IT201800010225A1 - Improved equipment and method for 3D printing articles with high mechanical and aesthetic characteristics. - Google Patents

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IT201800010225A1
IT201800010225A1 IT102018000010225A IT201800010225A IT201800010225A1 IT 201800010225 A1 IT201800010225 A1 IT 201800010225A1 IT 102018000010225 A IT102018000010225 A IT 102018000010225A IT 201800010225 A IT201800010225 A IT 201800010225A IT 201800010225 A1 IT201800010225 A1 IT 201800010225A1
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IT
Italy
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thermoplastic resin
resin
reinforcing element
print head
nozzle
Prior art date
Application number
IT102018000010225A
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Italian (it)
Inventor
Jacopo Gervasini
Paolo Cassis
Giovanni Avallone
Nicolò Bordoli
Original Assignee
Caracol S R L
INVENTIO di Nicolò Bordoli
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Description

APPARECCHIATURA E METODO PERFEZIONATI PER LA STAMPA 3D DI PERFECTED EQUIPMENT AND METHOD FOR 3D PRINTING OF

ARTICOLI AVENTI ELEVATE CARATTERISTICHE MECCANICHE ED ESTETICHE ARTICLES WITH HIGH MECHANICAL AND AESTHETIC CHARACTERISTICS

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione concerne un’apparecchiatura ed un metodo perfezionati per la stampa 3D di articoli aventi elevate caratteristiche meccaniche ed estetiche. The present invention relates to an improved equipment and method for the 3D printing of articles with high mechanical and aesthetic characteristics.

Background Background

L’invenzione riguarda il settore della manifattura additiva, o più semplicemente della stampa 3D. Per stampa 3D si intende la fabbricazione di oggetti tridimensionali mediante un processo di manifattura additiva partendo da un modello 3D digitale, realizzato tramite un sistema di modellazione CAD. The invention concerns the field of additive manufacturing, or more simply of 3D printing. 3D printing refers to the manufacture of three-dimensional objects through an additive manufacturing process starting from a digital 3D model, created using a CAD modeling system.

Dopo avere prodotto un modello 3D, come è noto nel ramo, il relativo file viene sottoposto ad un processo di elaborazione tramite particolari programmi di software che eseguono il così detto “slicing” della geometria, cioè estrapolano una sequenza di sezioni trasversali del modello stesso che costituiscono gli strati che andranno a comporre l’oggetto. After having produced a 3D model, as is known in the branch, the related file is subjected to a processing process using particular software programs that perform the so-called "slicing" of the geometry, i.e. extrapolate a sequence of cross sections of the model itself that constitute the layers that will compose the object.

Esistono diverse tecnologie per la stampa 3D, che si differenziano principalmente per il modo in cui sono stampati gli strati. There are several technologies for 3D printing, which differ mainly in the way the layers are printed.

La presente invenzione riguarda in particolare il metodo noto come FDM® (Fused Deposition Modeling, un marchio registrato da Stratasys Ltd), o anche come FFF (Fused Filament Fabrication), che si basa sull’utilizzo di una testa di estrusione provvista di un ugello dal quale fuoriesce un polimero fuso che viene depositato a strati, secondo un modello 3D prestabilito, al fine di fabbricare l’articolo avente la forma desiderata. Il raffreddamento del polimero dà luogo alla formazione dell’oggetto solido di forma desiderata. The present invention relates in particular to the method known as FDM® (Fused Deposition Modeling, a trademark registered by Stratasys Ltd), or also as FFF (Fused Filament Fabrication), which is based on the use of an extrusion head equipped with a nozzle from which a molten polymer emerges which is deposited in layers, according to a predetermined 3D model, in order to manufacture the article having the desired shape. The cooling of the polymer gives rise to the formation of the solid object of the desired shape.

Solitamente la stampa 3D è associata a sistemi di movimento a 3 assi, nei quali il materiale estruso dall’ugello può essere depositato in maniera complanare al piano di lavoro della stampante. Usually 3D printing is associated with 3-axis motion systems, in which the material extruded from the nozzle can be deposited coplanar with the printer work surface.

Sono noti sistemi di stampa 3D che utilizzano teste di estrusione alimentate o con un filo continuo o con granuli di polimero che viene fuso e depositato tramite un ugello su un piano di appoggio sul quale viene formato l’oggetto da stampare. Tali sistemi noti utilizzano teste di estrusione provviste di un ugello a sezione circolare, che quindi non necessitano di un particolare orientamento nello spazio durante la deposizione del materiale fuso. Tuttavia, la formazione di articoli mediante deposizione di un getto fuso di sezione circolare presenta alcuni svantaggi in quanto la superficie di contatto tra gli strati sovrapposti è ridotta, quindi le proprietà meccaniche ed estetiche non sono ottimali. 3D printing systems are known that use extrusion heads fed either with a continuous thread or with polymer granules that are melted and deposited through a nozzle on a support surface on which the object to be printed is formed. Such known systems use extrusion heads provided with a circular section nozzle, which therefore do not require a particular orientation in space during the deposition of the molten material. However, the formation of articles by depositing a molten jet of circular section has some disadvantages in that the contact surface between the superimposed layers is reduced, therefore the mechanical and aesthetic properties are not optimal.

Inoltre, i sistemi noti non prevedono la possibilità di utilizzare elementi di rinforzo quali fibre o filamenti continui, in modo da ottenere un articolo composito, cioè comprendente il polimero che viene estruso ed un materiale di rinforzo costituito da fibre o filamenti continui che aderiscono, o sono integrati, al polimero stesso. Furthermore, the known systems do not provide for the possibility of using reinforcing elements such as continuous fibers or filaments, so as to obtain a composite article, i.e. comprising the polymer that is extruded and a reinforcing material consisting of continuous fibers or filaments which adhere, or they are integrated into the polymer itself.

Infine, i sistemi noti sono realizzati per stampanti a 3 assi di grosse dimensioni, difficilmente adattabili a sistemi di movimento a 6 assi, non consentendo quindi un buon controllo interfacciato con robot industriali antropomorfi, e non consentendo la realizzazione di oggetti di forme particolari. Tali sistemi noti non sono quindi in grado di rispondere alle necessità di un mercato professionale sempre più esigente in termini qualità e resistenza del prodotto stampato. Finally, the known systems are made for 3-axis printers of large dimensions, which are difficult to adapt to 6-axis movement systems, thus not allowing good control interfaced with anthropomorphic industrial robots, and not allowing the creation of objects with particular shapes. Such known systems are therefore unable to meet the needs of an increasingly demanding professional market in terms of quality and resistance of the printed product.

WO 2017/085649 A1 descrive un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa 3D di materiali compositi a base di fibra. L’apparecchiatura ed il metodo descritti si basano sull’impregnazione di una fibra continua con un liquido costituito da una resina polimerizzabile, ad esempio una resina termoindurente, e la sua successiva alimentazione ad una testa di alimentazione provvista di un ugello dimensionato in funzione della sezione della fibra, per evitare che la resina in eccesso possa colare dall’ugello. La resina viene poi polimerizzata e deposta sul piano di appoggio sul quale viene formato l’oggetto da stampare. La trazione della fibra è determinata dal punto iniziale di ancoraggio fisico sul piano di appoggio e dall’accelerazione data dal sistema di movimento per stendere la fibra, la quale semplicemente scorre da un rocchetto attraverso un sistema di impregnazione di resina fino alla testa di alimentazione e all’ugello. La quantità di resina utilizzabile è poca, essendo determinata dalla capacita di impregnazione della fibra stessa, per cui l’oggetto stampato ha un rapporto ponderale resina/fibra relativamente basso. A causa della limitata quantità di resina utilizzabile e dalla scarsa disponibilità di resine termoindurenti rispetto a tutti i possibili compositi termoplastici, il metodo ha ridotte possibilità di applicazione, potendosi fabbricare solo prodotti vincolati ad elevatissima rigidità, con materiali trasparenti o semitrasparenti. In questo contesto, il compito tecnico della presente invenzione è di rendere disponibile un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa tridimensionale di articoli che eliminino o riducano gli inconvenienti dei sistemi noti. WO 2017/085649 A1 describes an equipment and a method for 3D printing of fiber-based composite materials. The apparatus and method described are based on the impregnation of a continuous fiber with a liquid consisting of a polymerizable resin, for example a thermosetting resin, and its subsequent feeding to a feeding head equipped with a nozzle sized according to the section. of the fiber, to prevent excess resin from dripping from the nozzle. The resin is then polymerized and placed on the support surface on which the object to be printed is formed. The traction of the fiber is determined by the initial point of physical anchoring on the support surface and by the acceleration given by the movement system to spread the fiber, which simply flows from a spool through a resin impregnation system up to the feeding head and to the nozzle. The amount of usable resin is low, being determined by the impregnation capacity of the fiber itself, so the molded object has a relatively low resin / fiber weight ratio. Due to the limited quantity of usable resin and the scarce availability of thermosetting resins compared to all possible thermoplastic composites, the method has limited application possibilities, being able to manufacture only bonded products with very high rigidity, with transparent or semitransparent materials. In this context, the technical task of the present invention is to make available an apparatus and a method for the three-dimensional printing of articles that eliminate or reduce the drawbacks of known systems.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è di provvedere un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa tridimensionale di articoli di elevate qualità meccaniche ed estetiche. Un altro scopo della presente invenzione è di provvedere un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa tridimensionale di articoli di elevate qualità meccaniche ed estetiche comprendenti una o più resine termoplastiche rinforzate con fibre o filamenti continui, quindi di articoli compositi. In particular, an object of the present invention is to provide an apparatus and a method for the three-dimensional printing of articles of high mechanical and aesthetic qualities. Another purpose of the present invention is to provide an apparatus and a method for the three-dimensional printing of articles of high mechanical and aesthetic quality comprising one or more thermoplastic resins reinforced with continuous fibers or filaments, therefore of composite articles.

Un ulteriore altro scopo della presente invenzione è di provvedere un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa tridimensionale che possano essere applicati a sistemi di movimentazione aventi più di 3 gradi di libertà di movimento, ad esempio che possano essere interfacciati con robot industriali antropomorfi a 6 assi, e consentendo quindi la realizzazione di oggetti di forme particolari e anche di grandi dimensioni. A further object of the present invention is to provide an apparatus and a method for three-dimensional printing that can be applied to handling systems having more than 3 degrees of freedom of movement, for example that can be interfaced with anthropomorphic industrial robots with 6 axes, and thus allowing the creation of objects with particular shapes and even large dimensions.

Riassunto dell’invenzione Summary of the invention

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di articoli in resina termoplastica, comprendente una testa di stampa associata a mezzi di movimentazione secondo almeno 3 assi, in cui detta testa di stampa comprende una camera di fusione provvista di mezzi di riscaldamento per detta resina termoplastica, mezzi alimentazione di detta resina termoplastica a detta camera di fusione ed un ugello, caratterizzata dal fatto che detto ugello comprende un foro di uscita di sezione poligonale per detta resina termoplastica fusa. The aforesaid and other purposes and advantages of the invention, as will emerge from the following description, are achieved with an apparatus for the three-dimensional printing of articles in thermoplastic resin, comprising a print head associated with means for moving along at least 3 axes, in said printing head comprises a melting chamber provided with heating means for said thermoplastic resin, feeding means of said thermoplastic resin to said melting chamber and a nozzle, characterized in that said nozzle comprises an outlet hole with a polygonal section for called fused thermoplastic resin.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione detta testa di stampa di detta apparecchiatura per la stampa tridimensionale è montata all’interno di un cuscinetto a sfera che è associato a detti mezzi di movimentazione secondo almeno 3 assi. According to another aspect of the invention, said print head of said three-dimensional printing equipment is mounted inside a ball bearing which is associated with said handling means according to at least 3 axes.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione detta apparecchiatura per la stampa tridimensionale comprendente la testa di stampa montata all’interno di un cuscinetto a sfera è adattata per la stampa di articoli compositi comprendenti una o più resine termoplastiche ed un elemento continuo di rinforzo. According to another aspect of the invention, said apparatus for three-dimensional printing comprising the print head mounted inside a ball bearing is adapted for printing composite articles comprising one or more thermoplastic resins and a continuous reinforcing element.

In tal caso l’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di articoli compositi con elemento continuo di rinforzo comprende una testa di stampa associata a mezzi di movimentazione secondo almeno 3 assi, e mezzi di alimentazione di detto elemento continuo di rinforzo a detta testa di stampa, caratterizzata dal fatto che detta testa di stampa è montata all’interno di un cuscinetto a sfera e comprende un estrusore per una resina termoplastica, mezzi alimentazione di detta resina termoplastica a detto estrusore e mezzi di guida di detto elemento continuo di rinforzo, in cui: In this case, the apparatus for the three-dimensional printing of composite articles with a continuous reinforcing element comprises a printing head associated with handling means along at least 3 axes, and means for feeding said continuous reinforcing element to said printing head, characterized in that said print head is mounted inside a ball bearing and comprises an extruder for a thermoplastic resin, means for feeding said thermoplastic resin to said extruder and means for guiding said continuous reinforcing element, in which:

- detto estrusore comprende una camera di fusione, nella quale è montata una vite girevole intorno al proprio asse longitudinale e all’asse longitudinale dell’estrusore, mezzi di riscaldamento di detta resina termoplastica ed un ugello; e - said extruder comprises a melting chamber, in which a rotating screw is mounted around its longitudinal axis and the longitudinal axis of the extruder, heating means for said thermoplastic resin and a nozzle; And

- detto ugello comprende un foro di uscita di detta resina termoplastica fusa da detta camera di fusione ed un canale di guida di detto elemento continuo di rinforzo verso detto foro di uscita, in cui detto foro di uscita è di sezione poligonale. - said nozzle comprises an outlet hole of said thermoplastic resin melted from said melting chamber and a guide channel of said continuous reinforcing element towards said outlet hole, in which said outlet hole has a polygonal section.

Un ulteriore aspetto dell’invenzione riguarda anche un metodo per la stampa tridimensionale di articoli comprendente le fasi di: A further aspect of the invention also relates to a method for the three-dimensional printing of articles comprising the steps of:

a) alimentare una resina termoplastica ad una testa di stampa girevole intorno al suo asse longitudinale secondo un angolo di 360°; a) feeding a thermoplastic resin to a printing head rotatable around its longitudinal axis according to an angle of 360 °;

b) fondere detta resina termoplastica in detta testa di stampa avente un ugello con foro di sezione poligonale ed espellere un flusso di resina di corrispondente sezione poligonale; b) melting said thermoplastic resin in said printing head having a nozzle with a polygonal section hole and expelling a flow of resin having a corresponding polygonal section;

c) movimentare detta testa di stampa secondo un programma predefinito per formare detto articolo mantenendo un orientamento spaziale predefinito di detto flusso di resina di sezione poligonale; c) moving said print head according to a predefined program to form said article while maintaining a predefined spatial orientation of said resin flow of polygonal section;

d) depositare detto flusso di resina su un piano o superficie di stampa per formare detto articolo con strati sovrapposti o affiancati secondo il lati di detto flusso di resina di sezione poligonale, senza essere vincolati alla complanarità fra gli strati e la superficie di stampa. d) depositing said resin flow on a printing plane or surface to form said article with overlapping or side-by-side layers along the sides of said resin flow of polygonal section, without being bound to the coplanarity between the layers and the printing surface.

Ancora un altro aspetto dell’invenzione riguarda un metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo comprendente le seguenti fasi aggiuntive: Yet another aspect of the invention relates to a method for the three-dimensional printing of composite articles comprising continuous reinforcing elements comprising the following additional steps:

a1) unire un elemento continuo di rinforzo a detta resina termoplastica fusa e formare un flusso continuo di materiale composito comprendente detto elemento continuo di rinforzo e detta resina termoplastica fusa; a1) joining a continuous reinforcing element to said fused thermoplastic resin and forming a continuous flow of composite material comprising said continuous reinforcing element and said fused thermoplastic resin;

c1) mantenere fissa la posizione di detto elemento continuo di rinforzo rispetto a detta resina termoplastica fusa in detta testa di stampa. c1) keeping fixed the position of said continuous reinforcing element with respect to said thermoplastic resin melted in said print head.

Secondo la presente invenzione il termine “resina termoplastica” indica sia una resina singola che una miscela di resine termoplastiche. According to the present invention, the term "thermoplastic resin" indicates both a single resin and a mixture of thermoplastic resins.

Secondo la presente invenzione il termine “elemento continuo di rinforzo” indica un filamento continuo o una fibra continua o un intreccio di fibre quale una corda o un nastro, avente qualsiasi sezione trasversale. Il materiale costituente tale elemento può essere una resina naturale o sintetica, un metallo, vetro, carbonio, un materiale inorganico, o una combinazione di tali materiali. Il vetro, il carbonio ed i materiali inorganici (quali ad esempio il basalto) sono particolarmente vantaggiosi quando sono in forma di fibra. According to the present invention, the term "continuous reinforcing element" indicates a continuous filament or a continuous fiber or a weave of fibers such as a rope or a ribbon, having any cross section. The material constituting this element can be a natural or synthetic resin, a metal, glass, carbon, an inorganic material, or a combination of these materials. Glass, carbon and inorganic materials (such as basalt) are particularly advantageous when they are in the form of fiber.

Descrizione dettagliata Detailed description

L’apparecchiatura ed il metodo per la stampa tridimensionale di articoli secondo l’invenzione trovano applicazione in svariati settori manifatturieri, in particolar modo quelli che hanno a che fare con prodotti e semilavorati che necessitano di leggerezza, resistenza e che presentano geometrie complesse, anche su grandi volumi, con numeri di produzione che non giustificano l’investimento in uno stampo che spesso risulta addirittura impossibile da realizzare. The apparatus and the method for the three-dimensional printing of articles according to the invention find application in various manufacturing sectors, especially those dealing with products and semi-finished products that require lightness, resistance and that have complex geometries, even on large volumes, with production numbers that do not justify the investment in a mold that is often even impossible to make.

Tra i settori di interesse si citano quello nautico ed aeronautico, e quello della produzione di scocche e di telai, incluso il settore automobilistico. Ultimo, ma non per importanza, il settore architettonico, dove l’invenzione consente di realizzare strutture portanti caratterizzate da grande leggerezza e forme totalmente adattabili alle esigenze specifiche di ogni singola realizzazione, senza necessità di predisporre stampi. Among the sectors of interest are the nautical and aeronautical sectors, and that of the production of bodies and frames, including the automotive sector. Last, but not least, the architectural sector, where the invention makes it possible to create load-bearing structures characterized by great lightness and shapes that are totally adaptable to the specific needs of each individual creation, without the need to prepare molds.

L’invenzione viene ora descritta con riferimento alle figure allegate, date a titolo esemplificativo e non limitativo, nelle quali: The invention is now described with reference to the attached figures, given by way of non-limiting example, in which:

- La Fig. 1 è una vista prospettica schematica di una forma di attuazione di un’apparecchiatura secondo l’invenzione; - Fig. 1 is a schematic perspective view of an embodiment of an apparatus according to the invention;

- La Fig.2 è una vista schematica in sezione di una testa di stampa dell’apparecchiatura di Fig.1 secondo una prima forma di attuazione dell’invenzione; - Fig.2 is a schematic sectional view of a print head of the apparatus of Fig.1 according to a first embodiment of the invention;

- La Fig.2A è una vista prospettica schematica di un particolare della testa di Fig.2; - La Fig. 3 è una vista prospettica schematica di un articolo stampato con la testa di stampa di Fig. 2; - Fig.2A is a schematic perspective view of a detail of the head of Fig.2; - Fig. 3 is a schematic perspective view of an article printed with the print head of Fig. 2;

- La Fig. 3A è una vista prospettica schematica di un articolo stampato secondo la tecnica nota; - Fig. 3A is a schematic perspective view of an article molded according to the known art;

- La Fig.4 è una vista schematica in sezione di una testa di stampa secondo una seconda forma di attuazione dell’invenzione; - Fig.4 is a schematic sectional view of a print head according to a second embodiment of the invention;

- La Fig. 5 è una vista schematica in sezione di una testa di stampa secondo una terza forma di attuazione dell’invenzione; - Fig. 5 is a schematic sectional view of a print head according to a third embodiment of the invention;

- La Fig.5A è una vista prospettica schematica di un particolare della testa di Fig.5; - Le Figg. 6A e 6B sono viste prospettiche schematiche di articoli compositi stampati con la testa di stampa di Fig.5; - Fig.5A is a schematic perspective view of a detail of the head of Fig.5; - Figs. 6A and 6B are schematic perspective views of composite articles printed with the print head of Fig.5;

- La Fig.7 è una vista schematica in sezione di una testa di stampa secondo una quarta forma di attuazione dell’invenzione; - Fig.7 is a schematic sectional view of a print head according to a fourth embodiment of the invention;

- La Fig. 8 è una vista schematica ingrandita di un particolare della testa di stampa di Fig. 7; e - Fig. 8 is an enlarged schematic view of a detail of the print head of Fig. 7; And

- La Fig. 9 è una vista schematica ingrandita di una diversa forma di attuazione della testa di stampa di Fig.7. - Fig. 9 is an enlarged schematic view of a different embodiment of the print head of Fig.7.

Con riferimento alla Fig.1, si è illustrata un’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di articoli comprendente una testa di stampa 10 montata sul braccio 12 di un robot a 6 assi, designati dalle frecce I-VI. With reference to Fig.1, an apparatus for the three-dimensional printing of articles has been illustrated comprising a print head 10 mounted on the arm 12 of a 6-axis robot, designated by the arrows I-VI.

Alla testa di stampa 10 viene alimentata una resina termoplastica attraverso una linea 14 ed attraverso un ugello 50, posto all’estremità inferiore della testa di stampa 10, viene espulso un flusso 18 di resina fusa, che viene depositata su un piano o superficie di stampa 20 per formare un oggetto 22. A thermoplastic resin is fed to the print head 10 through a line 14 and through a nozzle 50, located at the lower end of the print head 10, a flow 18 of molten resin is expelled, which is deposited on a printing plane or surface. 20 to form an object 22.

La testa di stampa 10 è movimentata secondo un modello 3D prestabilito, al fine di fabbricare l’articolo 22 avente la forma desiderata. The print head 10 is moved according to a predetermined 3D model, in order to manufacture the article 22 having the desired shape.

Nella Fig. 1 si è fatto riferimento ad un robot a 6 assi, ma naturalmente è possibile utilizzare un robot, o un altro dispositivo di movimentazione della testa di stampa, che ha più o meno gradi di libertà di movimento, ad esempio 3, 4, 5, 7, 8 e 9. E’ chiaro che l’utilizzo di sistemi di movimento complessi, come ad esempio sistemi robotici a 6 assi o più, consente di variare liberamente l’orientamento spaziale secondo il quale viene estruso e depositato il materiale fuso, consentendo la fabbricazione di oggetti con geometrie più articolate e più performanti. Secondo un aspetto dell’invenzione, la testa di stampa 10 è montata all’interno di un cuscinetto a sfera 13 che è associato al braccio 12 del robot mediante una flangia di fissaggio, in modo da poter compiere una rotazione di 360° intorno all’asse longitudinale Y, come indicato dalla freccia VII di Fig.1. In Fig. 1 reference has been made to a 6-axis robot, but of course it is possible to use a robot, or another device for moving the print head, which has more or less degrees of freedom of movement, for example 3, 4 , 5, 7, 8 and 9. It is clear that the use of complex movement systems, such as robotic systems with 6 axes or more, allows you to freely vary the spatial orientation according to which the material is extruded and deposited. melted, allowing the manufacture of objects with more articulated and more performing geometries. According to an aspect of the invention, the printing head 10 is mounted inside a ball bearing 13 which is associated with the arm 12 of the robot by means of a fixing flange, so as to be able to perform a rotation of 360 ° around the longitudinal axis Y, as indicated by arrow VII of Fig.1.

Nelle Figg. 2 e 2A viene mostrata una testa di stampa 10 alla quale viene alimentato un filo continuo 11 di resina termoplastica, proveniente da una bobina non illustrata. In Figs. 2 and 2A show a print head 10 to which a continuous thread 11 of thermoplastic resin is fed, coming from a coil not shown.

Il filo continuo 11 viene introdotto in una camera di fusione 30 mediante un dispositivo spingifilo 25, posto a monte della camera di fusione 30. Il dispositivo spingifilo 25 comprende un rullo folle 29 ed un rullo motorizzato 27, azionato in rotazione da un motore elettrico non illustrato, che afferrano il filo 11 e lo spingono in basso, dentro alla camera di fusione 30. Il motore elettrico e lo spingifilo 25 sono solidali alla testa di stampa 10 e si muovono con essa ruotando in modo solidale all’interno del cuscinetto 13, in modo da evitare che la rotazione della testa 10 causi un attorcigliamento su se stesso del filo di resina termoplastica 11. Ciò è particolarmente utile quando la fibra, o filamento, non ha sezione circolare, ma ad esempio ha sezione rettangolare. The continuous wire 11 is introduced into a melting chamber 30 by means of a wire pusher device 25, placed upstream of the melting chamber 30. The wire pusher device 25 comprises an idle roller 29 and a motorized roller 27, driven in rotation by a non-electric motor. shown, which grasp the wire 11 and push it downwards, inside the melting chamber 30. The electric motor and the wire pusher 25 are integral with the print head 10 and move with it by rotating integrally inside the bearing 13, so as to avoid that the rotation of the head 10 causes the thermoplastic resin thread 11 to twist on itself. This is particularly useful when the fiber, or filament, does not have a circular section, but for example has a rectangular section.

La camera di fusione 30 è provvista di mezzi di riscaldamento costituiti, ad esempio, da resistenze 38, atte a instaurare nella camera di fusione 30 la temperatura necessaria alla fusione della resina termoplastica. In una forma di attuazione le resistenze 38 possono essere ad esempio resistenze ad alta temperatura, ad esempio resistenze a cartuccia ad alta densità, in grado di lavorare in funzionamento costante fino ad una temperatura di 800°C, nella camera di fusione 30. The melting chamber 30 is provided with heating means constituted, for example, by resistances 38, suitable for establishing in the melting chamber 30 the temperature necessary for the melting of the thermoplastic resin. In one embodiment the resistors 38 can be for example high temperature resistors, for example high density cartridge resistors, capable of working in constant operation up to a temperature of 800 ° C, in the melting chamber 30.

La parte terminale dell’estrusore comprende un ugello 50 per la fuoriuscita della resina termoplastica fusa. The terminal part of the extruder includes a nozzle 50 for the release of the melted thermoplastic resin.

Come mostrato più in dettaglio nella Fig.2A, la camera di fusione si estende nell’ugello 50, la cui cavità interna ha una parte superiore 50a che costituisce il prolungamento inferiore della camera di fusione 30, ed ha forma cilindrica. La cavità interna dell’ugello 50 è inoltre formata con una parte intermedia 50b di forma conica ed una parte inferiore 50c che varia gradualmente fino ad assumere una forma parallelepipeda e terminare con un foro 52 attraverso il quale viene espulso un flusso 18 di resina termoplastica fusa. Il foro 52 ha sezione poligonale, più particolarmente quadrata. As shown in more detail in Fig.2A, the melting chamber extends into the nozzle 50, whose internal cavity has an upper part 50a which constitutes the lower extension of the melting chamber 30, and has a cylindrical shape. The internal cavity of the nozzle 50 is also formed with an intermediate part 50b of a conical shape and a lower part 50c which gradually varies until it assumes a parallelepiped shape and ends with a hole 52 through which a flow 18 of melted thermoplastic resin is expelled. . The hole 52 has a polygonal section, more particularly square.

Con riferimento alla Fig. 3, si è mostrato un articolo stampato 22 ottenuto mediante deposizione e sovrapposizione del flusso 18 di resina espulsa dal foro 52 dell’ugello 50, quindi avente sezione quadrata, come lo stesso foro 52. I vari strati di materiale termoplastico sono stati deposti con il lati paralleli, quindi aderiscono perfettamente lungo tutte le superfici in contatto, aumentando la resistenza meccanica del manufatto e migliorandone la qualità superficiale. Infatti, le superfici del manufatto risultano planari e omogenee. With reference to Fig. 3, a molded article 22 was shown obtained by depositing and superimposing the flow 18 of resin expelled from the hole 52 of the nozzle 50, therefore having a square section, like the hole 52 itself. The various layers of thermoplastic material they have been laid with the sides parallel, therefore they adhere perfectly along all the surfaces in contact, increasing the mechanical resistance of the product and improving its surface quality. In fact, the surfaces of the artefact are planar and homogeneous.

La Fig. 3A mostra un analogo articolo 22A ottenuto mediante stampante 3D secondo la tecnica nota, ovvero con ugello provvisto di foro di espulsione rotondo. In tal caso si vede che i vari strati 18A di materiale deposto aderiscono solo lungo una ridotta zona di contatto, fattore che causa una limitata resistenza meccanica. Inoltre, la qualità superficiale non è buona, in quanto la superficie è definita da creste e valli che richiedono un’operazione di lisciatura per ottenere una superficie piana ed omogenea. Fig. 3A shows a similar article 22A obtained by means of a 3D printer according to the known technique, ie with a nozzle provided with a round expulsion hole. In this case it can be seen that the various layers 18A of deposited material adhere only along a reduced contact area, a factor which causes a limited mechanical resistance. Furthermore, the surface quality is not good, as the surface is defined by ridges and valleys that require a smoothing operation to obtain a flat and homogeneous surface.

Per ottenere la deposizione di strati sovrapposti in modo corretto, come evidenziato nella Fig. 3, l’intera testa di stampa 10 è in grado di ruotare su se stessa di 360° all’interno di cuscinetti quali il cuscinetto 13 di Fig. 1, secondo l’asse VII, in modo che il flusso di resina deposta mantenga sempre la stessa posizione relativa per qualsiasi posizione assuma il robot nella sua movimentazione. To obtain the deposition of overlapping layers in a correct way, as shown in Fig. 3, the entire print head 10 is able to rotate on itself by 360 ° inside bearings such as the bearing 13 of Fig. 1, according to axis VII, so that the flow of deposited resin always maintains the same relative position for whatever position the robot assumes in its movement.

L’orientamento della testa di stampa può essere realizzato sia mediante un accelerometro/giroscopio che rileva i movimenti del robot, che mediante comando del robot stesso indicando i gradi di rotazione che la testa 10 deve avere. The orientation of the print head can be achieved either by means of an accelerometer / gyroscope that detects the movements of the robot, or by command of the robot itself, indicating the degrees of rotation that the head 10 must have.

Avvalendosi di tali mezzi il materiale può essere deposto mantenendo parallela le facce dello strato a contatto con il precedente, come mostrato in Fig.3. Using these means, the material can be deposited while keeping the faces of the layer in contact with the previous one parallel, as shown in Fig. 3.

Con riferimento alla Fig. 4, si è illustrata una testa di stampa 10 secondo una seconda forma di attuazione dell’invenzione, nella quale la resina termoplastica è alimentata in forma di granuli anziché di filo continuo. Gli elementi di questa seconda forma di attuazione della testa di stampa 10 che corrispondono agli elementi della prima forma di attuazione sono indicati con lo stesso numero di riferimento. With reference to Fig. 4, a print head 10 according to a second embodiment of the invention has been illustrated, in which the thermoplastic resin is fed in the form of granules instead of a continuous thread. The elements of this second embodiment of the print head 10 which correspond to the elements of the first embodiment are indicated with the same reference number.

La testa di stampa 10 è collegata a mezzi di alimentazione della resina termoplastica 11, costituiti da una tramoggia 24 e da un condotto di alimentazione 26. La resina termoplastica è tipicamente in forma di granuli, scaglie, compound o polveri. Essa viene caricata nella tramoggia 24 in forma sfusa e trasferita per gravità alla testa di stampa 10 attraverso il condotto 26. The print head 10 is connected to means for feeding the thermoplastic resin 11, consisting of a hopper 24 and a feeding duct 26. The thermoplastic resin is typically in the form of granules, flakes, compounds or powders. It is loaded into the hopper 24 in bulk form and transferred by gravity to the print head 10 through the duct 26.

La testa di stampa 10 comprende un estrusore 28 per resine termoplastiche, provvisto di una camera di fusione 30 nella quale è montata una vite senza fine 32, girevole intorno al proprio asse longitudinale Y, coincidente con l’asse longitudinale dell’estrusore e della testa di stampa stessa. La camera di fusione 30 è provvista di un condotto 34 per l’introduzione dei granuli di resina provenienti dal condotto di alimentazione 26. La vite 32 è azionata da un motore 35, attraverso mezzi noti nel ramo. Un motore 36 comanda la rotazione dell’estrusore 28 intorno all’asse longitudinale Y, come definito dalla freccia VII di Fig.1. Tale rotazione è consentita dal montaggio dell’intera testa di stampa 10 all’interno di un cuscinetto 13, come mostrato anche nella Fig. 1. Secondo un aspetto dell’invenzione la testa di stampa 10 può compiere una rotazione di 360° intorno all’asse longitudinale Y. The print head 10 comprises an extruder 28 for thermoplastic resins, provided with a melting chamber 30 in which a worm 32 is mounted, which rotates around its own longitudinal axis Y, coinciding with the longitudinal axis of the extruder and of the head. print itself. The melting chamber 30 is provided with a duct 34 for the introduction of the resin granules coming from the supply duct 26. The screw 32 is driven by a motor 35, through means known in the art. A motor 36 controls the rotation of the extruder 28 around the longitudinal axis Y, as defined by arrow VII in Fig.1. This rotation is allowed by the assembly of the entire printing head 10 inside a bearing 13, as also shown in Fig. 1. According to an aspect of the invention, the printing head 10 can perform a rotation of 360 ° around the longitudinal axis Y.

La camera di fusione 30 è provvista di mezzi di riscaldamento costituiti, ad esempio, da resistenze 38, atte a instaurare nella camera di fusione 30 la temperatura necessaria alla fusione della resina termoplastica, unitamente allo sforzo di taglio esercitato dalla vite senza fine 32. In una forma di attuazione le resistenze 38 sono resistenze ad alta potenza, in grado di realizzare temperature fino a 450°C nella camera di fusione 30. The melting chamber 30 is provided with heating means constituted, for example, by resistances 38, suitable for establishing in the melting chamber 30 the temperature necessary for the melting of the thermoplastic resin, together with the shear force exerted by the worm 32. In one embodiment the resistors 38 are high power resistors, capable of achieving temperatures up to 450 ° C in the melting chamber 30.

La parte terminale dell’estrusore comprende un ugello 50 per la fuoriuscita della resina termoplastica fusa. L’ugello 50 ha forma tronco-conica ed è provvisto di una cavità interna come mostrato in Fig. 2A, terminante con un foro poligonale 52, in particolare di sezione quadrata. The terminal part of the extruder includes a nozzle 50 for the release of the melted thermoplastic resin. The nozzle 50 has a truncated cone shape and is provided with an internal cavity as shown in Fig. 2A, ending with a polygonal hole 52, in particular with a square section.

L’ugello 50 è provvisto di resistenze elettriche 39, ad esempio resistenze a cartuccia ad alta densità, in grado di lavorare in funzionamento costante fino ad una temperatura di 800°C, potendo così riscaldare ulteriormente i granuli di resina per lavorazioni con polimeri speciali più performanti. The nozzle 50 is equipped with electrical resistances 39, for example high density cartridge resistors, capable of working in constant operation up to a temperature of 800 ° C, thus being able to further heat the resin granules for processing with special polymers. performers.

La Fig. 5 mostra una terza forma di attuazione della testa di stampa secondo l’invenzione, analoga alla prima forma di attuazione (Fig. 2) per quanto riguarda l’alimentazione della resina 11 in forma di filo continuo, ma diversa da tale forma di attuazione per la presenza di un elemento continuo di rinforzo, tale per cui l’articolo stampato è un composito costituito da resina ed elemento di rinforzo. Fig. 5 shows a third embodiment of the print head according to the invention, similar to the first embodiment (Fig. 2) as regards the feeding of the resin 11 in the form of a continuous thread, but different from this form actuation due to the presence of a continuous reinforcing element, such that the molded article is a composite consisting of resin and reinforcing element.

Con riferimento alla Fig. 5, Il filo continuo 11 viene introdotto in una camera di fusione 30 mediante un dispositivo spingifilo 25, posto a monte della camera di fusione 30, analogamente a quanto mostrato in Fig. 2. Il dispositivo spingifilo 25 comprende un rullo folle 29 ed un rullo motorizzato 27, azionato in rotazione da un motore elettrico non illustrato. Il motore elettrico e lo spingifilo 25 sono solidali alla testa di stampa 10 e si muovono con essa ruotando in modo solidale all’interno del cuscinetto 13, in modo da evitare che la rotazione della testa 10 causi un attorcigliamento su se stesso del filo di resina termoplastica 11 o un attorcigliamento della fibra di rinforzo 40 . Ciò è particolarmente utile quando la fibra, o filamento, non ha sezione circolare, ma ad esempio ha sezione rettangolare. With reference to Fig. 5, the continuous wire 11 is introduced into a melting chamber 30 by means of a wire pusher device 25, placed upstream of the melting chamber 30, similarly to what is shown in Fig. 2. The wire pusher device 25 comprises a roller idle 29 and a motorized roller 27, driven in rotation by an electric motor not shown. The electric motor and the wire pusher 25 are integral with the print head 10 and move with it by rotating integrally inside the bearing 13, so as to prevent the rotation of the head 10 from causing the resin thread to twist on itself. thermoplastic 11 or a twist of the reinforcing fiber 40. This is particularly useful when the fiber, or filament, has no circular section, but for example has a rectangular section.

La camera di fusione 30 è provvista di mezzi di riscaldamento costituiti, ad esempio, da resistenze 38, atte a instaurare nella camera di fusione 30 la temperatura necessaria alla fusione della resina termoplastica. In una forma di attuazione le resistenze 38 sono resistenze a cartuccia ad alta densità, in grado di lavorare in funzionamento costante fino ad una temperatura di 800°C. The melting chamber 30 is provided with heating means constituted, for example, by resistances 38, suitable for establishing in the melting chamber 30 the temperature necessary for the melting of the thermoplastic resin. In one embodiment the resistors 38 are high density cartridge resistors, capable of working in constant operation up to a temperature of 800 ° C.

La parte terminale dell’estrusore comprende un ugello 50 per la fuoriuscita della resina termoplastica fusa. The terminal part of the extruder includes a nozzle 50 for the release of the melted thermoplastic resin.

La testa di stampa 10 comprende anche dei mezzi di alimentazione di un elemento continuo di rinforzo, costituito ad esempio da una fibra continua 40 avvolta su una bobina 42. I mezzi di alimentazione della fibra 40 comprendono un motore elettrico 43, che aziona un dispositivo spingifilo 44, posto a fianco della camera di fusione 30. The print head 10 also comprises means for feeding a continuous reinforcing element, consisting for example of a continuous fiber 40 wound on a reel 42. The feeding means for the fiber 40 comprise an electric motor 43, which drives a yarn pusher device 44, placed next to the melting chamber 30.

L’ugello 50 ha forma tronco-conica ed in esso è definito una parte superiore 51 sulla quale è previsto un foro 41, in prossimità del bordo esterno della parte 51, attraverso il quale la fibra 40 entra nell’ugello 50. The nozzle 50 has a truncated conical shape and an upper part 51 is defined in it on which a hole 41 is provided, near the outer edge of the part 51, through which the fiber 40 enters the nozzle 50.

In una forma di attuazione il dispositivo spingifilo 44 della fibra 40 è analogo al dispositivo spingifilo 25 del filo di resina sintetica. In one embodiment, the thread pusher device 44 of the fiber 40 is similar to the thread pusher device 25 of the synthetic resin thread.

All’uscita dello spingifilo 44, la fibra 40 entra nella parte terminale della testa di stampa 10, costituita dall’ugello 50, attraverso il foro 41 di comunicazione con un canale 56, come mostrato anche nella Fig. 5A. Il foro 41 è realizzato nella parte superiore 51 dell’ugello 50, esternamente alla camera di fusione. At the output of the wire pusher 44, the fiber 40 enters the terminal part of the print head 10, consisting of the nozzle 50, through the hole 41 for communication with a channel 56, as also shown in Fig. 5A. The hole 41 is made in the upper part 51 of the nozzle 50, outside the melting chamber.

Come mostrato più in dettaglio nella Fig.5A, la camera di fusione si estende nell’ugello 50, la cui cavità interna ha una parte superiore 50a che costituisce il prolungamento inferiore della camera di fusione 30, ed ha forma cilindrica. La cavità interna dell’ugello 50 è inoltre formata con una parte intermedia 50b di forma conica ed una parte inferiore 50c che varia gradualmente di forma fino ad assumere una forma parallelepipeda e terminare con un foro 52 attraverso il quale viene espulso un flusso 18 di resina termoplastica fusa. As shown in more detail in Fig.5A, the melting chamber extends into the nozzle 50, whose internal cavity has an upper part 50a which constitutes the lower extension of the melting chamber 30, and has a cylindrical shape. The internal cavity of the nozzle 50 is also formed with an intermediate part 50b of conical shape and a lower part 50c which gradually varies in shape until it assumes a parallelepiped shape and ends with a hole 52 through which a flow 18 of resin is expelled. fused thermoplastic.

Il foro 52 ha sezione poligonale, più particolarmente rettangolare. The hole 52 has a polygonal section, more particularly rectangular.

La fibra 40 viene unita al flusso di resina termoplastica fusa 18 in modo che la deposizione di strati di resina termoplastica portino alla formazione di un articolo stampato composito. The fiber 40 is joined to the flow of melted thermoplastic resin 18 so that the deposition of layers of thermoplastic resin leads to the formation of a composite molded article.

Come si è detto, la fibra 40 può essere realizzata in vari materiali, quali carbonio, vetro, metallo o altra resina sintetica avente un punto di fusione superiore a quello della resina termoplastica 11. As mentioned, the fiber 40 can be made of various materials, such as carbon, glass, metal or other synthetic resin having a melting point higher than that of the thermoplastic resin 11.

Con riferimento alle Figg. 6A e 6B, si sono mostrate alcune forme del materiale composito all’uscita dell’ugello 50, di sezione rettangolare. With reference to Figs. 6A and 6B, some shapes of the composite material were shown at the outlet of the nozzle 50, with a rectangular section.

Nella Fig. 6A si è mostrato un materiale composito estruso 18A comprendente una fibra singola 40A. In Fig. 6A an extruded composite material 18A comprising a single fiber 40A was shown.

Nella Fig.6B si è mostrato un materiale composito estruso 18B comprendente un intreccio di fibre o nastro 40B. Figure 6B shows an extruded composite material 18B comprising a weave of fibers or tape 40B.

Come mostrato in Fig. 1, e detto in precedenza, l’intera testa di stampa 10 è in grado di ruotare su se stessa in modo che il flusso di materiale a sezione poligonale che viene deposto, e la fibra 40A di rinforzo, o il nastro 40B, unito alla resina termoplastica, mantengano sempre la stessa posizione relativa rispetto al getto di resina fusa, per qualsiasi posizione assuma il robot o altro sistema di movimento nella sua movimentazione. Questa caratteristica è importante nella realizzazione di un materiale composito avente la struttura mostrata nelle Figg. 6A e 6B in quanto è vantaggioso che il nastro possa combinarsi alla resina mantenendo sempre la stessa posizione relativa rispetto al getto di resina fusa, e che questo possa essere deposto sovrapposto o affiancato in strati con orientamento parallelo delle facce. As shown in Fig. 1, and previously mentioned, the entire print head 10 is able to rotate on itself so that the flow of polygonal section material being deposited, and the reinforcing fiber 40A, or the belt 40B, combined with the thermoplastic resin, always maintain the same relative position with respect to the cast of molten resin, regardless of the position assumed by the robot or other movement system in its movement. This feature is important in making a composite material having the structure shown in Figs. 6A and 6B since it is advantageous that the tape can combine with the resin always maintaining the same relative position with respect to the cast of molten resin, and that this can be deposited superimposed or side by side in layers with parallel orientation of the faces.

L’orientamento della testa di stampa può essere realizzato sia mediante un accelerometro/giroscopio che rileva i movimenti del robot, che mediante comando del robot stesso indicando i gradi di rotazione che la testa 10 deve avere. The orientation of the print head can be achieved either by means of an accelerometer / gyroscope that detects the movements of the robot, or by command of the robot itself, indicating the degrees of rotation that the head 10 must have.

Avvalendosi di tali mezzi la fibra 40 – nella forma ad esempio del nastro 40B – può essere deposta in maniera uniforme e ben inglobata o unita alla resina, in varie disposizioni spaziali relative. Ad esempio, la fibra 40 può essere deposta mantenendo il lato maggiore del rettangolo sempre orientato in modo corretto, così da realizzare una deposizione ottimale degli strati, come si è detto in precedenza. Using these means, the fiber 40 - in the form for example of the ribbon 40B - can be deposited in a uniform manner and well incorporated or joined to the resin, in various relative spatial arrangements. For example, the fiber 40 can be deposited keeping the longest side of the rectangle always oriented correctly, so as to achieve an optimal deposition of the layers, as previously mentioned.

A fine lavorazione, o qualora all’interno della lavorazione occorra avere uno o più punti di discontinuità della fibra, una tronchesina pneumatica posta a lato della testa 10 taglia la fibra. Tale tronchesina pneumatica, non illustrata, è portata in posizione sotto l’uscita della testa 10 per mezzo di un servomeccanismo che la abbassa e la solleva in modo da non creare collisioni con il pezzo in lavorazione, quando non viene utilizzata. At the end of the processing, or if it is necessary to have one or more points of discontinuity in the fiber within the processing, a pneumatic cutter placed on the side of the head 10 cuts the fiber. This pneumatic cutter, not shown, is brought into position under the outlet of the head 10 by means of a servomechanism that lowers and raises it so as not to create collisions with the workpiece when not in use.

L’apparecchiatura dell’invenzione consente di inserire o unire alla resina termoplastica qualsiasi tipo di fibra, nastro o corda, compresi conduttori in rame, consentendo così di inserire all’interno dell’oggetto stampato delle connessioni elettriche anche strutturali. The equipment of the invention allows you to insert or join any type of fiber, ribbon or rope, including copper conductors, to the thermoplastic resin, thus allowing you to insert electrical connections, including structural ones, inside the printed object.

La testa di stampa 10, come si è detto, è in grado di ruotare su se stessa per un’estensione di 360°, per poter direzionare bene sia la fibra 40 che per orientare correttamente l’ugello 50. Tale movimento è reso possibile dal fatto che la testa 10 è sostenuta da un cuscinetto a sfere 13 di grosse dimensioni, fissato alla flangia di collegamento con il braccio 12 del robot (Fig. 1). Alla stessa flangia è collegato il motore passo-passo che fa ruotare l’intera testa 10, grazie ai comandi impartiti da un sistema di controllo, non illustrato. Questo può utilizzare sia segnali diretti dal robot, sia un giroscopio-accelerometro posto sulla testa stessa, che ne rileva gli spostamenti nello spazio. The print head 10, as mentioned, is able to rotate on itself for an extension of 360 °, in order to be able to direct both the fiber 40 well and to correctly orient the nozzle 50. This movement is made possible by the fact that the head 10 is supported by a ball bearing 13 of large dimensions, fixed to the connection flange with the arm 12 of the robot (Fig. 1). The stepping motor which rotates the entire head 10 is connected to the same flange, thanks to the commands given by a control system, not shown. This can use both direct signals from the robot and a gyroscope-accelerometer placed on the head itself, which detects its movements in space.

Il moto è trasmesso dal motore alla testa 10 per mezzo di un ingranaggio a corona dentata, non illustrato, per garantirne la precisione. The motion is transmitted from the motor to the head 10 by means of a crown gear, not shown, to ensure its accuracy.

L’utilizzo di tutti i metodi sopracitati su un robot a 6 o più assi consente di superare i vincoli di forma imposti dalla classica stampa a 3 assi, consentendo di creare veri e propri reticoli di fibra e resina termoplastica per una resistenza strutturale elevatissima rispetto a quella ottenuta con la normale stampa 3D, oltre al fatto di poter realizzare forme ancora più complesse per l’assenza di vincoli in termini di sottosquadra. The use of all the aforementioned methods on a robot with 6 or more axes allows you to overcome the shape constraints imposed by the classic 3-axis printing, allowing you to create real lattices of fiber and thermoplastic resin for a very high structural resistance compared to that obtained with normal 3D printing, in addition to the fact of being able to create even more complex shapes due to the absence of constraints in terms of undercut.

Con riferimento alle Figg.7 e 8 si è mostrata una quarta forma di attuazione dell’invenzione, analoga alla seconda forma di attuazione di Fig. 4 per quanto riguarda l’alimentazione della resina in forma di granuli, ma diversa da tale forma di attuazione per la presenza di un elemento continuo di rinforzo, tale per cui l’articolo stampato è un composito costituito da resina ed elemento di rinforzo. With reference to Figs. 7 and 8, a fourth embodiment of the invention has been shown, similar to the second embodiment of Fig. 4 as regards the feeding of the resin in the form of granules, but different from this embodiment due to the presence of a continuous reinforcing element, such that the molded article is a composite consisting of resin and a reinforcing element.

In tale forma di attuazione la testa di stampa 10 è collegata a mezzi di alimentazione della resina termoplastica 11, costituiti da una tramoggia 24 e da un condotto di alimentazione 26. La resina termoplastica è tipicamente in forma di granuli, scaglie compound e polveri. Essa viene caricata nella tramoggia 24 in forma sfusa e trasferita per gravità alla testa di stampa 10 attraverso il condotto 26. In this embodiment, the print head 10 is connected to means for feeding the thermoplastic resin 11, consisting of a hopper 24 and a feeding duct 26. The thermoplastic resin is typically in the form of granules, compound flakes and powders. It is loaded into the hopper 24 in bulk form and transferred by gravity to the print head 10 through the duct 26.

La testa di stampa 10 comprende un estrusore 28 per resine termoplastiche, provvisto di una camera di fusione 30 nella quale è montata una vite senza fine 32, girevole intorno al proprio asse longitudinale Y, coincidente con l’asse longitudinale dell’estrusore. La camera di fusione 30 è provvista di un condotto 34 per l’introduzione dei granuli di resina provenienti dal condotto di alimentazione 26. La vite 32 è azionata da un motore 35, attraverso mezzi noti nel ramo. Un motore 36 comanda la rotazione dell’estrusore 28 intorno all’asse longitudinale Y, come definito dalla freccia VII di Fig.1. Anche l’intera testa di stampa 10 può ruotare di 360° essendo montata all’interno di un cuscinetto 13, come mostrato anche in Fig.1. The print head 10 comprises an extruder 28 for thermoplastic resins, provided with a melting chamber 30 in which a worm 32 is mounted, rotating around its longitudinal axis Y, coinciding with the longitudinal axis of the extruder. The melting chamber 30 is provided with a duct 34 for the introduction of the resin granules coming from the supply duct 26. The screw 32 is driven by a motor 35, through means known in the art. A motor 36 controls the rotation of the extruder 28 around the longitudinal axis Y, as defined by arrow VII in Fig.1. Even the entire print head 10 can rotate 360 ° being mounted inside a bearing 13, as also shown in Fig.1.

La camera di fusione 30 è provvista di mezzi di riscaldamento costituiti, ad esempio, da resistenze 38, atte a instaurare nella camera di fusione 30 la temperatura necessaria alla fusione della resina termoplastica, unitamente allo sforzo di taglio esercitato dalla vite senza fine 32. In una forma di attuazione le resistenze 38 sono resistenze ad alta potenza, in grado di realizzare temperature fino a 450°C nella camera di fusione 30. The melting chamber 30 is provided with heating means consisting, for example, of resistances 38, suitable for establishing in the melting chamber 30 the temperature necessary for the melting of the thermoplastic resin, together with the shear force exerted by the worm 32. In one embodiment the resistors 38 are high power resistors, capable of achieving temperatures up to 450 ° C in the melting chamber 30.

La parte terminale dell’estrusore comprende un ugello 50 per la fuoriuscita della resina termoplastica fusa. The terminal part of the extruder includes a nozzle 50 for the release of the melted thermoplastic resin.

La testa di stampa 10 comprende anche dei mezzi di alimentazione di un elemento continuo di rinforzo, costituito ad esempio da una fibra continua 40 avvolta su una bobina 42. I mezzi di alimentazione della fibra 40 comprendono un motore elettrico 43, che aziona un dispositivo spingifilo 44, posto a fianco della camera di fusione 30 dell’estrusore 28, ma esternamente all’estrusore 28. La fibra viene quindi svolta dalla bobina 42 per entrare in un tubo 46, che la protegge e guida fino allo spingifilo 44, montato sul tubo 46, esternamente all’estrusore. The print head 10 also comprises means for feeding a continuous reinforcing element, consisting for example of a continuous fiber 40 wound on a reel 42. The feeding means for the fiber 40 comprise an electric motor 43, which drives a yarn pusher device 44, placed next to the melting chamber 30 of the extruder 28, but outside the extruder 28. The fiber is then unwound from the reel 42 to enter a tube 46, which protects it and guides it up to the wire pusher 44, mounted on the tube 46, outside the extruder.

L’ugello 50 ha forma tronco-conica ed in esso è definito una parte superiore 51 sulla quale è previsto un foro 41, in prossimità del bordo esterno. Più particolarmente, lo spingifilo 44 è montato sul tubo 46 in corrispondenza del foro 41, attraverso il quale la fibra 40 entra nell’ugello 50. The nozzle 50 has a truncated conical shape and an upper part 51 is defined in it on which a hole 41 is provided, near the outer edge. More particularly, the wire pusher 44 is mounted on the tube 46 at the hole 41, through which the fiber 40 enters the nozzle 50.

In una forma di attuazione il dispositivo spingifilo 44 comprende un pignone godronato azionato da una cinghia collegata al motore 43 in modo non illustrato in quanto noto. La fibra 40 è spinta contro il pignone da un rullo di pressione sollecitato da una molla. La rotazione del pignone godronato fa avanzare la fibra 40 trascinandola verso il basso, secondo la direzione della freccia A. In one embodiment, the wire pusher device 44 comprises a knurled pinion driven by a belt connected to the motor 43 in a way that is not illustrated as it is known. The fiber 40 is pushed against the pinion by a pressure roller urged by a spring. The rotation of the knurled pinion advances the fiber 40 by dragging it downwards, in the direction of the arrow A.

Il motore elettrico 43 e lo spingifilo 44 sono solidali alla testa di stampa 10 e si muovono con essa, in modo da evitare che la rotazione della testa 10 causi un attorcigliamento su se stessa della fibra 40. Ciò è particolarmente utile quando la fibra, o filamento, non ha sezione circolare, ma ad esempio ha sezione poligonale. The electric motor 43 and the wire pusher 44 are integral with the print head 10 and move with it, so as to prevent the rotation of the head 10 from causing the fiber 40 to twist on itself. This is particularly useful when the fiber, or filament, has no circular section, but for example has a polygonal section.

All’uscita dello spingifilo 44, la fibra 40 entra nella parte terminale della testa di stampa 10, costituita dall’ugello 50, attraverso il foro 41 di comunicazione con un canale 56, come si dirà in seguito. At the outlet of the wire pusher 44, the fiber 40 enters the terminal part of the print head 10, consisting of the nozzle 50, through the hole 41 for communication with a channel 56, as will be explained later.

Con riferimento alla Fig. 8, l’ugello 50 comprende un foro 52 di uscita della resina fusa dall’estrusore 28, di sezione poligonale, in particolare rettangolare. With reference to Fig. 8, the nozzle 50 includes a hole 52 for the outlet of the molten resin from the extruder 28, with a polygonal section, in particular rectangular.

L’ugello 50 comprende anche un canale 56 di contenimento e guida della fibra 40, la quale accede ad esso tramite il foro 41. Il canale 56 è orientato obliquamente a partire dal foro periferico 41 verso l’asse Y dell’estrusore, in modo da guidare la fibra 40 verso il foro 52 di uscita della resina fusa dall’estrusore. Nella zona immediatamente a valle del foro 52 la fibra 40 viene in contatto con la resina fusa in modo da formare un flusso continuo di materiale composito 18. The nozzle 50 also comprises a channel 56 for containing and guiding the fiber 40, which accesses it through the hole 41. The channel 56 is oriented obliquely starting from the peripheral hole 41 towards the Y axis of the extruder, so to guide the fiber 40 towards the hole 52 for the outlet of the molten resin from the extruder. In the area immediately downstream of the hole 52, the fiber 40 comes into contact with the molten resin so as to form a continuous flow of composite material 18.

La velocità di alimentazione della fibra 40 è regolata in modo da corrispondere alla velocità di estrusione della resina termoplastica, con velocità di estrusione intendendosi la lunghezza del filamento estruso nell’unità di tempo, ad esempio mm/minuto. The feeding speed of the fiber 40 is adjusted to correspond to the extrusion speed of the thermoplastic resin, with extrusion speed meaning the length of the extruded filament in the unit of time, for example mm / minute.

In una diversa forma di realizzazione, illustrata nella Fig. 9, la fibra 40 viene inglobata nel getto di resina fusa che esce dall’estrusore. In tale realizzazione la parte terminale del canale 56 è collocata coassialmente rispetto al foro 52 dell’estrusore, in modo che la fibra 40 viene inglobata nel flusso della resina fusa prima della fuoriuscita dal foro 52. In a different embodiment, shown in Fig. 9, the fiber 40 is incorporated in the cast of molten resin that comes out of the extruder. In this embodiment, the terminal part of the channel 56 is located coaxially with respect to the hole 52 of the extruder, so that the fiber 40 is incorporated into the flow of the molten resin before it comes out of the hole 52.

L’ugello 50 è provvisto di resistenze elettriche 39, ad esempio resistenze a cartuccia ad alta densità, in grado di lavorare in funzionamento costante fino ad una temperatura di 800°C, potendo così riscaldare ulteriormente i granuli di resina per lavorazioni con polimeri speciali più performanti. The nozzle 50 is equipped with electrical resistances 39, for example high density cartridge resistors, capable of working in constant operation up to a temperature of 800 ° C, thus being able to further heat the resin granules for processing with special polymers. performers.

Come si è detto, la fibra 40 può essere realizzata in vari materiali, quali carbonio, vetro, metallo o altra resina sintetica avente un punto di fusione superiore a quello della resina termoplastica 11. As mentioned, the fiber 40 can be made of various materials, such as carbon, glass, metal or other synthetic resin having a melting point higher than that of the thermoplastic resin 11.

Le forme del materiale composito all’uscita dell’ugello 50 sono state rappresentate nelle Figg. The shapes of the composite material at the outlet of the nozzle 50 have been shown in Figs.

6A e 6B. 6A and 6B.

Come mostrato in Fig. 1, e detto in precedenza, l’intera testa di stampa 10 è in grado di ruotare su se stessa per 360°, in modo che il flusso di materiale a sezione poligonale che viene deposto, e la fibra 40A di rinforzo, o il nastro 40B, unito alla resina termoplastica, mantengano sempre la stessa posizione relativa rispetto al getto di resina fusa, per qualsiasi posizione assuma il robot nella sua movimentazione. Questa caratteristica è importante nella realizzazione di un materiale composito avente la struttura mostrata nelle Figg. 6A e 6B in quanto è vantaggioso che il nastro possa combinarsi alla resina mantenendo sempre la stessa posizione relativa rispetto al getto di resina fusa, e che questo possa essere deposto sovrapposto o affiancato in strati con orientamento programmato delle facce. As shown in Fig. 1, and previously mentioned, the whole print head 10 is able to rotate on itself for 360 °, so that the flow of polygonal section material that is deposited, and the fiber 40A of reinforcement, or the belt 40B, combined with the thermoplastic resin, always maintain the same relative position with respect to the cast of molten resin, regardless of the position the robot assumes in its movement. This feature is important in making a composite material having the structure shown in Figs. 6A and 6B since it is advantageous that the tape can combine with the resin always maintaining the same relative position with respect to the cast of molten resin, and that this can be deposited superimposed or side by side in layers with programmed orientation of the faces.

L’orientamento della testa di stampa può essere realizzato sia mediante un accelerometro/giroscopio che rileva i movimenti del robot, che mediante comando del robot stesso indicando i gradi di rotazione che la testa 10 deve avere. The orientation of the print head can be achieved either by means of an accelerometer / gyroscope that detects the movements of the robot, or by command of the robot itself, indicating the degrees of rotation that the head 10 must have.

Avvalendosi di tali mezzi la fibra 40 – nella forma ad esempio del nastro 40B – può essere deposta in maniera uniforme e ben inglobata o unita alla resina, in varie disposizioni spaziali relative. Ad esempio, la fibra 40 può essere deposta mantenendo il lato maggiore del rettangolo sempre orientato in modo corretto, così da realizzare una deposizione ottimale degli strati, come si è detto in precedenza. Using these means, the fiber 40 - in the form for example of the ribbon 40B - can be deposited in a uniform manner and well incorporated or joined to the resin, in various relative spatial arrangements. For example, the fiber 40 can be deposited keeping the longest side of the rectangle always oriented correctly, so as to achieve an optimal deposition of the layers, as previously mentioned.

A fine lavorazione, o qualora all’interno della lavorazione occorra avere uno o più punti di discontinuità della fibra, una tronchesina pneumatica posta a lato della testa 10 taglia la fibra. Tale tronchesina pneumatica, non illustrata, è portata in posizione sotto l’uscita della testa 10 per mezzo di servomeccanismo, che la abbassa e la solleva in modo da non creare collisioni con il pezzo in lavorazione, quando non viene utilizzata. At the end of the processing, or if it is necessary to have one or more points of discontinuity in the fiber within the processing, a pneumatic cutter placed on the side of the head 10 cuts the fiber. This pneumatic cutter, not shown, is brought into position under the outlet of the head 10 by means of a servomechanism, which lowers and raises it so as not to create collisions with the workpiece when not in use.

L’apparecchiatura dell’invenzione consente di inserire o unire alla resina termoplastica qualsiasi tipo di fibra, nastro o corda, compresi conduttori in rame, consentendo così di inserire all’interno dell’oggetto stampato delle connessioni elettriche anche strutturali. The equipment of the invention allows you to insert or join any type of fiber, ribbon or rope, including copper conductors, to the thermoplastic resin, thus allowing you to insert electrical connections, including structural ones, inside the printed object.

Come si è detto, il movimento della testa 10 è reso possibile dal fatto che la testa è montata dentro un cuscinetto a sfere 13 di grosse dimensioni, fissato alla flangia di collegamento con il braccio 12 del robot. Alla stessa flangia è collegato il motore passo-passo 36, che fa ruotare l’intera testa 10, grazie ai comandi impartiti da un sistema di controllo, non illustrato. Questo può utilizzare sia segnali diretti dal robot, sia un giroscopio-accelerometro posto sulla testa stessa, che ne rileva gli spostamenti nello spazio. As mentioned, the movement of the head 10 is made possible by the fact that the head is mounted inside a large-sized ball bearing 13, fixed to the connection flange with the arm 12 of the robot. The stepping motor 36 is connected to the same flange, which rotates the entire head 10, thanks to the commands given by a control system, not shown. This can use both direct signals from the robot and a gyroscope-accelerometer placed on the head itself, which detects its movements in space.

Il moto è trasmesso dal motore alla testa 10 per mezzo di un ingranaggio a corona dentata, non illustrato, per garantirne la precisione. The motion is transmitted from the motor to the head 10 by means of a crown gear, not shown, to ensure its accuracy.

L’utilizzo di tutti i metodi sopracitati su un robot a 6 o più assi consente di superare i vincoli di forma imposti dalla classica stampa a 3 assi, consentendo di creare veri e propri reticoli di fibra e resina termoplastica per una resistenza strutturale elevatissima rispetto a quella ottenuta con la normale stampa 3D, oltre al fatto di poter realizzare forme ancora più complesse per l’assenza di vincoli in termini di sottosquadra. The use of all the aforementioned methods on a robot with 6 or more axes allows to overcome the shape constraints imposed by the classic 3-axis printing, allowing the creation of real fiber and thermoplastic resin networks for a very high structural resistance compared to that obtained with normal 3D printing, in addition to the fact of being able to create even more complex shapes due to the absence of constraints in terms of undercut.

E’ tuttavia inteso che la testa 10 è strutturata per poter essere utilizzata su qualsiasi sistema di movimentazione, quali un supporto a 3 assi di grossi dimensioni su una macchina a controllo numerico, o su di un carroponte con asse verticale avente movimento rigido e non tramite gancio sospeso. However, it is understood that the head 10 is structured to be used on any movement system, such as a large 3-axis support on a numerically controlled machine, or on an overhead crane with a vertical axis having a rigid and non-rigid movement. hanging hook.

L’apparecchiatura secondo l’invenzione, ed i sistemi annessi, sono controllati da un sistema combinato di elettronica e software. The equipment according to the invention, and the related systems, are controlled by a combined system of electronics and software.

In una forma di attuazione, l’elettronica comprende una scheda multiprocessore che controlla tutto il funzionamento, da una scheda di interfaccia con il robot, che consente una gestione uniforme dei due, da un quadro di controllo dove, oltre alle due schede, sono alloggiati tutti i componenti di potenza, gli alimentatori, gli azionamenti dei motori e simili, e da una consolle di controllo per l’interfaccia uomo macchina. In one embodiment, the electronics comprises a multiprocessor card that controls all the operation, from an interface card with the robot, which allows uniform management of the two, from a control panel where, in addition to the two cards, they are housed all power components, power supplies, motor drives and the like, and a control console for the human-machine interface.

L’apparecchiatura comprende un sistema di raffreddamento diviso in due parti distinte, non illustrato. The equipment includes a cooling system divided into two distinct parts, not shown.

Una parte ha la funzione di raffreddare le parti funzionali della testa di stampa quali i motori e le parti di ingresso del materiale che non si devono scaldare. Questo tipo di raffreddamento è realizzato utilizzando un liquido refrigerante. One part has the function of cooling the functional parts of the print head such as the motors and the parts inlet of the material that must not be heated. This type of cooling is accomplished using a coolant.

Un’altra parte ha la funzione di raffreddare l’oggetto stampato per farlo indurire. Questo tipo di raffreddamento è realizzato tramite aria compressa. Another part has the function of cooling the printed object to make it harden. This type of cooling is achieved by means of compressed air.

Il sistema a liquido comprende una serie di cavità apposite all’interno dei componenti della testa 10 e di dissipatori esterni montati sui motori. Il liquido refrigerante è posto in circolazione da una pompa. Il sistema comprende anche una serie di termoresistenze montate sui componenti da raffreddare per monitorare la temperatura. The liquid system includes a series of special cavities inside the components of the head 10 and external heat sinks mounted on the motors. The coolant is circulated by a pump. The system also includes a series of resistance thermometers mounted on the components to be cooled to monitor the temperature.

Il raffreddamento del pezzo stampato invece sfrutta la stessa aria compressa, generata da un compressore, il cui flusso in uscita è controllato da un’elettrovalvola con controllo di flusso per permettere alla giusta quantità di aria di fluire sul pezzo da raffreddare. The cooling of the molded piece, on the other hand, uses the same compressed air, generated by a compressor, whose output flow is controlled by a solenoid valve with flow control to allow the right amount of air to flow onto the piece to be cooled.

Per ottenere una stampa performante e di qualità è vantaggioso poter fermare la fuoriuscita del composito, e poterla riprendere rapidamente senza operazioni da parte dell’uomo e senza sbavature. To obtain a high-performance and quality print, it is advantageous to be able to stop the composite from leaking, and to be able to resume it quickly without human operations and without smudging.

Secondo un aspetto dell’invenzione, l’estremità inferiore 32’ della vite senza fine 32 di estrusione ha forma conica (Figg. 8 e 9) ed è filettata lungo tutta la lunghezza del cono. Inoltre, il foro 52 di estrusione ha le pareti interne dimensionate per lasciare soltanto lo spazio indispensabile al passaggio del materiale in uscita senza creare accumuli. In tal modo la sola fermata del moto di rotazione della vite, o una brevissima rotazione in senso contrario a quello di estrusione, consentono di fermare il flusso in uscita, che può essere ripreso riattivando la rotazione della vite 32 nella direzione di estrusione. Alternativamente, il flusso in uscita può essere regolato e interrotto da un apposito otturatore, non illustrato, previsto nella parte terminale dell’ugello 50. According to one aspect of the invention, the lower end 32 'of the extrusion worm 32 has a conical shape (Figs. 8 and 9) and is threaded along the entire length of the cone. Furthermore, the extrusion hole 52 has internal walls sized to leave only the space indispensable for the passage of the outgoing material without creating accumulations. In this way, the mere stop of the rotation motion of the screw, or a very short rotation in the opposite direction to that of extrusion, allows to stop the outflow, which can be resumed by reactivating the rotation of the screw 32 in the extrusion direction. Alternatively, the outflow can be regulated and interrupted by a special shutter, not shown, provided in the terminal part of the nozzle 50.

Un aspetto dell’invenzione riguarda anche un metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo, comprendente le fasi di: An aspect of the invention also relates to a method for the three-dimensional printing of composite articles comprising continuous reinforcing elements, comprising the steps of:

a) alimentare una resina termoplastica e un elemento continuo di rinforzo ad una testa di stampa girevole intorno al suo asse longitudinale secondo un angolo di 360°; a) feeding a thermoplastic resin and a continuous reinforcing element to a printing head rotatable about its longitudinal axis according to an angle of 360 °;

b) fondere detta resina termoplastica in detta testa di stampa ed espellere un flusso di resina di corrispondente sezione poligonale; b) melting said thermoplastic resin in said printing head and expelling a flow of resin having a corresponding polygonal section;

c) movimentare detta testa di stampa secondo un programma predefinito per formare detto articolo mantenendo un orientamento spaziale predefinito di detto flusso di resina di sezione poligonale; c) moving said print head according to a predefined program to form said article while maintaining a predefined spatial orientation of said resin flow of polygonal section;

d) depositare detto flusso di resina su un piano o superficie di stampa per formare detto articolo con strati sovrapposti secondo il lati di detto flusso di resina di sezione poligonale. d) depositing said resin flow on a printing plane or surface to form said article with overlapping layers along the sides of said resin flow of polygonal section.

Ancora un altro aspetto dell’invenzione riguarda un metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo comprendente le seguenti fasi aggiuntive: Yet another aspect of the invention relates to a method for the three-dimensional printing of composite articles comprising continuous reinforcing elements comprising the following additional steps:

a1) unire un elemento continuo di rinforzo a detta resina termoplastica fusa e formare un flusso continuo di materiale composito comprendente detto elemento continuo di rinforzo e detta resina termoplastica fusa; a1) joining a continuous reinforcing element to said fused thermoplastic resin and forming a continuous flow of composite material comprising said continuous reinforcing element and said fused thermoplastic resin;

c1) mantenere fissa la posizione di detto elemento continuo di rinforzo rispetto a detta resina termoplastica fusa in detta testa di stampa. c1) keeping fixed the position of said continuous reinforcing element with respect to said thermoplastic resin melted in said print head.

Con riferimento alle figure, ed alla fase a), la resina termoplastica 11 è un polimero naturale o sintetico capace di essere portato allo stato fuso mediante riscaldamento e sottoposto a sforzi di taglio in un estrusore senza essere sostanzialmente degradato, in modo da essere lavorato nelle forme desiderate che vengono mantenute dopo raffreddamento. Esempi di resine termoplastiche sono il polietilene, il polipropilene, le poliammidi, i poliesteri. With reference to the figures, and to step a), the thermoplastic resin 11 is a natural or synthetic polymer capable of being brought to the molten state by heating and subjected to shear stresses in an extruder without being substantially degraded, so as to be processed in the desired shapes which are maintained after cooling. Examples of thermoplastic resins are polyethylene, polypropylene, polyamides, polyesters.

Con riferimento alle figure, ed alla fase a1), come definito in precedenza, il termine “elemento continuo di rinforzo” indica un filamento continuo o una fibra continua o un intreccio di fibre quale una corda o un nastro, indicato generalmente con 40, avente qualsiasi sezione trasversale, costituito da una resina naturale o sintetica, un metallo, vetro, carbonio, un materiale inorganico, o una combinazione di tali materiali. Nel caso di una resina sintetica, questa ha un punto di fusione superiore a quello della resina termoplastica. Alcune possibili sezioni trasversali sono mostrate nella Fig.4. With reference to the figures, and to step a1), as defined above, the term "continuous reinforcing element" indicates a continuous filament or a continuous fiber or a weave of fibers such as a rope or a ribbon, generally indicated with 40, having any cross section, consisting of a natural or synthetic resin, a metal, glass, carbon, an inorganic material, or a combination of such materials. In the case of a synthetic resin, it has a higher melting point than that of thermoplastic resin. Some possible cross sections are shown in Fig. 4.

Con riferimento alla fase b), il metodo prevede la fusione in un estrusore 28 contenuto nella testa di stampa 10 e l’estrusione di un flusso di resina fusa di sezione poligonale ad una velocità uguale alla velocità di alimentazione della fibra o filamento continuo 40. Con velocità di estrusione si intende la lunghezza dell’estruso per unità di tempo, ad esempio la lunghezza in millimetri del filamento emesso dall’estrusore per minuto. Se ad esempio la velocità di estrusione è di 2600 mm/min, anche la velocità di alimentazione della fibra 40 è regolata a 2600 mm/min. With reference to step b), the method provides for the fusion in an extruder 28 contained in the print head 10 and the extrusion of a flow of molten resin of polygonal section at a speed equal to the feeding speed of the fiber or continuous filament 40. By extrusion speed we mean the length of the extrudate per unit of time, for example the length in millimeters of the filament emitted by the extruder per minute. For example, if the extrusion speed is 2600 mm / min, the feeding speed of the fiber 40 is also set at 2600 mm / min.

Con riferimento alla fase c), il metodo prevede di mantenere un orientamento spaziale predefinito del flusso di resina di sezione poligonale, in modo da determinare la sovrapposizione degli strati nel modo desiderato. With reference to step c), the method provides for maintaining a predefined spatial orientation of the resin flow with a polygonal section, so as to determine the overlap of the layers in the desired way.

Con riferimento alla fase c1), il metodo prevede l’unione dell’elemento continuo di rinforzo, ad esempio un nastro 40B, alla resina fusa nella testa di stampa 10 prima della fuoriuscita dalla stessa. L’unione può consistere nell’inglobamento del nastro 40B nella resina fusa o l’adesione a parte della stessa. With reference to step c1), the method involves joining the continuous reinforcing element, for example a ribbon 40B, to the resin melted in the print head 10 before it comes out. The union may consist in the incorporation of the 40B tape in the molten resin or the adhesion to part of the same.

Secondo un aspetto del metodo secondo l’invenzione, la quantità di resina estrusa è variabile in modo da variare il rapporto tra la resina 11 e la fibra 40 nel materiale composito 18. According to one aspect of the method according to the invention, the amount of extruded resin is variable so as to vary the ratio between the resin 11 and the fiber 40 in the composite material 18.

Dopo il raffreddamento della resina la fibra 40 è unita in modo stabile e permanente alla resina in modo da formare un composito. After the resin has cooled, the fiber 40 is stably and permanently bonded to the resin to form a composite.

Con riferimento alla fase d), la testa di stampa viene posta in movimento da mezzi di movimentazione, quale ad esempio un robot industriale avente almeno tre gradi di libertà di movimento, secondo un programma prestabilito realizzato in funzione dell’oggetto da stampare. With reference to step d), the print head is set in motion by handling means, such as an industrial robot having at least three degrees of freedom of movement, according to a predetermined program made according to the object to be printed.

Secondo un aspetto del metodo secondo l’invenzione, l’intera testa di stampa 10 è in grado di ruotare su se stessa per 360°, in modo che la fibra 40, o il nastro 40B, mantengano sempre la stessa posizione relativa rispetto al getto di resina fusa, per qualsiasi posizione assuma il robot nella sua movimentazione. According to one aspect of the method according to the invention, the entire print head 10 is able to rotate on itself for 360 °, so that the fiber 40, or the ribbon 40B, always maintain the same relative position with respect to the jet of molten resin, for any position the robot assumes in its handling.

Come risulta dalla precedente descrizione, la possibilità di mantenere fissa la posizione relativa della fibra 40 rispetto al getto di resina fusa, la possibilità di regolare la quantità di resina rispetto alla fibra 40 nel composito finale 18 e la possibilità di incorporare elementi di rinforzo di varie forme e materiali, rende il metodo di stampa particolarmente flessibile e vantaggioso. As it appears from the previous description, the possibility of keeping the relative position of the fiber 40 fixed with respect to the cast of molten resin, the possibility of adjusting the quantity of resin with respect to the fiber 40 in the final composite 18 and the possibility of incorporating reinforcing elements of various shapes and materials, makes the printing method particularly flexible and advantageous.

Con riferimento alla fase d), il flusso di materiale composito 18 estruso dalla testa di stampa viene depositato su un piano o superficie di stampa 20 secondo strati successivi di materiale che si sovrappongono ed aderiscono uno all’altro in modo ottimale e formano un oggetto dalle superfici lisce e migliorate proprietà meccaniche. With reference to step d), the flow of composite material 18 extruded from the print head is deposited on a printing plane or surface 20 according to successive layers of material which overlap and adhere to each other in an optimal way and form an object with smooth surfaces and improved mechanical properties.

L’oggetto formato può infine essere raffreddato forzatamente per stabilizzarne la forma. Finally, the formed object can be forcibly cooled to stabilize its shape.

La realizzazione di strati di forma poligonale, preferibilmente quadrata o rettangolare, rinforza la struttura dell’oggetto ed elimina o semplifica le fasi finali di finitura. The creation of polygonal layers, preferably square or rectangular, reinforces the structure of the object and eliminates or simplifies the final finishing stages.

Si sottolinea che la possibilità di utilizzare ugelli con fori 52 di forma non circolare ma poligonale, ad esempio quadrati e rettangolari, permette di ottenere oggetti stampati aventi superfici più lisce e precise, anche con strati di deposizione molto spessi, oltre che aumentare la superficie di contatto effettiva fra gli strati, migliorando così anche le proprietà meccaniche dell’oggetto stampato. Infatti, poiché la forma del flusso di materiale composito 18 che deposita gli strati dell’oggetto 22 è data della forma del foro 52 dell’ugello, utilizzando ugelli con fori 52 quadrati e rettangolari si realizzano degli strati aventi una migliore aderenza tra di essi, migliorando la resistenza meccanica dell’intero oggetto. Inoltre, la superficie del pezzo stampato resterà più liscia, evitando che la grossa dimensione dello strato richieda ulteriori lavorazioni per renderlo più liscio. It should be emphasized that the possibility of using nozzles with 52 holes of non-circular but polygonal shape, for example square and rectangular, allows to obtain printed objects with smoother and more precise surfaces, even with very thick deposition layers, as well as increasing the surface of effective contact between the layers, thus also improving the mechanical properties of the printed object. In fact, since the shape of the flow of composite material 18 that deposits the layers of the object 22 is given by the shape of the hole 52 of the nozzle, by using nozzles with square and rectangular holes 52, layers are created which have a better adherence between them, improving the mechanical resistance of the whole object. In addition, the surface of the printed piece will remain smoother, avoiding that the large size of the layer requires further processing to make it smoother.

Con la forma poligonale del foro 52, ad esempio rettangolare, e regolando la dimensione relativa dei lati lungo e corto, risulta inoltre possibile variare la quantità di resina rispetto a quella di fibra continua presente nel materiale composito in uscita, per avere una resistenza strutturale ancora meglio regolabile e gestibile. With the polygonal shape of the hole 52, for example rectangular, and by adjusting the relative size of the long and short sides, it is also possible to vary the quantity of resin with respect to that of continuous fiber present in the composite material at the outlet, to have a structural resistance even better adjustable and manageable.

Claims (13)

RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per la stampa tridimensionale di articoli in resina termoplastica, comprendente una testa di stampa (10) associata a mezzi di movimentazione secondo almeno 3 assi, in cui detta testa di stampa comprende una camera di fusione (30) provvista di mezzi di riscaldamento (38) per detta resina termoplastica, mezzi alimentazione di detta resina termoplastica a detta camera di fusione (30) ed un ugello (50), caratterizzata dal fatto che detto ugello (50) comprende un foro di uscita (52) di sezione poligonale per detta resina termoplastica. CLAIMS 1. Apparatus for three-dimensional printing of articles in thermoplastic resin, comprising a print head (10) associated with handling means along at least 3 axes, in which said print head comprises a melting chamber (30) equipped with heating means (38) for said thermoplastic resin, means feeding said thermoplastic resin to said melting chamber (30) and a nozzle (50), characterized in that said nozzle (50) comprises an outlet hole (52) with a polygonal section for called thermoplastic resin. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta testa di stampa (10) è montata su detti mezzi di movimentazione in modo girevole per 360° intorno all’asse longitudinale Y. 2. Apparatus according to claim 1, characterized by the fact that said print head (10) is mounted on said movement means in a rotatable way for 360 ° around the longitudinal axis Y. 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta testa di stampa (10) è montata all’interno di un cuscinetto a sfere (13) fissato a detti mezzi di movimentazione. 3. Apparatus according to claim 2, characterized by the fact that said print head (10) is mounted inside a ball bearing (13) fixed to said handling means. 4. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazione da 1 a 3, caratterizzata dal fatto che detti mezzi alimentazione di detta resina termoplastica a detta camera di fusione (30) di detta testa di stampa (10) sono costituiti da una bobina di filo continuo o una tramoggia per il contenimento di granuli di detta resina termoplastica. 4. Apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said means for feeding said thermoplastic resin to said melting chamber (30) of said printing head (10) consist of a reel of continuous thread or a hopper for containing granules of said thermoplastic resin. 5. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazione da 1 a 4, caratterizzata dal fatto che detta testa di stampa (10) comprende mezzi per l’alimentazione di un elemento continuo di rinforzo e l’adduzione di tale elemento continuo di rinforzo a detto foro di uscita (52) di detto ugello (59). 5. Apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said print head (10) comprises means for feeding a continuous reinforcing element and feeding said continuous reinforcing element to said outlet (52) of said nozzle (59). 6. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazione da 1 a 5, caratterizzata dal fatto che detta testa di stampa (10) comprende un estrusore (28) per una resina termoplastica (11), mezzi alimentazione (24, 26) di detta resina termoplastica (11) a detto estrusore (28) e mezzi di guida (46, 56) di detto elemento continuo di rinforzo (40), in cui: - detto estrusore (28) comprende una camera di fusione (30), nella quale è montata una vite (32) girevole intorno al proprio asse longitudinale e all’asse longitudinale dell’estrusore (Y), mezzi di riscaldamento (38, 39) di detta resina termoplastica ed un ugello (50) - detto ugello (50) comprende un foro poligonale (52) di uscita di detta resina termoplastica fusa da detta camera di fusione (30), un canale di guida (56) di detto elemento continuo di rinforzo (40) verso detto foro poligonale (52) di uscita di detta resina termoplastica fusa. 6. Apparatus according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said print head (10) comprises an extruder (28) for a thermoplastic resin (11), feeding means (24, 26) for said thermoplastic resin ( 11) to said extruder (28) and guide means (46, 56) of said continuous reinforcing element (40), in which: - said extruder (28) comprises a melting chamber (30), in which a screw (32) is mounted that can rotate around its longitudinal axis and the longitudinal axis of the extruder (Y), heating means (38, 39) of said thermoplastic resin and a nozzle (50) - said nozzle (50) comprises a polygonal hole (52) for the outlet of said thermoplastic resin melted from said melting chamber (30), a guide channel (56) of said continuous reinforcing element (40) towards said polygonal hole ( 52) at the outlet of said melted thermoplastic resin. 7. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazione 5 e 6, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di alimentazione (43, 44) di detto elemento continuo di rinforzo (40) a detta testa di stampa (10) sono solidali con i movimenti di detta testa di stampa. 7. Apparatus according to any one of claims 5 and 6, characterized in that said feeding means (43, 44) of said continuous reinforcing element (40) to said printing head (10) are integral with the movements of said head of printing. 8. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazione precedenti, caratterizzata dal fatto che detto ugello ha forma tronco-conica, e che detto canale (56) di guida di detto elemento di rinforzo (40) è orientato obliquamente a partire da un foro (41) di accesso posto in prossimità del bordo esterno di detto ugello (50) fino a detto foro (52) di uscita di detta resina termoplastica fusa. 8. Apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that said nozzle has a frusto-conical shape, and that said guide channel (56) of said reinforcing element (40) is oriented obliquely starting from a hole (41) of access located near the outer edge of said nozzle (50) up to said outlet hole (52) of said melted thermoplastic resin. 9. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto elemento continuo di rinforzo (40) ha forma di fibra, filamento , intreccio o nastro. 9. Apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that said continuous reinforcing element (40) has the shape of a fiber, filament, weave or tape. 10. Metodo per la stampa tridimensionale di articoli comprendente le fasi di: a) alimentare una resina termoplastica ad una testa di stampa girevole intorno al suo asse longitudinale secondo un angolo di 360°; b) fondere detta resina termoplastica in detta testa di stampa avente un ugello con un foro di sezione poligonale ed espellere un flusso di resina di corrispondente sezione poligonale; c) movimentare detta testa di stampa secondo un programma predefinito per formare detto articolo mantenendo un orientamento spaziale predefinito di detto flusso di resina di sezione poligonale; d) depositare detto flusso di resina su un piano o superficie di stampa per formare detto articolo con strati sovrapposti o affiancati secondo il lati di detto flusso di resina di sezione poligonale, senza vincoli di complanarità tra detti strati e detta superficie di stampa. 10. Method for the three-dimensional printing of articles comprising the steps of: a) feeding a thermoplastic resin to a printing head rotatable about its longitudinal axis according to an angle of 360 °; b) melting said thermoplastic resin in said printing head having a nozzle with a hole of polygonal section and expelling a flow of resin of corresponding polygonal section; c) moving said print head according to a predefined program to form said article while maintaining a predefined spatial orientation of said resin flow of polygonal section; d) depositing said resin flow on a printing plane or surface to form said article with overlapping or side by side layers along the sides of said resin flow of polygonal section, without coplanarity constraints between said layers and said printing surface. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo comprendente le seguenti fasi aggiuntive: a1) unire un elemento continuo di rinforzo a detta resina termoplastica fusa e formare un flusso continuo di materiale composito comprendente detto elemento continuo di rinforzo e detta resina termoplastica fusa; c1) mantenere fissa la posizione di detto elemento continuo di rinforzo rispetto a detta resina termoplastica fusa in detta testa di stampa. Method according to claim 10, for the three-dimensional printing of composite articles comprising continuous reinforcing elements comprising the following additional steps: a1) joining a continuous reinforcing element to said fused thermoplastic resin and forming a continuous flow of composite material comprising said continuous reinforcing element and said fused thermoplastic resin; c1) keeping fixed the position of said continuous reinforcing element with respect to said thermoplastic resin melted in said print head. 12. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l’estrusione di detta resina fusa (11) da detto estrusore (28) è realizzata ad una velocità uguale alla velocità di alimentazione di detto elemento continuo di rinforzo (40). 12. Method according to the previous claim, characterized in that the extrusion of said molten resin (11) from said extruder (28) is carried out at a speed equal to the feeding speed of said continuous reinforcing element (40). 13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10 o 11, caratterizzato dal fatto che la quantità di detta resina termoplastica fusa è regolabile rispetto a detto elemento continuo di rinforzo. 13. Method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that the quantity of said melted thermoplastic resin is adjustable with respect to said continuous reinforcing element.
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