PL226634B1

PL226634B1 - Extruder of a 3D printer

Info

Publication number: PL226634B1
Application number: PL412617A
Authority: PL
Inventors: Rafał Tomasiak
Original assignee: Zortrax Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2017-08-31
Also published as: PL412617A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest ekstruder drukarki 3D przeznaczony do drukowania elementów z tworzyw termoplastycznych. Ekstruder montowany jest na drukarce pracującej w technologii warstwowego osadzania topionego materiału.The subject of the invention is a 3D printer extruder intended for printing elements from thermoplastics. The extruder is mounted on a printer operating in the technology of layered deposition of melted material.

Obecnie w technologii warstwowego osadzania topionego materiału powszechne są ekstrudery dwumateriałowe z dwoma oddzielnymi mechanizmami posuwu filamentu, czyli materiału do druku. Na każdy mechanizm posuwu składa się koło posuwu filamentu o chropowatym ukształtowaniu powierzchni celem zapewnienia większego tarcia z filamentem, rolka dociskowa filamentu oraz napęd koła posuwu filamentu realizowany przez osadzenie tego koła bezpośrednio na wale silnika lub poprzez zastosowanie przekładni od wału silnika do wału koła posuwu. Zatem, w jednym esktruderze występują 2 silniki odpowiedzialne za posuw filamentu, co znacznie zwiększa gabaryty ekstrudera, a także jego masę, a co za tym idzie bezwładność wózka ekstrudera. Znane są również rozwiązania z jednym silnikiem oraz jednym kołem posuwowym w dwumateriałowym ekstruderze. Jednakże, w tego typu rozwiązaniach przełączenie pomiędzy jednym a drugim filamentem następuje przez dojechanie wózka ekstrudera do lewego lub prawego zderzaka mocowanego na ścianie drukarki, co aktywuje dźwignię przełączającą docisk z jednego materiału na drugi. Wprawdzie rozwiązanie to skutkuje tutaj tylko jeden silnik, lecz jego wadą jest wydłużenie czasu drukowania przez konieczność dojazdu do zderzaka celem przełączenia materiału, co ma miejsce dla każdej warstwy, w której występują dwa materiały. Zatem proces ten musi być zainicjowany setki, a nawet tysiące razy podczas jednego wydruku, co znacząco zwiększa czas drukowania elementów.Currently, in the technology of layered deposition of fused material, two-material extruders with two separate feed mechanisms of the filament, i.e. the material for printing, are common. Each feed mechanism consists of a filament feed wheel with a rough surface to ensure greater friction with the filament, a filament pressure roller and a filament feed wheel drive realized by mounting the wheel directly on the motor shaft or by using a gear from the motor shaft to the feed wheel shaft. Thus, in one extruder there are 2 motors responsible for the filament advance, which significantly increases the dimensions of the extruder, as well as its mass, and thus the inertia of the extruder carriage. There are also known solutions with one motor and one feed wheel in a two-material extruder. However, in such solutions, switching between one and the other filament takes place by reaching the extruder carriage to the left or right bumper mounted on the printer wall, which activates the lever switching the pressure from one material to another. Although only one motor results in this solution, it has the disadvantage of extending the printing time by having to travel to the stop for material switching, which is the case for each layer in which two materials are present. Therefore, this process must be initiated hundreds or even thousands of times during a single print, which significantly increases the time of printing elements.

Znana jest z patentu nr US 8 827 684 B1 drukarka 3D oraz zespół głowicy drukującej z wieloma włóknami ciągłymi. Drukarka wytwarzająca stopione włókna ciągłe posiada zainstalowany moduł wytłaczający z wieloma głowicami drukarskimi z końcówkami drukującymi. Stały układ głowic drukujących umożliwia bliskie ułożenie wielu końcówek drukujących w głowicy drukującej oraz proste kierowanie wielu włókienek tworzywowych lub metalowych do poszczególnych głowic drukujących. Blisko siebie rozmieszczone końcówki drukujące w zespole głowicy mają wspólne komponenty. Przykładowy zespół głowicy drukującej posiada cztery głowice drukujące, które mają wspólny blok grzewczy oraz wspólny czujnik temperatury bloku grzewczego. Blok grzewczy zawiera grupę czterech końcówek drukujących równo rozmieszczonych liniowo. Każda głowica drukująca posiada oddzielne włókno, które jest kontrolowane i kierowane przez własny silnik krokowy poprzez blok grzewczy do jednej z końcówek drukujących. Drukowanie części odbywa się przez sterowanie poszczególnych silników krokowych, które przeprowadzają włókna poprzez blok grzewczy oraz przez jedną z końcówek drukujących.There is known from US Patent No. 8,827,684 B1 a 3D printer and a printhead assembly with a plurality of filaments. A printer producing a molten filament has an embossing module installed with multiple printing heads with printing tips. The fixed arrangement of the printheads enables the plurality of print tips to be closely positioned in the printhead and the simple direction of multiple plastic or metal filaments to the individual printheads. The closely spaced print nozzles in the printhead assembly share common components. An exemplary printhead assembly includes four printheads that share a common heat block and a common heat block temperature sensor. The heater block contains a group of four equally spaced printing tips. Each print head has a separate filament which is controlled and directed by its own stepper motor through a heating block to one of the print terminals. The printing of the parts is done by controlling the individual stepper motors which guide the fibers through the heating block and through one of the printing terminals.

Znana jest ze zgłoszenia wynalazku nr US 2007 228 590 jednosilnikowa głowica wytłaczająca z wieloma liniami wytłaczania. Głowica wytłaczająca, zawierająca co najmniej jedno koło napędowe oraz zespół z możliwością ustawiania, między co najmniej pierwszym a drugim położeniem. Zespół zawiera pierwszą linię wytłaczania skonfigurowaną tak, aby sprzęgnąć co najmniej jedno koło napędowe, gdy zespół jest ustawiony w pierwszym położeniu oraz drugą linię wytłaczania skonfigurowaną tak, aby sprzęgnąć co najmniej jedno koło napędowe, gdy zespół znajduje się w drugim położeniu.A single-engine extrusion head with multiple extrusion lines is known from the application of the invention No. US 2007 228 590. An extrusion head including at least one drive wheel and an adjustable assembly between at least a first and a second position. The assembly includes a first embossing line configured to engage at least one drive wheel when the assembly is in the first position and a second embossing line configured to engage at least one drive wheel when the assembly is in a second position.

Z kolei typowe znane obecnie ekstrudery dwumateriałowe posiadają 2 silniki posuwu filamentu, przez co masa takiego ekstrudera jest wyraźnie większa. Skutkuje to wzrostem bezwładności wózka ekstrudera, co powoduje, że większa siła jest potrzebna do przemieszczania liniowego wózka podczas drukowania, przy zachowaniu tych samych wartości przyspieszenia wózka.On the other hand, the typical currently known bi-material extruders have 2 filament feed motors, so the mass of such an extruder is significantly higher. This results in an increase in the inertia of the extruder carriage, which means that more force is needed to move the linear carriage during printing, while maintaining the same acceleration values of the carriage.

Według wynalazku ekstruder drukarki 3D wyposażony w korpus, do którego zamocowany jest silnik a na wale silnika znajduje się koło posuwu filamentu, a w korpusie ekstrudera znajdują się dwa kanały, którymi doprowadzane są materiały do głowicy drukarki, a następnie do dyszy, natomiast do głowicy drukarki doprowadzony jest element grzewczy, a powyżej głowicy drukarki znajduje się układ odprowadzania ciepła, charakteryzuje się tym, że do korpusu ekstrudera zamocowane są obrotowo dwie symetryczne do siebie dźwignie docisku filamentu. Dźwignie są od spodu połączone przegubowo z łącznikiem tworząc czworobok przegubowy. Z kolei od góry każda z dźwigni posiada rolkę docisku filamentu. Między dźwigniami znajduje się serwonapęd, na wale którego osadzone jest ramię aktywujące dźwignię docisku. Dzięki zastosowaniu tego ekstrudera możliwe jest generowanie brył dwumateriałowych, podczas gdy gabaryty i masa tego ekstrudera są bardzo zbliżone do typowego ekstrudera jednomateriałowego.According to the invention, a 3D printer extruder equipped with a body to which the motor is attached, and on the motor shaft there is a filament feed wheel, and in the extruder body there are two channels through which materials are fed to the printer head, and then to the nozzle, and to the printer head. there is a heating element, and above the printer head there is a heat dissipation system, characterized by the fact that two symmetrical filament pressure levers are rotatably attached to the extruder body. The levers are articulated underneath the link to form an articulated quadrilateral. In turn, from the top, each lever has a filament pressure roller. Between the levers there is a servo drive, on the shaft of which is an arm activating the clamping lever. Thanks to the use of this extruder, it is possible to generate two-material solids, while the dimensions and mass of this extruder are very similar to a typical single-material extruder.

PL 226 634 B1PL 226 634 B1

Zaletą zaprezentowanej konstrukcji są jej gabaryty porównywalne do rozwiązań konstrukcyjnych dostosowanych do wytłaczania tylko jednego materiału. Dzięki temu głowica, która wytłacza dwa materiały nie wymaga powiększenia wymiarów drukarki celem zachowania tego samego pola roboczego, co w przypadku ekstrudera jednomateriałowego.The advantage of the presented structure is its dimensions comparable to the design solutions adapted to the extrusion of only one material. Thanks to this, the head that extrudes two materials does not require enlarging the dimensions of the printer in order to maintain the same working area as in the case of a single-material extruder.

Kolejną zaletą jest niska masa prezentowanego ekstrudera. Dzięki temu, że ekstruder posiada jeden silnik, który obsługuje wytłaczanie dwóch materiałów, masa tego podzespołu jest porównywalna z masą typowego ekstrudera jednomateriałowego.Another advantage is the low weight of the presented extruder. Due to the fact that the extruder has one motor that handles the extrusion of two materials, the weight of this component is comparable to the weight of a typical single-material extruder.

Ekstruder posiada centralnie umieszczony serwomechanizm, który jest odpowiedzialny za przełączanie wytłaczania pomiędzy jednym materiałem a drugim. Dzięki temu rozwiązaniu zmiana materiału następuje bardzo szybko, co znacząco skraca czas wydruku w porównaniu do znanego rozwiązania ekstrudera z jednym silnikiem, gdzie za każdym razem, aby zmienić materiał konieczne jest dojeżdżanie wózka z ekstruderem do zderzaka mocowanego do bocznej ściany drukarki. Ze względu na charakterystykę drukowania przestrzennego, proces zmiany filamentu z materiału budulcowego na podporowy inicjowany jest setki albo tysiące razy na wydruk, w związku z tym prezentowane rozwiązanie konstrukcyjne ekstrudera zapewnia znacznie skrócenie czasu wydruku.The extruder has a centrally located servo which is responsible for switching the extrusion between one material and another. Thanks to this solution, the material change takes place very quickly, which significantly reduces the printing time compared to the known solution of an extruder with one motor, where each time to change the material it is necessary to drive the cart with the extruder to the bumper attached to the side wall of the printer. Due to the characteristics of 3D printing, the process of changing the filament from the building material to the support material is initiated hundreds or thousands of times per print, therefore the presented extruder design solution significantly reduces the printing time.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ekstrudera w widoku z przodu.The subject of the invention has been presented in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic view of an extruder in front view.

Ekstruder drukarki 3D stanowi korpus ekstrudera 1, do którego zamocowany jest silnik ekstrudera 2. Na wale silnika ekstrudera 2 znajduje się koło posuwu filamentu 3, korzystnie z ząbkowaną powierzchnią w celu zwiększenia przyczepności filamentu do koła posuwu 3. W korpusie ekstrudera 1 znajdują się dwa kanały 4 i 5, którymi za pośrednictwem napędu od koła posuwu 3 jeden i drugi materiał są doprowadzane do głowicy drukarki 6, a następnie do dyszy 7. Do głowicy drukarki doprowadzony jest element grzewczy 8, który rozgrzewa materiał do temperatury topnienia. Dysza 7 posiada otwór węższy od średnicy filamentu, przez co możliwe jest precyzyjne nakładanie ekstrudowanego filamentu. Powyżej głowicy drukarki 6 znajduje się układ odprowadzania ciepła, na który składają się radiatory 9 oraz wentylator 10. Do korpusu ekstrudera 1 zamocowane są obrotowo dwie symetryczne do siebie dźwignie 11a i 11b docisku filamentu. Dźwignie są od spodu połączone przegubowo z łącznikiem 12 tworząc czworobok przegubowy. Z kolei od góry każda z dźwigni 11 posiada rolkę docisku 13a i 13b filamentu. Między dźwigniami znajduje się serwonapęd 14, na wale którego osadzone jest ramię 15 aktywujące dźwignię docisku 11. Powyżej dźwigni docisku filamentu znajdują się rolki pomiarowe 16, wyposażone w enkodery które posiadają przetworniki do pomiaru ruchu obrotowego.The extruder of the 3D printer is the body of extruder 1, to which the extruder motor 2 is attached. On the shaft of the extruder motor 2 there is a filament feed wheel 3, preferably with a serrated surface to increase the adhesion of the filament to the feed wheel 3. There are two channels in the extruder body 1 4 and 5, through which, via the drive from the feed wheel 3, both materials are fed to the printer head 6 and then to the nozzle 7. A heating element 8 is brought to the printer head, which heats the material to the melting point. The nozzle 7 has an opening that is narrower than the diameter of the filament, which enables precise application of the extruded filament. Above the printer head 6 there is a heat dissipation system consisting of heat sinks 9 and a fan 10. Two filament clamp levers 11a and 11b are rotatably fixed to the extruder body 1. The levers are articulated underneath the linkage 12 to form an articulated quadrilateral. In turn, from the top, each of the levers 11 has a filament pressure roller 13a and 13b. Between the levers there is a servo drive 14, on the shaft of which an arm 15 activating the clamping lever 11 is mounted. Above the filament clamping lever there are measuring rollers 16 equipped with encoders with transducers for measuring rotational motion.

Zasada działaniaPrinciple of operation

Pierwszy materiał budulcowy w postaci filamentu wprowadzany jest do jednego z kanałów w korpusie ekstrudera 1, np. kanału 4. Za pomocą elementu grzewczego 8 następuje rozgrzanie głowicy drukarki 6 do temperatury topnienia polimeru. Silnik 2 napędza koło posuwu filamentu 3 o ząbkowanej powierzchni w celu zwiększenia przyczepności filamentu do koła 3. Poprzez ruch obrotowy koła posuwu 3 przeciwnie do wskazówek zegara filament jest wprowadzony kanałem 4 do głowicy drukarki 6, gdzie wytłaczany jest na zewnątrz przez dyszę głowicy 7. Posuw filamentu jest możliwy dzięki dociśnięciu filamentu do koła posuwu 3 rolką docisku filamentu 13a. Rolka docisku ma możliwość dosuwania i odsuwania od filamentu, dzięki temu, że jest zamocowana na obrotowo mocowanej dźwigni docisku 11a. Siłę na dźwignię docisku 11a wywiera serwomechanizm 14 za pośrednictwem obrotowego ramienia 15. Po załadunku materiału budulcowego do kanału 4 i wytłoczeniu go z dyszy głowicy 7 możliwe jest załadowanie materiału podporowego w postaci filamentu. Jest on wprowadzany do kanału 5. Następuje wówczas zmiana pozycji ramienia 14 na docisk dźwigni 11b, która to z kolei za pośrednictwem rolki 13b wywiera nacisk na filament celem zapewnienia wysokiego tarcia z kołem posuwu 3. Połączenie dźwigni 11a i 11b łącznikiem 12 powoduje, że w momencie zmiany położenia ramienia 15 na docisk dźwigni 11b, rolka 13a na dźwigni 11a zostaje odsunięta od filamentu stanowiącego materiał budulcowy, zatem docisk filamentu budulcowego jest zwolniony. Wówczas, po nadaniu docisku rolką 13b koło posuwu 3 zaczyna się obracać w drugim kierunku, to jest zgodnym ze wskazówkami zegara, celem nadania posuwu filamentu podporowego i wprowadzania go do głowicy 8, a następnie do dyszy 7. Poprzez ruch filamentu następuje obrót rolki pomiarowej 16, a tym samym zliczanie impulsów na enkoderze. Po odpowiednim przeliczeniu do układu dostarczana jest na bieżąco informacja o długości przesunięcia filamentu.The first building material in the form of a filament is introduced into one of the channels in the extruder body 1, e.g. channel 4. By means of a heating element 8, the printer head 6 is heated to the melting point of the polymer. The motor 2 drives the filament feed wheel 3 with a serrated surface in order to increase the adhesion of the filament to the wheel 3. By rotating the feed wheel 3 counterclockwise, the filament is fed through the channel 4 into the printer head 6, where it is extruded out through the head nozzle 7. Feed of filament is made possible by pressing the filament against the feed wheel 3 with a filament pressure roller 13a. The pressure roller can be moved in and out of the filament, thanks to the fact that it is mounted on the pivotally mounted pressure lever 11a. The force on the clamping lever 11a is exerted by the servo mechanism 14 via the rotating arm 15. After loading the building material into the channel 4 and extruding it from the nozzle of the head 7, it is possible to load the support material in the form of a filament. It is introduced into the channel 5. The position of the arm 14 is then changed to the pressure of the lever 11b, which in turn, via the roller 13b, exerts a pressure on the filament in order to ensure high friction with the feed wheel 3. The connection of the levers 11a and 11b with the connector 12 causes the when the position of the arm 15 is changed to the pressure of the lever 11b, the roller 13a on the lever 11a is moved away from the building material filament, thus the pressure of the building filament is released. Then, after applying the pressure with the roller 13b, the feed wheel 3 starts to rotate in the second direction, i.e. clockwise, to feed the support filament and introduce it into the head 8 and then into the nozzle 7. Movement of the filament causes the rotation of the measuring roller 16. and thus counting the pulses on the encoder. After appropriate conversion, information about the length of the filament shift is provided to the system on an ongoing basis.

W momencie, kiedy końcówka filamentu przemieści się poniżej rolki pomiarowej 16, rolka przestaje się obracać, co daje informację zwrotną do układu pomiarowego drukarki, że nie następuje wytłaczanie materiału.As soon as the filament tip passes below the measuring roll 16, the roll stops rotating, which gives feedback to the printer's measuring system that no material is extruded.

Claims

Patent claim

1. 3D printer extruder equipped with a body to which the motor is attached, and on the motor shaft there is a filament feed wheel, and in the extruder body there are two channels through which materials are fed to the printer head, then to the nozzle, and to the printer head a heating element is supplied, and above the printer head there is a heat dissipation system, characterized in that two levers (11a) and (11b) for the filament clamp are rotatably attached to the extruder body (1), which are articulated from the bottom with with a connector (12) forming an articulated quadrilateral, while on the top each lever (11a) and (11b) has a roller (13a) and (13b) of the filament clamp, and between the levers there is a servo drive (14), on the shaft of which the arm (15 ) activating the pressure levers (11a) and (11b).

Drawing