en 3D configurado para aceptar una carga de alimentación en la forma de gránulos 25 que se retienen en una tolva 250 fijada al cuerpo 210. Un cable 270 de alimentación está fijado al cuerpo 210. La Fig. 5B es una vista recortada que muestra un tornillo 260 de alimentación que transfiere los gránulos 25 desde la tolva 250 al conjunto 230 de boquilla que funde los gránulos 25 y, bajo la presión proporcionada por el tornillo 260 de alimentación, extruye la carga 25 de alimentación fundida de una manera similar al conjunto 130 de boquilla de la realización 100, descrita anteriormente. En la realización 200, pueden proporcionarse también otras características de la realización 100, tales como los puertos 118 de enfriamiento. En ciertas realizaciones, los gránulos pueden ser transferidos desde la tolva 250 al conjunto 130 de boquilla mediante otros mecanismos, por ejemplo, un cilindro con movimiento de vaivén (no mostrado en las Figs. 5A-5B) tal como conocerán las personas expertas en la técnica. En ciertas realizaciones, la carga de alimentación puede proporcionarse como un líquido, por ejemplo, un epoxi con perlas de catalizador suspendidas en un polímero líquido, que se retiene en la tolva 250. En ciertas realizaciones, el paso de la carga de alimentación líquida a través de un conducto de extrusión, similar al conducto 133 de extrusión de la realización 100, puede modificar la carga de alimentación líquida de manera que se endurezca rápidamente después de la extrusión desde el dispositivo 200 de dibujo en 3D.
Los ejemplos divulgados de un dispositivo de dibujo en 3D ilustran los principios de su construcción y uso. La provisión de un flujo de aire de enfriamiento en la punta para solidificar rápidamente la carga de alimentación extruida permite al usuario trabajar en tres dimensiones, en lugar de tener que apoyarse en una superficie de soporte para mantener el material extruido todavía fluido en su sitio mientras se endurece. El uso de un tren de engranajes mecánico para hacer avanzar la carga de alimentación, en lugar de un suministro a presión o una conexión directa entre un gatillo y una varilla de alimentación, permite un control preciso de la velocidad de extrusión, aumentando de esta manera la uniformidad de la columna de material extruido y permitiendo una colocación precisa sin exceso de material.
La presente solicitud incluye una descripción que se proporciona para permitir que una persona experta en la técnica lleve a la práctica los diversos aspectos descritos en el presente documento. Aunque anteriormente se ha descrito lo que se considera que es el mejor modo y/u otros ejemplos, se entiende que diversas modificaciones a estos aspectos serán evidentes para las personas expertas en la técnica, y los principios genéricos definidos en el presente documento pueden aplicarse a otros aspectos. Se entiende que el orden específico o la jerarquía de las etapas o los bloques en los procedimientos divulgados es una ilustración de enfoques ejemplares. En base a preferencias de diseño, se entiende que el orden específico o la jerarquía de las etapas o los bloques en los procesos pueden reorganizarse. El método adjunto reivindica los presentes elementos de las diversas etapas en un orden ejemplar, y no pretenden estar limitados al orden o a la jerarquía específicos presentados. De esta manera, las reivindicaciones no pretenden estar limitadas a los aspectos mostrados en el presente documento, sino que debe considerarse el alcance completo en concordancia con las reivindicaciones.
Los títulos y subtítulos, si los hay, se usan sólo por comodidad y no limitan la invención.
La referencia a un elemento en singular no pretende significar "uno y solo uno", a menos que se indique específicamente, sino más bien "uno o más". El uso de los artículos "uno" y “una” debe interpretarse como equivalente a la frase "al menos uno". A menos que se indique específicamente lo contrario, los términos "un conjunto" y "algunos" se refieren a uno o más.
Los términos tales como "arriba", "abajo", "superior", "inferior", "izquierda", "derecha", "frontal", "posterior" y similares, tal como se usan en la presente divulgación, deberían entenderse como una referencia a un marco de referencia arbitrario, en lugar de al marco de referencia gravitacional ordinario. De esta manera, una superficie superior, una superficie inferior, una superficie frontal y una superficie posterior pueden extenderse hacia arriba, hacia abajo, diagonalmente u horizontalmente en un marco de referencia gravitacional.
Aunque las relaciones entre los diversos componentes se describen en el presente documento y/o se ilustran como ortogonales o perpendiculares, esos componentes pueden disponerse en otras configuraciones en algunas realizaciones. Por ejemplo, en algunas realizaciones, los ángulos formados entre los componentes referenciados pueden ser mayores o menores de 90 grados.
Aunque diversos componentes se ilustran como planos y/o rectos, en algunas realizaciones, esos componentes pueden tener otras configuraciones, tales como curvas o cónicas, por ejemplo.
Los pronombres en masculino (por ejemplo, del) incluyen el femenino y el neutro de género (por ejemplo, de la y su) y viceversa. Se pretende que todos los equivalentes funcionales y estructurales a los elementos de los diversos aspectos descritos en la presente divulgación que son conocidos o que serán conocidos posteriormente por las personas expertas en la técnica estén incluidos en las reivindicaciones. Además, ninguna divulgación en el presente documento está destinada a ser dedicada al público, independientemente de si dicha divulgación se menciona explícitamente en las reivindicaciones. Ningún elemento de reivindicación debe interpretarse según las disposiciones de 35 U.S.C. §112, sexto párrafo, a menos que el elemento se mencione expresamente usando la frase "medios para" o, en el caso de una reivindicación de método, el elemento se mencione usando la frase "operación para".
Una expresión tal como un "aspecto" no implica que dicho aspecto sea esencial para la tecnología relacionada o que dicho aspecto se aplique a todas las configuraciones de la tecnología relacionada. Una divulgación relacionada con un aspecto puede aplicarse a todas las configuraciones, o a una o más configuraciones. Una expresión tal como un aspecto puede hacer referencia a uno o más aspectos y viceversa. Una expresión, tal como una "realización" no implica que dicha realización sea esencial para la tecnología relacionada o que dicha realización se aplique a todas las configuraciones de la tecnología relacionada. Una divulgación relacionada con una realización puede aplicarse a todas las realizaciones, o a una o más realizaciones. Una expresión tal como una realización puede hacer referencia a una o más realizaciones y viceversa.
El término "ejemplar" se usa en el presente documento con el significado "que sirve como un ejemplo o una ilustración". Cualquier aspecto o diseño descrito en el presente documento como "ejemplar" no debe interpretarse necesariamente como preferido o ventajoso respecto a otros aspectos o diseños.
Se pretende que todos los equivalentes funcionales y estructurales a los elementos de los diversos aspectos descritos en la presente divulgación que son conocidos o que serán conocidos posteriormente por las personas expertas en la técnica estén incluidos en las reivindicaciones. Además, ninguna divulgación en el presente documento está destinada a ser dedicada al público, independientemente de si dicha divulgación se menciona explícitamente en las reivindicaciones. Ningún elemento de reivindicación debe interpretarse según las disposiciones de 35 U.S.C. §112, sexto párrafo, a menos que el elemento se mencione expresamente usando la frase "medios para" o, en el caso de una reivindicación de método, el elemento se mencione usando la frase "etapa para". Además, en la medida en que los términos "incluye", "tiene" o similares se usan en la descripción o en las reivindicaciones, dichos términos pretenden ser inclusivos en una manera similar al término "comprende", como se interpreta “comprende” cuando se emplea como una palabra de transición en una reivindicación.
Aunque las realizaciones de la presente divulgación se han descrito e ilustrado en detalle, debe entenderse claramente que la misma se proporciona solo a modo de ilustración y de ejemplo y no debe considerarse como limitación, estando limitado el alcance de la presente invención solo por los términos de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de dibujo tridimensional (3D) que comprende:
una carcasa (110) configurada para ser sujetada en la mano de un usuario, teniendo la carcasa un primer extremo y un segundo extremo,
en el que el dispositivo comprende
un puerto (115) configurado para la introducción de una hebra de carga (20) de alimentación a un volumen (116) interno de la carcasa (110); un motor (152) dispuesto en el interior del volumen (116) interno;
un tren (150) de engranajes acoplado de manera operativa con el motor (152) para accionar el tren (150) de engranajes, dispuesto en el interior del volumen (116) interno para recibir la hebra de carga (20) de alimentación, y configurado para mover la hebra de carga (20) de alimentación cuando se acopla con el tren (150) de engranajes; un actuador configurado para causar de manera selectiva que el motor (152) gire en al menos una primera dirección que causa que la carga (20) de alimentación sea extruida desde la boquilla de salida para formar un objeto tridimensional; y
un conjunto (130) de boquilla dispuesto en el primer extremo de la carcasa (110) y al menos parcialmente en el interior de la carcasa (110), comprendiendo el conjunto (130) de boquilla una extrusora (132), una boquilla (133A) de salida y un tubo (134) guía,
caracterizado porque la extrusora (132) tiene un elemento calentador rodeado por un aislante (131), el tubo (134) guía se extiende entre el tren (150) de engranajes y la extrusora (132), un primer extremo del tubo (134) guía posicionado para recibir la hebra de carga (20) de alimentación desde el tren (150) de engranajes, un segundo extremo del tubo (134) guía alineado con una cámara (135) de la extrusora (132) de manera que la hebra de carga (20) de alimentación sea dirigida desde el tubo (134) guía al interior de la cámara (135), estando la extrusora (132) dispuesta entre el tubo (134) guía y la boquilla (133A) de salida.
2. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 1, que comprende además un tubo (138) de montaje que tiene un primer extremo y un segundo extremo, y en el que el segundo extremo del tubo (134) guía se extiende al primer extremo del tubo (138) de montaje, y un extremo de la extrusora (132) opuesto a la boquilla (133A) de salida se extiende al segundo extremo del tubo (138) de montaje, sosteniendo el tubo (138) de montaje el segundo extremo del tubo (134) guía en alineación con el extremo de la extrusora (132) opuesto a la boquilla (133A) de salida.
3. Dispositivo de dibujo 3D según la reivindicación 1, en el que el elemento calentador está posicionado adyacente a la boquilla (133A) de salida y configurado para fundir la hebra de carga (20) de alimentación antes de la extrusión a través de la boquilla (133A) de salida.
4. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 1, que comprende además un ventilador configurado para proporcionar un flujo de aire de enfriamiento en la boquilla (133A) de salida.
5. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 4, en el que:
la carcasa (110) comprende un volumen (116) interno y al menos un puerto (118) de enfriamiento en las proximidades de la boquilla (133A) de salida, el puerto (118) de enfriamiento en comunicación de fluido con el volumen (116) interno; y el ventilador está dispuesto en el interior de la carcasa (110) y
configurado para aspirar aire al interior del volumen (116) interno.
6. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 1, en el que la carcasa (110) comprende una carcasa (112) superior y una carcasa (114) inferior, al menos una de entre la carcasa (112) superior y la carcasa (114) inferior comprende un puerto (118) de enfriamiento en las proximidades de la boquilla (133A) de salida.
7. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 6, en el que cada una de las carcasas superior (112) e inferior (114) comprende el puerto (118) de enfriamiento.
8. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 1, en el que dicho actuador comprende botones (122, 124) primero y segundo.
9. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 1, en el que el actuador está configurado para causar de manera selectiva que el motor gire en una segunda dirección que es opuesta a la primera dirección.
10. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 9, en el que el actuador comprende al menos un botón.
11. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 10, en el que el actuador comprende:
un primer botón que causa que el motor (152) gire en la primera dirección a una primera velocidad de manera que la hebra de carga (20) de alimentación sea extruida desde la boquilla (133A) de salida a una primera velocidad; y un segundo botón que causa que el motor (152) gire en la primera dirección a una segunda velocidad de manera que la hebra de carga (20) de alimentación sea extruida desde la boquilla (133A) de salida a una segunda velocidad que es mayor que la primera velocidad,
en el que el accionamiento simultáneo de los botones primero y segundo causa que el motor (152) gire en la segunda dirección.
12. Dispositivo de dibujo en 3D según la reivindicación 1, en el que el tren (150) de engranajes comprende un engranaje final que tiene dientes que se acoplan con la hebra de carga (20) de alimentación de manera que la rotación del engranaje final cause que la hebra de carga (20) de alimentación se mueva linealmente.
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