PL226598B1 - Głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarki 3D - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukowania elementów z tworzyw termoplastycznych, z ceramiki, betonu i innych podobnych materiałów w drukarce 3D, pracującej w technologii warstwowego osadzania materiału. Głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarki 3D, wyposażona w element prowadzący wewnątrz którego znajduje się kanał na podawany materiał -filament, zakończony dyszą, a element prowadzący przymocowany jest do bloku grzewczego z grzałką i czujnikiem temperaturowym oraz do ekstrudera, charakteryzuje tym, że do elementu prowadzącego (1) od dołu bloku grzewczego (4), zamocowany jest korpus (8) dyszy (3), na którym umieszczony jest obrotowy pierścień (9) mający na swojej wewnętrznej powierzchni popychacze, poza tym do korpusu (8) dyszy (3) zamocowane są co najmniej cztery sworznie, a na każdym z nich zamontowana jest obrotowo łopatka (12), natomiast na obrotowym pierścieniu (9) nacięta jest zębatka, która współpracuje z kołem zębatym (14) osadzonym na wale serwomechanizmu (16). W odmianie wynalazku głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarki 3D nastawianą ręcznie, obrotowy pierścień (9) wyposażony jest we wskaźnik, a na bloku grzewczym (4) wykonana jest podziałka.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza, do drukowania elementów z tworzyw termoplastycznych, z ceramiki, betonu i innych podobnych materiałów w drukarce 3D, pracującej w technologii warstwowego osadzania materiału.

Powszechnie znane i stosowane są w technologii warstwowego osadzania topionego materiału głowice, w których zamontowane są dysze stanowiące monoblok o stałej średnicy otworu wyjściowego. Wobec tego każdy wydruk, niezależnie od gabarytów jest wykonywany w tej samej rozdzielczości w płaszczyźnie horyzontalnej. Możliwa jest jedynie zmiana rozdzielczości w płaszczyźnie pionowej, poprzez zmianę grubości warstwy. W celu zapewnienia wyższej rozdzielczości wydruku w płaszczyźnie horyzontalnej stosowane są wymienne dysze, o różnych średnicach otworu wyjściowego. Dyszę można zmienić tylko w czasie postoju maszyny. Wykonanie wydruku z zastosowaniem wielu dysz wymienianych na głowicy w trakcie jednego wydruku jest niewykonalne, ponieważ proces ten należałoby wykonać tysiące razy.

Znane są również rozwiązania z ekstruderem drukarki 3D wyposażonym w głowicę z wieloma dyszami drukującymi o różnej średnicy otworu wyjściowego. Dysze te są zamontowane jedna obok drugiej, co znacząco zwiększa gabaryty ekstrudera.

Na rynku znane jest rozwiązanie zastosowane w drukarce Robox, które posiada ekstruder oraz głowicę, do której zamontowane są dwie dysze: jedna dysza o większej, druga dysza o mniejszej średnicy otworu wyjściowego. Poprzez zastosowanie odpowiedniego mechanizmu, materiał do druku - filament jest podawany przez jedną z dysz i tak dysza o mniejszej średnicy otworu wyjściowego wykorzystywana jest przy generowaniu zewnętrznych obrysów modelu, natomiast dysza o większej średnicy otworu wyjściowego wykorzystywana jest to generowania wypełnienia modelu oraz jego ostatniej dolnej i górnej warstwy.

Z amerykańskiego opisu wynalazku US 2015/0093465 A1 znane jest rozwiązanie, gdzie zastosowano system 3 dysz drukujących, każda o innej średnicy wyjściowej. Dzięki temu oprogramowanie sterujące drukarki ma możliwość wyboru średnicy wyjściowej dyszy dla danego typu generowanej ścieżki spośród trzech różnych średnic.

Według wynalazku głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarki 3D wyposażona w element prowadzący wewnątrz którego znajduje się kanał na podawany materiał - filament, zakończony dyszą, a element prowadzący przymocowany jest do bloku grzewczego z grzałką i czujnikiem temperaturowym oraz do ekstrudera, charakteryzuje się tym, że do elementu prowadzącego od dołu bloku grzewczego zamocowany jest korpus dyszy, na którym umieszczony jest obrotowy pierścień mający na swojej wewnętrznej powierzchni popychacze, poza tym do korpusu dyszy zamocowanych jest co najmniej cztery sworznie, a na każdym z nich zamontowana jest obrotowo łopatka, natomiast na obrotowym pierścieniu nacięta jest zębatka, która współpracuje z kołem zębatym osadzonym na wale serwomechanizmu.

W odmianie wynalazku głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarki 3D nastawianą ręcznie, wyposażona w element prowadzący, wewnątrz którego znajduje się kanał na podawany materiał - filament zakończony dyszą, a element prowadzący przymocowany jest do bloku grzewczego z grzałką i czujnikiem temperaturowym oraz do ekstrudera, charakteryzuje się tym, że do elementu prowadzącego od dołu bloku grzewczego zamocowany jest korpus dyszy, na którym umieszczony jest obrotowy pierścień mający na swojej wewnętrznej powierzchni popychacze, poza tym do korpusu dyszy zamocowanych jest co najmniej cztery sworznie, a na każdym z nich zamontowana jest obrotowo łopatka, natomiast obrotowy pierścień wyposażony jest we wskaźnik, a na bloku grzewczym wykonana jest podziałka.

Konstrukcja głowicy z dyszą wytłaczającą według wynalazku, dzięki zastosowaniu głowicy z dyszą o zmiennej średnicy otworu wyjściowego możliwe jest płynne regulowanie szerokości ścieżki wytłaczanej z głowicy, a co za tym idzie pozwala na generowanie brył o wysokiej rozdzielczości bez wydłużenia czasu wydruku. Ma to zastosowanie we wszystkich typach drukarek 3D pracujących w technologii warstwowego osadzania materiału. Za pomocą nowej konstrukcji głowicy można wykonywać zewnętrzne obrysy drukowanego obiektu mniejszą szerokością ścieżki, tzn. z większą rozdzielczością w płaszczyźnie poziomej modelu, co bardzo istotnie wpływa na poprawę jakości oraz lepsze odwzorowanie szczegółów w wytwarzanych detalach. Jednocześnie podpory modelu oraz jego wewnętrzne wypełnienie można wykonywać większą szerokością ścieżki, to jest z mniejszą rozdzielczością w płaszczyźnie poziomej modelu, co zapewnia znacznie krótszy czas dru kowania i zapewnia

PL 226 598 B1 wyższą wytrzymałość detalu. Płynna, a nie skokowa zmiana szerokości wytłaczanej ścieżki pozwala na dostosowanie rozdzielczości w płaszczyźnie poziomej drukarki do przyjętej rozdzielczości w płaszczyźnie pionowej, tj. do grubości warstwy.

Konstrukcja tej głowicy znajduje zastosowanie zarówno przy drukowaniu z tworzyw termoplastycznych, gdzie dysza jest gorąca, jak również przy drukowaniu z innych materiałów, takich jak beton, czy ceramika, gdzie nie ma potrzeby nagrzewania dyszy. Zaletą konstrukcji według wynalazku jest również to, że materiał wytłaczany jest tylko przez jeden kanał, co zapewnia ciągłość podawania tworzywa, a tym samym lepszą wytrzymałość i jakość wytwarzanego detalu.

Ze względu na to, że proces drukowania jest często czasochłonny w drukarkach drukujących z betonu, jak również w wielkogabarytowych drukarkach drukujących z tworzyw termoplastycznych, wielkość wytwarzanych detali wymusza stosowanie dysz o znacznie większej średnicy otworu wyjściowego, niż w przypadku tradycyjnych maszyn drukujących z tworzyw termoplastycznych, to nowa konstrukcja głowicy z dyszą zgodnie z wynalazkiem daje w tym przypadku możliwość wytwarzania wielkogabarytowych elementów o znacznie dokładniejszej i gładszej powierzchni zewnętrznej bez znacznego wydłużenia czasu generowania obiektu.

Kolejną zaletą nowej konstrukcji jest możliwość całkowitego zamknięcia dyszy drukującej, co zapobiega niekontrolowanym wyciekom materiału do druku. Ma to szczególne znaczenie przy drukowaniu z materiałów ziarnistych oraz bardzo elastycznych i gumopodobnych polimerów. Z kolei możliwość znacznego otwarcia dyszy jest pomocna przy niekontrolowanym zacięciu podawania filamentu wywołanym przez dostanie się obcej cząstki stałej do kanału głowicy. Maksymalne otwarcie dyszy zmniejszy wartość siły potrzebnej do wytłaczania tworzywa oraz pozwoli na wydostanie się cząstki z kanału głowicy.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia głowicę z dyszą wytłaczającą w przekroju wzdłużnym, fig. 2 przedstawia głowicę w widoku od dołu, fig. 3 przedstawia głowicę z dyszą wytłaczającą w przekroju wzdłużnym w wersji z dyszą nastawianą ręcznie, fig. 4 przedstawia głowicę w widoku od dołu w wersji z dyszą nastawianą ręcznie, fig. 5 przedstawia w widoku od przodu głowicę w wersji z dyszą nastawianą ręcznie.

Głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarek 3D wyposażona jest w element prowadzący 1, wewnątrz którego znajduje się kanał 2 na podawany materiał - filament zakończony dyszą 3. Element prowadzący 1 przymocowany jest do bloku grzewczego 4 z grzałką 5 i czujnikiem temperatury 6 oraz do ekstrudera 7. Od dołu bloku grzewczego 4 do elementu prowadzącego 1 zamocowany jest korpus 8 dyszy 3, na którym umieszczony jest obrotowy pierścień 9, mający na swojej wewnętrznej powierzchni popychacze 10. Do korpusu 8 dyszy 3 zamocowanych jest osiem sworzni 11, a na każdym z nich zamontowana jest obrotowo łopatka 12. Na obrotowym pierścieniu 9 nacięta jest zębatka 13, która współpracuje z kołem zębatym 14 osadzonym aa wale 15 serwomechanizmu 16.

W odmianie głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarek 3D w wersji z dyszą nastawianą ręcznie, wyposażona jest w element prowadzący 1, wewnątrz którego znajduje się kanał 2 na podawany materiał - filament zakończony dyszą 3. Element prowadzący 1 przymocowany jest do bloku grzewczego 4 z grzałką 5 i czujnikiem temperatury 6 oraz do ekstrudera 7. Od dołu bloku grzewczego 4 do elementu prowadzącego 1 zamocowany jest korpus 8 dyszy 3, na którym umieszczony jest obrotowy pierścień 9, mający na swojej wewnętrznej powierzchni popychacze 10. Do korpusu 8 dyszy 3 zamocowanych jest osiem sworzni 11, a na każdym z nich zamontowana jest obrotowo łopatka 12. Natomiast obrotowy pierścień 9 wyposażony jest we wskaźnik 17, a na bloku grzewczym 4 wykonana jest podziałka 18.

Blok grzewczy 4 oraz korpus 8 dyszy 3 wykonane są korzystnie z materiału o wysokiej przewodności cieplnej, powyżej 200 W/(m*K). Dzięki temu możliwy jest wydajny transfer ciepła z grzałki na dyszę, a przez nią na topiony materia! do druku. Łopatki 12 dyszy 3 wykonane są korzystnie z mosiądzu, który posiada dobre właściwości ślizgowe, które są potrzebne przy przeorientowaniu łopatek 12 względem siebie podczas obrotu pierścienia 9 oraz w trakcie, gdy przez dyszę 3 wytłaczany jest filament. Dodatkowo mosiądz charakteryzuje się dobrą przewodnością cieplną, co jest korzystne przy przekazywaniu ciepła na topiony filament. Element prowadzący 1 głowicy wykonany jest korzystnie ze stali nierdzewnej, dzięki czemu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną, a także znacznie niższą przewodnością cieplną, poniżej 60 W/(m*K), co powoduje, że stanowi on wstępny izolator tamujący przepływ ciepła na elementy ekstrudera 7. Wysoka wytrzymałość elementu prowadzącego 1 zapewnia długą eksploatację głowicy, chroniąc ją przed uszkodzeniem lub zniszczeniem.

Działanie głowicy z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarki 3D jest następujące:

PL 226 598 B1

Materiał do druku w postaci filamentu wprowadza się do ekstrudera 7, po czym trafia do kanału 2 w elemencie prowadzącym 1 głowicy. Blok grzewczy 4 zostaje rozgrzany za pomocą grzałki 5 do temperatury umożliwiającej topienie materiału do druku. Kontrola temperatury w głowicy jest realizowana za pomocą czujnika temperatury 6.

Serwomechanizm 16 poprzez wał 15 obraca o ustalony w oprogramowaniu kąt kołem zębatym 14, które współpracuje z zębatką 13 naciętą na obrotowym pierścieniu 9, osadzonym rei korpusie 8 dyszy 3, powodując obrót pierścienia 8.

Wraz z obrotem pierścienia 9 następuje przesunięcie popychaczy 10, które we współpracy z wydrążeniem w łopatkach 12 dyszy zamocowanych obrotowo na sworzniach 11 powoduje kątowe przesunięcie łopatek 12 dyszy 3. Jednoczesny obrót łopatek 12 dyszy 3 powoduje powiększanie lub pomniejszanie otworu wyjściowego z dyszy 3. Otwór ma kształt wielokąta foremnego, którego boki są ograniczone krawędziami łopatek 12 dyszy 3. Zwiększenie ilości łopatek 12 dyszy 3 pociąga za sobą zwiększenie ilości boków wielokąta, a tym samem przybliżenie do kształtu koła.

W wersji głowicy z dyszą nastawianą ręcznie, zmianę średnicy wyjściowej dyszy 3 realizuje się za pomocą klucza 19. Klucz 19 nakłada się na pierścień obrotowy 9. Poprzez obrócenie klucza 19 pierścień 9 zostaje obrócony o dany kąt. Precyzyjne ustalenie średnicy otworu wyjściowego z dyszy 3 jest możliwe za pomocą wskaźnika 17 oraz podziałki 18 wykonanej na bloku grzewczym 4. W wersjach głowicy pracującej na zimno, co dotyczy drukowania z betonu, ceramiki, bądź w innych zastosowaniach pierścień 9 dyszy 3 może być pozycjonowany ręcznie, bez użycia klucza 19.

Claims (2)

1. Głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarki 3D wyposażona w element prowadzący wewnątrz którego znajduje się kanał na podawany materiał - filament, zakończony dyszą, a element prowadzący przymocowany jest do bloku grzewczego z grzałką i czujnikiem temperaturowym oraz do ekstrudera, znamienna tym, że do elementu prowadzącego (1) od dołu bloku grzewczego (4) zamocowany jest korpus (8) dyszy (3), na którym umieszczony jest obrotowy pierścień (9) mający na swojej wewnętrznej powierzchni popychacze (10), poza tym do korpusu (8) dyszy (3) zamocowanych jest co najmniej cztery sworznie, a na każdym z nich zamontowana jest obrotowo łopatka (12), natomiast na obrotowym pierścieniu (9) nacięta jest zębatka (13), która współpracuje z kołem zębatym (14) osadzonym na wale serwomechanizmu (16).

2. Głowica z dyszą wytłaczającą, zwłaszcza do drukarki 3D nastawianą ręcznie, wyposażona w element prowadzący, wewnątrz którego znajduje się kanał na podawany materiał - filament zakończony dyszą, a element prowadzący przymocowany jest do bloku grzewczego z grzałką i czujnikiem temperaturowym oraz do ekstrudera, znamienna tym, że do elementu prowadzącego (1) od dołu bloku grzewczego (4) zamocowany jest korpus (8) dyszy (3), na którym umieszczony jest obrotowy pierścień (9) mający na swojej wewnętrznej powierzchni popychacze (10), poza tym do korpusu (8) dyszy (3) zamocowanych jest co najmniej cztery sworznie, a na każdym z nich zamontowana jest obrotowo łopatka (12), natomiast obrotowy pierścień (9) wyposażony jest we wskaźnik (17), a na bloku grzewczym (4) wykonana jest podziałka (18).