IT201800006331A1 - Extrusion head for 3D printers. - Google Patents

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Description

Testa di estrusione per stampanti 3D. Extrusion head for 3D printers.

Testa di estrusione per stampanti 3D. Extrusion head for 3D printers.

La presente invenzione si riferisce ad una testa di estrusione per stampanti 3D di tipo FDM. The present invention refers to an extrusion head for 3D printers of the FDM type.

Tale tecnologia di stampa 3D FDM (fused deposition modeling) è una tecnologia in cui un materiale termoplastico riscaldato da una resistenza (ad esempio a temperature di 250°C) viene fatto passare attraverso un ugello, il quale strato dopo strato riesce a dar forma all’oggetto. Attualmente, il materiale è alimentato sotto forma di filamento. This 3D printing technology FDM (fused deposition modeling) is a technology in which a thermoplastic material heated by a resistance (for example at temperatures of 250 ° C) is passed through a nozzle, which layer after layer manages to give shape to the 'object. Currently, the material is fed in the form of a filament.

Nell'ambito di tale stampa 3D con tecnologia FDM, nonostante vari tentativi fatti (vedi domanda di brevetto US2015321419A1), ad oggi non sono ancora note versioni di estrusore a granuli o polvere che siano di fatto utilizzabili in modo affidabile su comuni stampanti 3D FDM progettate per la stampa a filo, sia di piccole sia di grandi dimensioni. As part of this 3D printing with FDM technology, despite various attempts made (see patent application US2015321419A1), to date there are still no known versions of granule or powder extruder that can in fact be used reliably on common FDM 3D printers designed for wire printing, both small and large.

Tra i vantaggi dell'uso di granuli o polvere rispetto al filo si ricordano: a) maggior numero di materiali utilizzabili e disponibili sul mercato, b) maggior portata (intesa come quantità di materiale estruso per unità di tempo), quindi ideale per la stampa di parti medio-grosse, c) minor costo del materiale (si ricorda che i materiali si trovano comunemente in commercio in forma di granuli o polveri/scaglie, mentre il filo necessita di una lavorazione in più) , d) possibilità di colorare il materiale in linea. Among the advantages of using granules or powder over wire are: a) greater number of usable materials available on the market, b) greater flow rate (understood as the quantity of extruded material per unit of time), therefore ideal for printing of medium-large parts, c) lower cost of the material (remember that the materials are commonly found on the market in the form of granules or powders / flakes, while the yarn requires an additional processing), d) possibility of coloring the material on line.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire, nell'ambito della stampa 3D con tecnologia FDM, una testa di estrusione che utilizza materia prima in forma di granulo, polvere, scaglie o altre simili geometrie, ma volendo anche pasta o fluidi molto viscosi (ad esempio argilla, cemento, ecc.) di seguito "estrusore a granulo". La novità consiste nella possibilità di usare l'estrusore su stampanti 3D progettate per stampa da filo con la semplice sostituzione della testa di estrusione a filo con quella a granulo, con gli ovvi benefici che ne conseguono. The purpose of the present invention is to provide, in the field of 3D printing with FDM technology, an extrusion head that uses raw material in the form of granules, powder, flakes or other similar geometries, but also wanting very viscous paste or fluids (e.g. example clay, cement, etc.) hereinafter "granule extruder". The novelty consists in the possibility of using the extruder on 3D printers designed for wire printing by simply replacing the wire extrusion head with the granule one, with the obvious benefits that this entails.

La suddetta sostituzione è possibile non solo da parte del costruttore della stampante, ma anche da parte dell'utilizzatore finale (retrofit). L'estrusore secondo la presente invenzione è compatibile non solo con stampanti di mediagrande dimensione, ma anche con quelle di piccola dimensione (es. con la comune area di stampa 20x20 cm<2>). The aforementioned replacement is possible not only by the printer manufacturer, but also by the end user (retrofit). The extruder according to the present invention is compatible not only with medium-large size printers, but also with small ones (eg with the common printing area 20x20 cm <2>).

Il problema della compatibilità con le stampanti a filo esistenti, anche con quelle di piccola dimensione, viene risolto grazie alle seguenti caratteristiche dell'invenzione: a) dimensioni e peso molto ridotti, b) semplicità costruttiva, di montaggio, di utilizzo e di manutenzione, c) bassi consumi e utilizzo degli stessi componenti delle più comuni stampanti FDM a filo, d) compatibilità con elettronica, software, firmware e logica di funzionamento esistenti. The problem of compatibility with existing wire printers, even with small ones, is solved thanks to the following characteristics of the invention: a) very reduced dimensions and weight, b) simplicity of construction, assembly, use and maintenance, c) low consumption and use of the same components as the most common wire FDM printers, d) compatibility with existing electronics, software, firmware and operating logic.

Dal punto di vista di un utilizzatore della stampante, la logica di funzionamento dell'estrusore a granulo inventato è molto simile a quella di un estrusore a filo, quindi l'estrusore a granulo viene facilmente gestito dall'utilizzatore medio nello stesso modo con cui gestisce le stampanti a filo. From the point of view of a printer user, the operating logic of the invented granule extruder is very similar to that of a wire extruder, therefore the granule extruder is easily managed by the average user in the same way it manages wire printers.

L’estrusore secondo la presente invenzione è di dimensioni e peso ridotto, disegno essenziale ed ottimizzato, semplicità costruttiva, ed utilizza materiali e parti facilmente reperibili sul mercato. Questo ne permette la realizzazione con bassi costi di produzione, consentendone la potenziale diffusione anche nel mercato di massa. Nonostante la semplicità costruttiva e le dimensioni ridotte, grazie al disegno nel suo insieme e ad alcuni dettagli, l'estrusore è sufficientemente flessibile da processare un'ampia gamma di materiali e sufficientemente potente da raggiungere portate ben superiori (anche 10 volte) a quelle raggiungibili con le comuni stampanti a filo. The extruder according to the present invention is of reduced size and weight, an essential and optimized design, construction simplicity, and uses materials and parts that are easily available on the market. This allows its realization with low production costs, allowing its potential diffusion even in the mass market. Despite the simplicity of construction and the small size, thanks to the design as a whole and to some details, the extruder is flexible enough to process a wide range of materials and powerful enough to reach capacities well above (even 10 times) those achievable. with common wire printers.

Un aspetto della presente invenzione riguarda una testa di estrusione per stampanti 3D avente le caratteristiche della allegata rivendicazione 1. An aspect of the present invention relates to an extrusion head for 3D printers having the characteristics of the attached claim 1.

Ulteriori caratteristiche della presente invenzione sono contenute nelle rivendicazioni dipendenti. Further characteristics of the present invention are contained in the dependent claims.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente di una forma di realizzazione dell’invenzione, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati, nei quali: The features and advantages of the present invention will become more evident from the following description of an exemplary and non-limiting embodiment of the invention, referring to the attached schematic drawings, in which:

• la figura 1 illustra in vista laterale la testa di estrusione secondo la presente invenzione; Figure 1 shows a side view of the extrusion head according to the present invention;

• la figura 2 illustra una sezione longitudinale della testa di figura 1. Figure 2 shows a longitudinal section of the head of figure 1.

Con riferimento alle citate figure la testa di estrusione secondo la presente invenzione comprende una struttura esterna 101, una tramoggia di alimentazione 102, atta a contenere il materiale da alimentare all'estrusore e di facilitarne l'immissione in un canale di estrusione 142. Una vite d'estrusione 131 longitudinale è inserita in tale canale, attraversa sostanzialmente tutta la testa e ruota trascinata da un motore 104 tramite un meccanismo di trasmissione 110-111-112. With reference to the aforementioned figures, the extrusion head according to the present invention comprises an external structure 101, a feeding hopper 102, adapted to contain the material to be fed to the extruder and to facilitate its introduction into an extrusion channel 142. A screw of longitudinal extrusion 131 is inserted in this channel, substantially crosses the entire head and rotates driven by a motor 104 through a transmission mechanism 110-111-112.

La parte inferiore della tramoggia 171 ha tipicamente una forma ad imbuto con angolo di inclinazione, lavorazione e finitura superficiale (liscia, rugosa o scanalata) ottimizzati per il tipo di materiale alimentato. The lower part of the hopper 171 typically has a funnel shape with an angle of inclination, processing and surface finish (smooth, rough or grooved) optimized for the type of material fed.

Un cilindro di estrusione 141 è fissato inferiormente alla tramoggia 102 ed alla struttura 101 ad esempio tramite una contro flangia 161. Tale contro flangia e tale parte inferiore della tramoggia fungono anche da primo tratto del canale di estrusione 142 che prosegue poi all’interno del cilindro di estrusione 141. An extrusion cylinder 141 is fixed below the hopper 102 and to the structure 101 for example by means of a counter flange 161. This counter flange and this lower part of the hopper also act as the first section of the extrusion channel 142 which then continues inside the cylinder of extrusion 141.

Altezza, diametro interno, lavorazione e finitura superficiale di tale contro flangia (liscia, rugosa o scanalata) sono ottimizzati per il tipo di materiale alimentato. E' realizzata con diversi tipi di materiali per ottenere la desiderata finitura superficiale, conducibilità termica, coefficiente di attrito, resistenza all'usura, ecc. desiderati. Height, internal diameter, machining and surface finish of this counter flange (smooth, rough or grooved) are optimized for the type of material fed. It is made with different types of materials to obtain the desired surface finish, thermal conductivity, coefficient of friction, wear resistance, etc. desired.

La struttura 101, realizzata in materiale con buona conducibilità termica (es. alluminio), funge sia da struttura portante a cui sono fissati i principali componenti, sia da dissipatore di calore. La dissipazione di calore può essere migliorata con la realizzazione di alettature e/o con l'utilizzo di una o più ventole di raffreddamento o altro mezzo per rimuovere calore. Structure 101, made of material with good thermal conductivity (eg aluminum), acts both as a load-bearing structure to which the main components are fixed, and as a heat sink. Heat dissipation can be improved by making fins and / or by using one or more cooling fans or other means to remove heat.

La testa comprende inoltre un corpo riscaldatore 181 posto nella parte terminale del cilindro di estrusione 141, dotato vantaggiosamente di rivestimento di coibentazione 103. Tale testa termina inferiormente con una filiera 121 che è collegata alla terminazione del canale di estrusione 142. Secondo la presente invenzione la parte inferiore della tramoggia 171 è realizzata tramite un pezzo disgiunto dal resto della tramoggia, per consentirne la semplice sostituzione in funzione del materiale alimentato. Questo consente anche la realizzazione della stessa con diversi tipi di materiali per ottenere la desiderata finitura superficiale, conducibilità termica, coefficiente di attrito, resistenza all'usura, ecc. desiderati. The head also comprises a heating body 181 placed in the end part of the extrusion cylinder 141, advantageously provided with an insulation coating 103. This head ends at the bottom with a die 121 which is connected to the end of the extrusion channel 142. According to the present invention, the the lower part of the hopper 171 is made by means of a piece separated from the rest of the hopper, to allow its simple replacement according to the material fed. This also allows the realization of the same with different types of materials to obtain the desired surface finish, thermal conductivity, coefficient of friction, wear resistance, etc. desired.

Un altro aspetto della presente invenzione riguarda la realizzazione, sulle pareti della tramoggia 102, di fori e/o grate che consentano il raffreddamento ad aria, con l'eventuale ausilio di una o più ventole di raffreddamento, sia del granulo ivi contenuto sia di un primo tratto 135 della vite di estrusione 131, impedendo che il materiale si rammollisca o fonda prima del dovuto impedendo il regolare flusso del materiale stesso lungo il canale di estrusione 142. Another aspect of the present invention relates to the realization, on the walls of the hopper 102, of holes and / or gratings which allow air cooling, with the possible help of one or more cooling fans, both of the granule contained therein and of a first section 135 of the extrusion screw 131, preventing the material from softening or melting prematurely, preventing the regular flow of the material itself along the extrusion channel 142.

La parte inferiore della tramoggia 171, o l'eventuale contro flangia 161 o il primo tratto del cilindro di estrusione 141 possono presentare un foro laterale per l’alimentazione, tramite apposito dosatore, di granelli colorati (o granelli di color masterbatch, cioè granelli contenenti pigmenti concentrati) direttamente all’imbocco del canale di estrusione 142. La possibilità di dosare granelli di colore diverso, in ordine casuale o determinato, con tempistiche casuali o determinate, per la stampa di oggetti multicolore è un aspetto innovativo nell’ambito dell'estrusione da granulo per stampa 3D. The lower part of the hopper 171, or the possible counter flange 161 or the first section of the extrusion cylinder 141 may have a lateral hole for the feeding, by means of a special dispenser, of colored grains (or grains of color masterbatch, i.e. grains containing concentrated pigments) directly at the entrance of the extrusion channel 142. The possibility of dosing grains of different colors, in random or determined order, with random or determined times, for the printing of multicolored objects is an innovative aspect in the field of extrusion from granule for 3D printing.

La vite d'estrusione 131 può avere forme diverse, ma è tipicamente costituita da un tratto liscio 132 e da uno elicoidale 133. In base a criteri ben noti nel mondo dell'estrusione di materiali termoplastici, il tratto elicoidale è normalmente disegnato in funzione del materiale da estrudere ed è tipicamente costituito da un tratto di alimentazione/trasporto, da uno di compressione/fusione e da uno di dosaggio. Tipicamente Il diametro del nocciolo (e quindi la profondità della cava) e/o il passo della vite sono variabili. The extrusion screw 131 can have different shapes, but it is typically made up of a smooth section 132 and a helical section 133. On the basis of well-known criteria in the world of extrusion of thermoplastic materials, the helical section is normally designed according to the material to be extruded and typically consists of a feed / transport section, a compression / melting section and a metering section. Typically, the diameter of the core (and therefore the depth of the slot) and / or the pitch of the screw are variable.

Secondo la presente invenzione la vite d'estrusione 131 ha geometria estremamente semplificata che consente notevoli risparmi nella costruzione della vite o addirittura l'utilizzo, previa opportuna modifica, di comuni e ancor meno costose punte da trapano a trivella. In particolare, la punta da trapano a trivella per legno, detta anche punta per travi di legno, oltre al minor costo offre anche il vantaggio di avere, a parità di diametro esterno, un nocciolo molto più piccolo delle tipiche viti da estrusione e quindi una cava più profonda, che permette l'utilizzo di granuli di maggior dimensione. Questa deviazione/semplificazione rispetto ai canonici criteri di costruzione è quasi sempre consentita grazie alle minori criticità che presenta il processo di estrusione per stampa 3D rispetto a quello per gli altri più comuni utilizzi. According to the present invention, the extrusion screw 131 has an extremely simplified geometry which allows considerable savings in the construction of the screw or even the use, after appropriate modification, of common and even less expensive drill bits. In particular, the drill bit for wood auger, also called bit for wooden beams, in addition to the lower cost also offers the advantage of having, for the same external diameter, a much smaller core than the typical extrusion screws and therefore a deeper cavity, which allows the use of larger granules. This deviation / simplification with respect to the canonical construction criteria is almost always allowed thanks to the fewer criticalities that the extrusion process for 3D printing presents compared to that for the other more common uses.

Tale vite presenta preferibilmente un rapporto lunghezza diametro L/D (lunghezza tratto elicoidale 133 interno del canale di estrusione 142, quindi effettivamente utilizzato per il trasporto e fusione del materiale / diametro) della vite d'estrusione 131 inferiore a 10, tipicamente 6, da cui l'estrema compattezza dell'estrusore. Il rapporto L/D utilizzato si discosta notevolmente dai valori di 20-30 consigliati, necessari e di fatto utilizzati nella stragrande maggioranza degli estrusori a granulo presenti sul mercato. Un rapporto L/D così basso è sufficiente grazie alle minori criticità che presenta il processo di estrusione per stampa 3D. Ha inoltre il grosso beneficio di degradare meno il materiale grazie al minor frizionamento (sforzo di taglio) del materiale e del minor tempo di residenza dello stesso all’interno del canale di estrusione 142. This screw preferably has a length / diameter ratio L / D (length of the helical section 133 inside the extrusion channel 142, therefore effectively used for the transport and melting of the material / diameter) of the extrusion screw 131 of less than 10, typically 6, from which the extreme compactness of the extruder. The L / D ratio used differs considerably from the recommended values of 20-30, necessary and in fact used in the vast majority of granule extruders on the market. Such a low L / D ratio is sufficient thanks to the fewer criticalities that the extrusion process for 3D printing presents. It also has the great benefit of degrading the material less thanks to the lower friction (shear stress) of the material and the shorter residence time of the same inside the extrusion channel 142.

Il cilindro di estrusione 141 comprende un blocco di metallo, tipicamente cilindrico, con una cavità cilindrica (che realizza tale canale di estrusione 142) ed una flangia 149 per il fissaggio alla struttura 101 ad esempio tramite viti o bulloni. La superficie del canale di estrusione 142 può essere liscia, rugosa o scanalata, in tutta la sua lunghezza o solo in uno o più segmenti. The extrusion cylinder 141 comprises a metal block, typically cylindrical, with a cylindrical cavity (which forms this extrusion channel 142) and a flange 149 for fixing to the structure 101, for example by means of screws or bolts. The surface of the extrusion channel 142 can be smooth, rough or grooved, in its entire length or only in one or more segments.

Secondo la presente invenzione il diametro del canale di estrusione 142 è variabile e preferibilmente presenta un primo tratto longitudinale superiore 147 i cui diametri 144A/144B sono più larghi del diametro 143 di un secondo tratto longitudinale inferiore 148. Tale variazione di diametro può anche essere progressiva, cioè il canale di estrusione 142, o un tratto di esso, può avere forma conica. Questo aspetto risolve molti dei problemi relativi al trasporto e alla fusione del materiale. According to the present invention, the diameter of the extrusion channel 142 is variable and preferably has a first upper longitudinal section 147 whose diameters 144A / 144B are wider than the diameter 143 of a second lower longitudinal section 148. This variation in diameter can also be progressive , that is, the extrusion channel 142, or a portion thereof, can have a conical shape. This aspect solves many of the problems related to the transport and melting of the material.

Un altro aspetto innovativo è l'impiego di un materiale con conducibilità termica inferiore a 40 W/(m K) (es. acciaio inox) per la costruzione del cilindro di estrusione 141. Another innovative aspect is the use of a material with a thermal conductivity lower than 40 W / (m K) (e.g. stainless steel) for the construction of the extrusion cylinder 141.

Inoltre, il primo tratto longitudinale 147 ha uno spessore (inteso come differenza tra diametro interno 144A e diametro esterno 146 diviso due) molto ridotto (il minimo possibile compatibile con le proprietà meccaniche richieste, tipicamente 1 mm) più piccolo dello spessore del secondo tratto 148 che corrisponde al tratto soggetto all’azione del corpo riscaldatore 181. Furthermore, the first longitudinal section 147 has a very small thickness (intended as the difference between internal diameter 144A and external diameter 146 divided by two) (the minimum possible compatible with the mechanical properties required, typically 1 mm) smaller than the thickness of the second section 148 which corresponds to the section subject to the action of the heater body 181.

Questo consente di creare un taglio termico tra il tratto riscaldato 148 e la tramoggia di alimentazione 102, necessario per il buon funzionamento dell'estrusore (in particolare per prevenire il rammollimento o la fusione prematura del materiale nella tramoggia 102 o nel primo tratto del canale di estrusione 142). Questo comporta anche l'ulteriore beneficio di una minore dispersione di calore e quindi di un minor consumo energetico, da cui le minori dimensioni, peso e costo di resistenze elettriche 191 del riscaldatore 181. This allows to create a thermal break between the heated section 148 and the feed hopper 102, which is necessary for the good operation of the extruder (in particular to prevent softening or premature melting of the material in the hopper 102 or in the first section of the feeding channel. extrusion 142). This also entails the further benefit of a lower heat dispersion and therefore a lower energy consumption, hence the smaller size, weight and cost of the electrical resistances 191 of the heater 181.

Rispetto ad altre soluzioni adottate (es. utilizzo di un anello di materiale isolante, spesso fragile o con scarsa resistenza alle alte temperature) la soluzione proposta permette di ottenere ottime prestazioni meccaniche e termiche dell'estrusore (che può potenzialmente raggiungere temperature fino a 480 °C), oltre che a ridurne la complessità costruttiva ed il costo. Compared to other solutions adopted (e.g. use of a ring of insulating material, often fragile or with poor resistance to high temperatures), the proposed solution allows to obtain excellent mechanical and thermal performance of the extruder (which can potentially reach temperatures up to 480 ° C), as well as reducing the construction complexity and cost.

Ove il suddetto taglio termico non fosse sufficiente per il buon funzionamento dell'estrusore si può prevedere la realizzazione di alettature lungo il primo tratto 147 (come parti aggiunte o come pezzo unico) ed un raffreddamento ad aria o altro fluido refrigerante, con eventuale controllo della temperatura agendo sulla portata del fluido refrigerante. Si può anche prevedere l'inserimento di un dissipatore 159, posto tra la tramoggia 102 ed il cilindro di estrusione 141. Tale dissipatore può essere realizzato con un materiale con alta conducibilità termica (es. alluminio), con raffreddamento ad aria o altro fluido refrigerante, con eventuale controllo della temperatura agendo sulla portata del fluido refrigerante. Il corpo riscaldatore 181 ha la funzione di riscaldare il cilindro di estrusione 141 per fondere il materiale da estrudere. Nella versione illustrata è costituito da un blocco di metallo, preferibilmente realizzato con un materiale con alta conducibilità termica (es. alluminio), che ospita resistenze elettriche 191, ma può essere costituito da qualsiasi altro elemento atto a fornire energia termica al cilindro di estrusione 141. Le resistenze elettriche 191, di opportuno diametro, lunghezza, voltaggio e potenza sono alloggiate in fori 192. Esse non sono ivi rigidamente fissate né incastrate, bensì semplicemente sospese (trattenute dal loro cavo di alimentazione 198) o bloccate nella potenziale caduta verso il basso da vite/grano 197, con il conseguente beneficio dell'eliminazione delle tensioni (sia nel corpo della resistenza sia nel cavo di alimentazione) dovute al rigido fissaggio, alle dilatazioni termiche e/o al movimento/vibrazione del cavo di alimentazione. Un ulteriore aspetto peculiare dell’invenzione è la possibilità di posizionare le resistenze elettriche 191 a distanza 193 variabile in base al profilo di temperatura che si vuole ottenere lungo il cilindro di estrusione 141. Ne derivano i vantaggi di massima semplicità costruttiva, flessibilità nel configurare l'estrusore per differenti esigenze e la possibilità di modificarlo durante la vita al mutare delle esigenze. If the aforementioned thermal break is not sufficient for the good functioning of the extruder, it is possible to provide for the creation of fins along the first section 147 (as added parts or as a single piece) and a cooling by air or other refrigerant fluid, with possible control of the temperature by acting on the flow rate of the refrigerant fluid. It is also possible to provide for the insertion of a dissipator 159, placed between the hopper 102 and the extrusion cylinder 141. This dissipator can be made of a material with high thermal conductivity (eg aluminum), with air cooling or other refrigerant fluid. , with possible temperature control by acting on the flow rate of the refrigerant fluid. The heating body 181 has the function of heating the extrusion cylinder 141 to melt the material to be extruded. In the illustrated version it consists of a metal block, preferably made of a material with high thermal conductivity (e.g. aluminum), which houses electrical resistances 191, but can be made up of any other element capable of supplying thermal energy to the extrusion cylinder 141 . The electric resistors 191, of suitable diameter, length, voltage and power, are housed in holes 192. They are not rigidly fixed or stuck there, but simply suspended (held by their power cable 198) or blocked in the potential downward fall. screw / grain 197, with the consequent benefit of eliminating the tensions (both in the resistor body and in the power cable) due to rigid fixing, thermal expansion and / or movement / vibration of the power cable. A further peculiar aspect of the invention is the possibility of positioning the electrical resistances 191 at a variable distance 193 according to the temperature profile to be obtained along the extrusion cylinder 141. This results in the advantages of maximum constructive simplicity, flexibility in configuring the extruder for different needs and the possibility of modifying it during life as needs change.

Inoltre, il cilindro di estrusione 141 ed il corpo riscaldatore 181 possono essere realizzati in un corpo unico, realizzato con un materiale con conducibilità termica inferiore a 40 W/(m K) (es. acciaio inox). I vantaggi di questa soluzione sono la possibilità di avere le resistenze elettriche 191 il più vicino possibile al canale di estrusione 142, da cui riscaldamento più efficace ed efficiente, nonché miglior controllo della temperatura del cilindro di estrusione 141. Furthermore, the extrusion cylinder 141 and the heating body 181 can be made in a single body, made of a material with a thermal conductivity lower than 40 W / (m K) (eg stainless steel). The advantages of this solution are the possibility of having the electrical resistances 191 as close as possible to the extrusion channel 142, hence more effective and efficient heating, as well as better control of the temperature of the extrusion cylinder 141.

Nella versione illustrata il corpo riscaldatore prevede uno o più fori 195 a diversa distanza 196 per l'alloggiamento di almeno un sensore di temperatura utilizzato per il controllo della temperatura del cilindro di estrusione 141. In the illustrated version, the heater body has one or more holes 195 at different distances 196 for housing at least one temperature sensor used to control the temperature of the extrusion cylinder 141.

La coibentazione 103 serve a limitare le dispersioni di calore, col beneficio di un minor consumo energetico, da cui le minori dimensioni, peso e costo delle resistenze elettriche 191 o altro elemento riscaldatore. Dalla coibentazione 103 trae benefici anche il controllo della temperatura del cilindro di estrusione 141, che non risente degli eventuali disturbi esterni (sbalzi della temperatura ambiente, correnti d'aria, ecc.). The insulation 103 serves to limit heat losses, with the benefit of lower energy consumption, hence the smaller size, weight and cost of the electric resistances 191 or other heating element. The temperature control of the extrusion cylinder 141 also benefits from the insulation 103, which is not affected by any external disturbances (changes in ambient temperature, air currents, etc.).

La filiera 121 ha la funzione di convogliare, tramite un suo canale interno 122 ed un ugello 125, il materiale fuso verso l'uscita dell'estrusore e di permetterne il deposito sul piano di stampa per la realizzazione di pezzi tridimensionali. The spinneret 121 has the function of conveying, through its internal channel 122 and a nozzle 125, the molten material towards the extruder outlet and of allowing it to be deposited on the printing surface for the production of three-dimensional pieces.

Nella versione illustrata la filiera 121 è filettata come maschio e può essere facilmente svitata e rimossa per consentirne la pulizia/manutenzione o la sostituzione con una di diverse caratteristiche, oppure per spurgare/pulire il canale di estrusione 142. Anche il progettista/costruttore trae vantaggio da questa soluzione, che gli permette di modificare facilmente le caratteristiche dell'ultimo tratto dell'estrusore sostituendo semplicemente la filiera 121, senza dover modificare il cilindro di estrusione 141. In the illustrated version, the die 121 is threaded as a male and can be easily unscrewed and removed to allow cleaning / maintenance or replacement with one of different characteristics, or to purge / clean the extrusion channel 142. The designer / builder also benefits from this solution, which allows him to easily modify the characteristics of the last section of the extruder by simply replacing the die 121, without having to modify the extrusion cylinder 141.

Una volta rimossa la filiera 121, il materiale fuso è libero di fluire fuori dal canale di estrusione 142, unica restrizione essendo l'alloggio della filiera 121, tipicamente di diametro superiore a 5 mm. Il vantaggio che ne deriva è la facilità con cui l'utilizzatore può spurgare il materiale fuso fuori dal canale di estrusione 142. Once the spinneret 121 has been removed, the molten material is free to flow out of the extrusion channel 142, the only restriction being the housing of the spinneret 121, typically with a diameter greater than 5 mm. The resulting advantage is the ease with which the user can purge the molten material out of the extrusion channel 142.

Il motore 104 serve a impartire il moto di rotazione alla vite 131, tramite un meccanismo di trasmissione e riduzione 110-111-112 a ingranaggi o pulegge. Il motore è a velocità variabile, controllato elettronicamente, tipicamente del tipo passo-passo, per consentire la sincronizzazione del moto di rotazione della vite con quello del movimento della testa di estrusione lungo gli assi X, Y e Z durante il processo di stampa 3D. Il rapporto di riduzione può essere facilmente modificato in base alle esigenze, anche da parte dell'utilizzatore finale, sostituendo ingranaggi o pulegge con altri di dimensioni diverse. The motor 104 serves to impart the rotational motion to the screw 131, by means of a transmission and reduction mechanism 110-111-112 with gears or pulleys. The motor is at variable speed, electronically controlled, typically of the step-by-step type, to allow synchronization of the rotation motion of the screw with that of the movement of the extrusion head along the X, Y and Z axes during the 3D printing process. The reduction ratio can be easily modified according to the needs, even by the end user, by replacing gears or pulleys with others of different sizes.

Durante il funzionamento dell'estrusore si genera una forza che spinge la vite 131 verso l'alto, con la tendenza della stessa di fuoriuscire dal cilindro di estrusione 141 ove è alloggiata. E' quindi necessario prevedere un reggispinta o altro sistema per impedire questo movimento verso l'alto. Nella versione illustrata la vite 131 è bloccata da un sistema reggispinta comprendente anello 151 vite/grano 152 scanalatura 153 cuscinetto reggispinta 155. L'aspetto innovativo di questo sistema di bloccaggio è l'estrema semplicità costruttiva e di montaggio dello stesso, oltre alla facilità con cui l'utilizzatore finale può smontare la vite 131 per pulizia (quando si intasa o si cambia materiale), manutenzione o sostituzione. Il facile smontaggio della vite 131 è consentito anche dal fatto che il motore 104 è posto a lato della vite 131, e non al di sopra della stessa. During the operation of the extruder a force is generated which pushes the screw 131 upwards, with the tendency of the same to come out of the extrusion cylinder 141 where it is housed. It is therefore necessary to provide a thrust bearing or other system to prevent this upward movement. In the illustrated version, the screw 131 is locked by a thrust system comprising ring 151 screw / nut 152 groove 153 thrust bearing 155. The innovative aspect of this locking system is the extreme simplicity of construction and assembly of the same, as well as the ease with which the end user can disassemble the screw 131 for cleaning (when it becomes clogged or material is changed), maintenance or replacement. The easy disassembly of the screw 131 is also allowed by the fact that the motor 104 is placed beside the screw 131, and not above it.

Altro aspetto innovativo del suddetto sistema di bloccaggio è la possibilità di effettuare più scanalature 153 a diversa altezza, con lo scopo di poter facilmente posizionare la vite di estrusione 131 a diverse altezze (cioè in posizione più o meno arretrata rispetto alla filiera 121). Questo a sua volta permette di ottenere diversi tempi di residenza, gradi di miscelazione, ecc. del materiale fuso all’interno del cilindro di estrusione 141. Another innovative aspect of the aforesaid locking system is the possibility of making several grooves 153 at different heights, with the aim of being able to easily position the extrusion screw 131 at different heights (i.e. in a more or less backward position with respect to the die 121). This in turn makes it possible to obtain different residence times, degrees of mixing, etc. of the molten material inside the extrusion cylinder 141.

Claims (5)

Nel processo di estrusione il materiale viene portato a fusione tramite apporto sia di energia meccanica (tramite la vite 131 e quindi frizionamento e compressione del materiale) sia di energia termica (tramite resistenze elettriche o altro sistema per riscaldare il cilindro di estrusione 141). Un aspetto innovativo dell'invenzione è il rapporto estremamente basso fra energia meccanica e termica fornite per il trasporto e fusione del materiale da estrudere, in modo tale da avere un apporto di energia meccanica molto basso, col vantaggio di poter usare un motore piccolo e leggero. Il rapporto fra energia meccanica e termica utilizzato si discosta notevolmente dai valori consigliati, necessari e di fatto utilizzati nella stragrande maggioranza degli estrusori a granulo presenti sul mercato. Un rapporto basso è sufficiente nel nostro caso grazie ad alcuni accorgimenti nel disegno della vite 131 e grazie al diametro variabile del canale di estrusione 142, oltre che alle minori criticità che presenta il processo di estrusione per stampa 3D. Inoltre, è consentita la possibilità di dosare granelli di colore diverso, in ordine casuale o determinato, con tempistiche casuali o determinate, per la stampa di oggetti multicolore. Questo per mezzo di tale dosatore che immette i coloranti in appositi fori laterali realizzati nella parte inferiore della tramoggia 171, o nell'eventuale contro flangia 161 o nel primo tratto del cilindro di estrusione 141. RIVENDICAZIONI 1. Testa di estrusione per stampanti 3D comprendente • una struttura esterna (101), • una tramoggia di alimentazione (102), atta a contenere il materiale da alimentare all'estrusore e di facilitarne l'immissione in un canale di estrusione (142), • una vite d'estrusione (131) longitudinale inserita in tale canale che attraversa sostanzialmente tutta la testa e ruota trascinata da un motore (104) tramite un meccanismo di trasmissione (110-111-112), • la parte inferiore della tramoggia (171) essendo sostanzialmente a forma di imbuto, • un cilindro di estrusione (141) fissato inferiormente alla tramoggia ed alla struttura (101) al cui interno prosegue il canale di estrusione (142), • un corpo riscaldatore (181) posto nella parte terminale del cilindro di estrusione (141), • una filiera (121) collegata alla terminazione del canale di estrusione (142), caratterizzato dal fatto che il diametro del canale di estrusione (142), ove tale canale include anche la contro flangia (161) e la parte inferiore della tramoggia (171), è variabile e presenta un primo tratto longitudinale superiore (147) il cui diametro o diametri (144A/144B) sono più larghi del diametro (143) di un secondo tratto longitudinale inferiore (148). In the extrusion process, the material is brought to fusion by adding both mechanical energy (through the screw 131 and therefore friction and compression of the material) and thermal energy (through electrical resistances or other system to heat the extrusion cylinder 141). An innovative aspect of the invention is the extremely low ratio between mechanical and thermal energy provided for the transport and melting of the material to be extruded, in such a way as to have a very low mechanical energy input, with the advantage of being able to use a small and light motor. . The ratio between mechanical and thermal energy used differs considerably from the recommended values, necessary and in fact used in the vast majority of granule extruders on the market. A low ratio is sufficient in our case thanks to some precautions in the design of the screw 131 and thanks to the variable diameter of the extrusion channel 142, as well as to the minor criticalities that the extrusion process for 3D printing presents. Furthermore, it is possible to dose grains of different colors, in random or determined order, with random or determined times, for printing multicolored objects. This is done by means of this dispenser which introduces the dyes into suitable lateral holes made in the lower part of the hopper 171, or in the possible counter flange 161 or in the first section of the extrusion cylinder 141. CLAIMS 1. Extrusion head for 3D printers comprising • an external structure (101), • a feed hopper (102), designed to contain the material to be fed to the extruder and to facilitate its introduction into an extrusion channel (142), • a longitudinal extrusion screw (131) inserted in this channel which substantially crosses the entire head and rotates driven by a motor (104) through a transmission mechanism (110-111-112), • the lower part of the hopper (171) being substantially funnel-shaped, • an extrusion cylinder (141) fixed below the hopper and to the structure (101) inside which the extrusion channel (142) continues, • a heating body (181) placed in the terminal part of the extrusion cylinder (141), • a spinneret (121) connected to the termination of the extrusion channel (142), characterized in that the diameter of the extrusion channel (142), where this channel also includes the counter flange (161) and the lower part of the hopper (171), is variable and has a first upper longitudinal section (147) whose diameter or diameters (144A / 144B) are larger than the diameter (143) of a second lower longitudinal section (148). 2. Testa secondo la rivendicazione 1, in cui tale variazione di diametro è progressiva. 2. Head according to claim 1, in which said variation in diameter is progressive. 3. Testa secondo la rivendicazione 2, in cui almeno un un tratto di tale canale (142) ha forma conica. 3. Head according to claim 2, wherein at least a portion of said channel (142) has a conical shape. 4. Testa secondo la rivendicazione 1, in cui il primo tratto longitudinale (147) ha uno spessore più piccolo dello spessore del secondo tratto (148) che corrisponde al tratto soggetto all’azione del corpo riscaldatore (181). 4. Head according to claim 1, in which the first longitudinal section (147) has a thickness smaller than the thickness of the second section (148) which corresponds to the section subject to the action of the heater body (181). 5. Testa secondo la rivendicazione 1, in cui la parte inferiore della tramoggia (171) è separata dal corpo della tramoggia (102). Head according to claim 1, wherein the lower part of the hopper (171) is separated from the hopper body (102).
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