RU215588U1

RU215588U1 - GRANULAR EXTRUDER FOR MANUFACTURING 3D PRINTED PRODUCTS

Info

Publication number: RU215588U1
Application number: RU2022114040U
Authority: RU
Inventors: Антон Дмитриевич Куракин
Original assignee: Антон Дмитриевич Куракин
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2022-12-19

Abstract

Полезная модель относится к технологии изготовления объемного изделия по цифровой 3D-модели методом послойного наплавления расплавленных полимерных гранул (FGF/FGM), в частности к экструдерам для 3D-принтеров. Экструдер предназначен для 3D-печати наполненными и ненаполненными термопластичными полимерами, восками в виде гранул или вторичного сырья с температурой плавления до 500°С. Экструдер выполнен модульным, состоящим из двух основных модулей, соединяемых при помощи винтов: верхний модуль включает в себя электродвигатель с редуктором, прикрепленный к нему охлаждаемый корпус со штуцером для подачи гранул с газоотводящими отверстиями и шнек, устанавливаемый через муфту, штуцер жидкостной системы охлаждения, датчик контроля наличия гранул. Дополнительно в охлаждаемом корпусе установлена загрузочная воронка с продольными пазами прямоугольной формы переменной глубины, выполненными уменьшающимися в направлении перемещения материала, и распаячную коробку с электрическими соединителями. Нижний модуль включает в себя фланец, к которому присоединен цилиндр, с устанавливаемыми на него нагревателями, датчиками контроля температуры и соплом, дополнительно на фланце установлен защитный кожух и устройство обдува, коммутация проводов между модулями осуществляется при помощи электрического соединителя. Техническим результатом является обеспечение качества процесса экструзии. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

The utility model relates to the technology of manufacturing a three-dimensional product from a digital 3D model by layer-by-layer deposition of molten polymer granules (FGF/FGM), in particular, to extruders for 3D printers. The extruder is designed for 3D printing with filled and unfilled thermoplastic polymers, waxes in the form of granules or recycled materials with a melting point of up to 500°C. The extruder is made modular, consisting of two main modules connected with screws: the upper module includes an electric motor with a gearbox, a cooled housing attached to it with a fitting for supplying granules with gas outlet holes and an auger installed through a coupling, a liquid cooling system fitting, a sensor control of the presence of granules. Additionally, in the cooled case there is a loading funnel with rectangular longitudinal slots of variable depth, made decreasing in the direction of material movement, and a junction box with electrical connectors. The lower module includes a flange to which the cylinder is attached, with heaters installed on it, temperature control sensors and a nozzle, an additional protective cover and a blower device are installed on the flange, the wires between the modules are switched using an electrical connector. The technical result is to ensure the quality of the extrusion process. 1 z.p. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к технологии изготовления объемного изделия по цифровой 3D-модели методом послойного направления расплавленных полимерных гранул (FGF/FGM), в частности к экструдерам для 3D-принтеров. Устройство представляет собой вертикальный шнековый экструдер, который предназначен для установки на 3D-принтеры и роботизированные манипуляторы. Экструдер предназначен для 3D-печати наполненными и ненаполненными термопластичными полимерами, восками в виде гранул или вторичного сырья с температурой плавления до 500 градусов Цельсия.The utility model relates to the technology of manufacturing a three-dimensional product using a digital 3D model by the method of layer-by-layer direction of molten polymer granules (FGF/FGM), in particular, to extruders for 3D printers. The device is a vertical screw extruder designed for installation on 3D printers and robotic arms. The extruder is designed for 3D printing with filled and unfilled thermoplastic polymers, waxes in the form of granules or recycled materials with a melting point of up to 500 degrees Celsius.

Известен экструдер (патент KR №101894845, МПК: В29В 9/12, В29С 48/395, В29С 67/00, B33Y 30/00, опубл. 29.10.2018), который содержит электродвигатель, соединенный с корпусом, в котором располагаются входной штуцер для подачи гранул, шнек, нагреватель, цилиндр, сопло.An extruder is known (patent KR No. 101894845, IPC: B29B 9/12, B29C 48/395, B29C 67/00, B33Y 30/00, publ. 10/29/2018), which contains an electric motor connected to a housing in which the inlet fitting is located for feeding granules, auger, heater, cylinder, nozzle.

Недостаток известной конструкции заключается в том, что площадь сечения винтовой канавки по всей длине шнека постоянная, нагрев цилиндра однозонный, что сказывается на однородности и равномерности экструзии полимерного материала, установлена воздушная система охлаждения, использование которой увеличивает габариты устройства и ограничивает выбор тугоплавких термопластичных полимерных материалов в качестве расходного материала.The disadvantage of the known design is that the cross-sectional area of the helical groove along the entire length of the screw is constant, the heating of the cylinder is single-zone, which affects the uniformity and uniformity of the extrusion of the polymer material, an air cooling system is installed, the use of which increases the dimensions of the device and limits the choice of refractory thermoplastic polymer materials in as a consumable.

Известен экструдер (патент RU 203882, МПК В29С 48/395, B33Y 30/00, опубл. 26.04.2021), который является наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому техническому решению, и принят за прототип, который содержит электродвигатель с редуктором, соединенный с корпусом, в котором располагаются входной штуцер для подачи гранул с газоотводящими отверстиями, штуцер жидкостной системы охлаждения, лабиринт жидкостного охлаждения, датчик контроля наличия гранул, цилиндр с установленным в него шнеком, нагревателями и сопло, расположенные на цилиндре.An extruder is known (patent RU 203882, IPC B29C 48/395, B33Y 30/00, publ. 04/26/2021), which is the closest analogue in technical essence to the claimed technical solution, and is taken as a prototype, which contains an electric motor with a gearbox connected with a housing in which there is an inlet fitting for supplying granules with gas outlet holes, a fitting for a liquid cooling system, a liquid cooling labyrinth, a sensor for monitoring the presence of granules, a cylinder with an auger installed in it, heaters and a nozzle located on the cylinder.

Недостаток прототипа является неравномерный забор гранул, закусывание гранул в зоне забора, сниженная производительность, трудоемкость в техническом обслуживании, необходимость установки большого количества нагревателей, отсутствие устройства обдува экструдируемого материала и защиты горячей части экструдера.The disadvantage of the prototype is the uneven intake of granules, the biting of granules in the intake area, reduced productivity, the complexity of maintenance, the need to install a large number of heaters, the absence of a device for blowing the extruded material and protecting the hot part of the extruder.

Технической проблемой, не решенной в известном устройстве, решение которой обеспечивается заявляемой полезной моделью, является неоднородность забора гранул и низкая производительность экструдера.A technical problem not solved in the known device, the solution of which is provided by the claimed utility model, is the heterogeneity of the intake of granules and the low productivity of the extruder.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение равномерного забора гранул без закусывания, сегментация крупных гранул и как результат повышение производительности, применение модульной конструкции, облегчающей обслуживание экструдера, применение спиральных нагреватели позволяющих выполнять более равномерный прогрев цилиндра и снизить количества нагревательных элементов, наличие устройства обдува повышающего качество печатаемой геометрии, защита горячей части экструдера от внешнего воздействия.The technical task of the proposed utility model is to ensure a uniform intake of granules without snacking, segmentation of large granules and, as a result, an increase in productivity, the use of a modular design that facilitates maintenance of the extruder, the use of spiral heaters that allow for more uniform heating of the cylinder and reduce the number of heating elements, the presence of a blowing device that improves quality printable geometry, protection of the hot part of the extruder from external influences.

Технический результат предлагаемой полезной модели является создание экструдера с повышенной равномерностью забора гранул, улучшенной равномерностью прогрева цилиндра, устройством обдува укладываемого полимера, качественной экструзией за счет повышенной однородности и равномерности экструдируемого материала и в целом повышенной производительностью экструдера.The technical result of the proposed utility model is the creation of an extruder with increased uniformity of the intake of granules, improved uniformity of heating the cylinder, blowing device for the stacked polymer, high-quality extrusion due to increased uniformity and uniformity of the extruded material and, in general, increased extruder productivity.

Техническая проблема решается за счет того, что в экструдере гранульном для изготовления трехмерных печатных изделий, содержащем электродвигатель с редуктором, соединенным с корпусом, в котором располагаются входной штуцер для подачи гранул с газоотводящими отверстиями, штуцеры жидкостной системы охлаждения, лабиринт жидкостного охлаждения, датчик контроля наличия гранул, цилиндр с установленным в него шнеком и сопло, расположенное на цилиндре, при этом шнек выполнен с постоянной шириной винтовой канавки, но с изменяющейся площадью, и содержащий зоны загрузки, сжатия, гомогенизация и дозирования, а цилиндр имеет три участка нагрева, на каждом участке нагрева установлен нагреватель и датчик контроля температуры, согласно полезной модели, экструдер выполнен модульным, состоящим из двух основных модулей соединяемых при помощи винтов: верхний модуль, включает в себя электродвигатель с редуктором, с прикрепленным к нему охлаждаемым корпусом с входным штуцером для подачи гранул с газоотводящими отверстиями и шнеком устанавливаемым через муфту, штуцером жидкостной системы охлаждения, датчиком контроля наличия гранул, дополнительно в зоне загрузки установлена загрузочная воронка, выполненная с продольными пазами прямоугольной формы переменной глубины (уменьшающиеся в направлении перемещения материала), и распаячная коробка с электрическими соединителями (разъемами), а нижний модуль включает в себя фланец к которому присоединен цилиндр, с устанавливаемыми на него нагревателями, датчиками контроля температуры и соплом, дополнительно на фланце установлен защитный кожух и устройство обдува, коммутация проводов между модулями осуществляется при помощи электрического соединителя (разъема).The technical problem is solved due to the fact that in a granular extruder for the manufacture of three-dimensional printed products, containing an electric motor with a gearbox connected to a housing in which there is an inlet fitting for supplying granules with gas outlet holes, fittings for a liquid cooling system, a liquid cooling labyrinth, a sensor for monitoring the presence granules, a cylinder with a screw installed in it and a nozzle located on the cylinder, while the screw is made with a constant width of the helical groove, but with a changing area, and containing loading, compression, homogenization and dosing zones, and the cylinder has three heating sections, on each a heater and a temperature control sensor are installed in the heating section, according to the utility model, the extruder is made modular, consisting of two main modules connected with screws: the upper module includes an electric motor with a gearbox, with a cooled housing attached to it with an inlet fitting for supplying granules with gas outlet with holes and an auger installed through the coupling, a fitting for a liquid cooling system, a sensor for monitoring the presence of granules, an additional loading funnel is installed in the loading area, made with longitudinal slots of a rectangular shape of variable depth (decreasing in the direction of material movement), and a junction box with electrical connectors (connectors ), and the lower module includes a flange to which the cylinder is attached, with heaters installed on it, temperature control sensors and a nozzle, an additional protective cover and a blower device are installed on the flange, the wires are switched between the modules using an electrical connector (connector).

В предлагаемой полезной модели в отличии от прототипа выполнение модульной конструкции облегчает замену цилиндра и шнека под требования перерабатываемого полимера, облегчает техническое обслуживание и позволяет проводить быструю замену нижнего модуля в случае выхода его из строя.In the proposed utility model, in contrast to the prototype, the implementation of a modular design facilitates the replacement of the barrel and screw according to the requirements of the processed polymer, facilitates maintenance and allows quick replacement of the lower module in case of failure.

Выполнение экструдера с загрузочной воронкой, расположенной в зоне загрузки, позволяет осуществлять забор гранул со всех сторон и обеспечивает равномерное заполнение витковой канавки шнека, что улучшает качество экструзии. Применение в конструкции загрузочной воронки с продольными пазами прямоугольной формы переменной глубины (уменьшающейся в направлении перемещения материала) увеличивает производительность экструдера за счет того, что пазы способствуют сегментации крупных гранул и препятствуют перемещению гранул в окружном направлении, тем самым материал перемещается относительно цилиндра только в направлении оси экструдера, производительность зоны загрузки экструдера практически не зависит от сопротивления на выходе из зоны загрузки, в результате чего повышается качество экструдируемого материала.The execution of the extruder with a hopper located in the loading area allows the intake of granules from all sides and ensures uniform filling of the spiral groove of the screw, which improves the quality of extrusion. The use in the design of the feed funnel with longitudinal grooves of rectangular shape of variable depth (decreasing in the direction of material movement) increases the productivity of the extruder due to the fact that the grooves contribute to the segmentation of large granules and prevent the movement of granules in the circumferential direction, thereby the material moves relative to the cylinder only in the direction of the axis extruder, the performance of the extruder loading zone is practically independent of the resistance at the exit from the loading zone, resulting in an increase in the quality of the extruded material.

Размещение защитного кожуха на фланце нижнего модуля позволяет защитить людей от соприкосновения с горячими элементами экструдера, а также защитить элементы экструдера от внешнего механического воздействия. А встроенное устройство обдува обеспечивает равномерный обдув укладываемого полимера сжатым воздухом, и тем самым препятствуя деформации печатаемой геометрии.Placing a protective cover on the flange of the lower module allows you to protect people from contact with hot extruder elements, as well as protect the extruder elements from external mechanical impact. And the built-in blowing device provides a uniform blowing of the laid polymer with compressed air, and thereby preventing the deformation of the printed geometry.

Нагреватели спирального типа позволяют сократить необходимое количество нагревателей и количество проводов от них, повысить равномерность прогрева цилиндра за счет сокращения участков корпуса, не соприкасающихся с нагревательным элементом.Spiral-type heaters make it possible to reduce the required number of heaters and the number of wires from them, to increase the uniformity of cylinder heating by reducing the areas of the body that are not in contact with the heating element.

На фиг. 1 представлен внешний вид экструдера.In FIG. 1 shows the appearance of the extruder.

На фиг. 2. представлен внешний вид экструдера с модулями.In FIG. 2. the appearance of the extruder with modules is presented.

На фиг. 3 представлен продольный разрез экструдера.In FIG. 3 shows a longitudinal section of the extruder.

Экструдер (без позиции) выполнен модульным, состоящим из двух основных модулей нижнего 13 и верхнего 1.The extruder (without position) is made modular, consisting of two main modules, lower 13 and upper 1.

Нижний модуль 13, включает в себя фланец 14, содержащий защитный кожух 18, устройство обдува 19 и присоединенный к фланцу цилиндр (без позиции), на котором расположены нагреватели 15, например, спирального типа, датчики контроля температуры 16, сопло 17.The lower module 13 includes a flange 14 containing a protective casing 18, a blower 19 and a cylinder (without position) attached to the flange, on which heaters 15 are located, for example, of a spiral type, temperature control sensors 16, nozzle 17.

Верхний модуль 1 включает в себя электродвигатель 2 с редуктором 3, и прикрепленный к нему охлаждаемый корпусом 7 с входным штуцером для подачи гранул с газоотводящими отверстиями 8, шнек 6 устанавливаемый через муфту 4, штуцер жидкостной системы охлаждения 9, лабиринт жидкостного охлаждения 10 и датчик контроля наличия гранул 11, дополнительно в зоне загрузки (без позиции) установлена загрузочная воронка 5, выполненная с продольными пазами прямоугольной формы переменной глубины с возможностью уменьшения в направлении перемещения материала, и распаячная коробка 12 с электрическими соединителями (без позиции).The upper module 1 includes an electric motor 2 with a gearbox 3, and a cooled housing 7 attached to it with an inlet fitting for supplying granules with gas outlet holes 8, an auger 6 installed through a coupling 4, a fitting for a liquid cooling system 9, a liquid cooling labyrinth 10 and a control sensor the presence of granules 11, additionally in the loading zone (without position) a loading funnel 5 is installed, made with longitudinal slots of rectangular shape of variable depth with the possibility of decreasing in the direction of material movement, and a junction box 12 with electrical connectors (without position).

Модульность конструкции достигается за счет организации коммутации измерительных и питающих проводов, между модулями за счет электрического соединителя (разъема), а механическая фиксация осуществляется за счет винтов.The modularity of the design is achieved by organizing the switching of measuring and supply wires, between the modules by means of an electrical connector (connector), and mechanical fixation is carried out by means of screws.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.The proposed device works as follows.

В загрузочную воронку 5 из бака (не входит в конструкцию) подают гранулы, контроль наличия гранул производится датчиком 11, установленным на охлаждаемом корпусе 7, излишки воздуха, попадающие в экструдер (без позиции) вместе с гранулами, стравливают через газоотводящие отверстия входного штуцера 8, далее за счет привода шнека 6 от электродвигателя 2, через редуктор 3 из загрузочной воронки 5 осуществляют заполнение витков шнека 6 и перемещение материала в рабочую зону. Продвигаясь по нагреваемому цилиндру (без позиции) материал тщательно перемешивается до состояния однородной массы и проходит три температурные зоны: сжатия, гомогенизации и дозирования. Каждый участок нагрева цилиндра снабжен своим спиральным нагревателем 15 и датчиком контроля температуры 16. Верхний модуль 1 и фланец 14 нижнего модуля 13 защищены от влияния нагрева жидкостной системой охлаждения, например, водяной. За счет высокого давления происходит продавливание расплавленного материала через сопло 17 и укладывание его по определенной траектории при помощи 3D-принтера или роботизированного манипулятора (не входят в конструкцию). При помощи устройства обдува 19, установленного на фланце 14 нижнего модуля 13 экструдера около сопла 17, обеспечивают равномерный обдув укладываемого полимера сжатым воздухом, и тем самым препятствуют деформации печатаемой геометрии.Granules are fed into the hopper 5 from a tank (not included in the design), the presence of granules is controlled by a sensor 11 mounted on a cooled housing 7, excess air entering the extruder (without a position) together with granules is bled through the gas outlets of the inlet fitting 8, further, due to the drive of the auger 6 from the electric motor 2, through the gearbox 3 from the hopper 5, the turns of the auger 6 are filled and the material is moved to the working area. Moving along the heated cylinder (without position), the material is thoroughly mixed until a homogeneous mass and passes through three temperature zones: compression, homogenization and dosing. Each heating section of the cylinder is equipped with its own spiral heater 15 and a temperature control sensor 16. The upper module 1 and the flange 14 of the lower module 13 are protected from the influence of heating by a liquid cooling system, for example, water. Due to the high pressure, the molten material is forced through the nozzle 17 and placed along a certain trajectory using a 3D printer or a robotic arm (not included in the design). With the help of blower device 19 installed on the flange 14 of the lower module 13 of the extruder near the nozzle 17, uniform blowing of the laid polymer with compressed air is provided, and thereby prevents deformation of the printed geometry.

Заявленный экструдер успешно прошел испытания и устанавливается на совместимые 3D принтеры и роботизированные манипуляторы.The claimed extruder has been successfully tested and installed on compatible 3D printers and robotic arms.

Предлагаемая полезная модель с вышеуказанными отличительными признаками позволяет обеспечить равномерный забор гранул без закусывания, сегментацию крупных гранул, облегчает обслуживание экструдера, препятствует деформации печатаемой геометрии и в целом повышает его производительность.The proposed utility model with the above distinctive features allows for uniform intake of granules without biting, segmentation of large granules, facilitates maintenance of the extruder, prevents deformation of the printed geometry, and generally increases its productivity.

Claims

1. A granule extruder for the manufacture of three-dimensional printed products, containing an electric motor with a gearbox connected to a housing in which there is an inlet fitting for supplying granules with gas outlet holes, fittings for a liquid cooling system, a liquid cooling labyrinth, a sensor for monitoring the presence of granules, a cylinder with a cylinder installed in it a screw and a nozzle located on the cylinder, while the screw is made with a constant width of the helical groove, but with a changing area, and containing loading, compression, homogenization and dosing zones, and the cylinder has three heating sections, a heater and a control sensor are installed in each heating section temperature, characterized in that the extruder is made modular, consisting of two main modules connected with screws: the upper module includes an electric motor with a gearbox, a cooled housing attached to it with an inlet fitting for supplying granules with gas outlet holes and a screw installed through a coupling , piece cer of the liquid cooling system, liquid cooling labyrinth, sensor for monitoring the presence of granules, additionally in the loading area there is a loading funnel with longitudinal rectangular grooves of variable depth, made decreasing in the direction of material movement, and a junction box with electrical connectors, and the lower module includes a flange , with a cylinder attached to it, and with heaters mounted on the cylinder, temperature control sensors and a nozzle, a protective cover and a blower device are additionally installed on the flange, while the wires between the modules are switched using an electrical connector.

2. An extruder according to claim 1, characterized in that spiral-type heaters are installed.