WO2022023603A1 - Cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico y métodos - Google Patents

Cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico y métodos Download PDF

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WO2022023603A1
WO2022023603A1 PCT/ES2021/070537 ES2021070537W WO2022023603A1 WO 2022023603 A1 WO2022023603 A1 WO 2022023603A1 ES 2021070537 W ES2021070537 W ES 2021070537W WO 2022023603 A1 WO2022023603 A1 WO 2022023603A1
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filament
plastic
additive manufacturing
continuous filament
thermoplastic
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PCT/ES2021/070537
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Iñigo ARIZAGA GURRUTXAGA
Irune MUÑOZ URBIZU
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Fundacion Tekniker
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a print head, a method for manufacturing three-dimensional (3D) objects, and a 3D printer integrating said print head. More particularly, it relates to a plastics additive manufacturing printhead that ejects a continuous filament coated with plastic thermoplastic material obtained from melting thermoplastic pellets, a 3D printer including the head, and a method for manufacturing 3D objects.
  • 3D printing is a computer controlled process whereby a 3D object can be manufactured from a 3D CAM (Computer Aided Manufacturing) using an additive manufacturing approach.
  • Objects can be made by depositing, bonding, or solidifying a material, typically a metal or plastic material.
  • FDM Fused Deposition Modeling
  • FFF Fused Filament Fabrication
  • the object can be formed on a moving bed controlled by a computer with the nozzle remaining in the same position, or in a further variation, the object can be formed with the positions of the nozzle and bed being controlled by the computer. a computer.
  • plastic pellets preferably thermoplastic pellets
  • printing materials has the following advantages: lower costs, faster processing speed, and a larger catalog of available materials than filament-based printing.
  • 3D printers using molten pellet manufacturing technologies have been applied in many technical fields, for example, in tissue engineering, equipment manufacturing, and other technical fields.
  • Some of the most common pellet materials for printing are polylactic acid (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and thermoplastic polyurethane (TPU), polypropylene (PP), polyethylene (PE), polystyrene (PS), among others.
  • PLA polylactic acid
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • PS polystyrene
  • a first object of the invention is a plastics additive manufacturing printhead comprising a plastics extrusion unit that is configured to receive a supply of solid thermoplastic pellets and to melt the supply of solid thermoplastic pellets to produce a thermoplastic fluid.
  • the plastics additive manufacturing printhead further comprises a filament supply unit that is configured to provide a continuous filament and a print nozzle configured to receive the thermoplastic fluid from the plastic extrusion unit and the continuous filament from the plastic extrusion unit. the filament supply unit, coating the continuous filament with the thermoplastic fluid, and depositing the coated continuous filament on a build surface on which an object is to be fabricated.
  • thermoplastic pellets can refer to solid pieces comprising at least one thermoplastic chemical compound, having a known melting point, and made into a pellet.
  • thermoplastic chemical compounds can be ionomers, polyethylene, polyethylene copolymer, ethylene-vinyl acetate, etc.
  • Thermoplastic pellets may comprise a single thermoplastic chemical compound or may comprise a combination of several thermoplastic chemical compounds to provide some additional physical or chemical properties, such as a particular melting point, viscosity, strength, conductivity, appearance, etc., different from an initial source material.
  • the thermoplastic pellets may further comprise additives such as mineral fillers, metal fibers, lubricants, glass fibers, antioxidants, UV and heat stabilizers, etc., and color pigments.
  • additives such as mineral fillers, metal fibers, lubricants, glass fibers, antioxidants, UV and heat stabilizers, etc., and color pigments.
  • These thermoplastic pellets can also be mixed with a binder to provide improved granularity, a lubricant to provide uniform fill density, a pigment to classify types of thermal pellets, and the like.
  • the term solid thermoplastic pellets can further refer to small granules of thermoplastic material or blends of thermoplastic binder with powder fillers.
  • the term "continuous filament” can refer to a filament whose dimensions and composition are substantially homogeneous and continuous along its entire length.
  • the continuous filament comprises a matrix material, generally a thermoplastic material, and a continuous (non-discontinuous) reinforcing material such as a plurality of continuous fiber strands (for example, made of carbon, fiber glass, Kevlar, etc.).
  • This continuous reinforcement material has no discontinuities, which improves the mechanical and structural properties of the 3D printed object.
  • the matrix material of the continuous filament can be made of a thermoplastic material, such as at least one polymer or polymer matrix composite materials, among others.
  • polymers can be methacrylate, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polycarbonate (PC), polylactic acid (PLA), high-density polyethylene (HDPE), PC/ABS, polyethylene terephthalate (PET), glycol-modified polyethylene terephthalate (PETG), polyphenylsulfone (PPSU) and high impact polystyrene (HIPS), among others.
  • the continuous filament may comprise a sheath
  • thermoplastic material made of a thermoplastic material to provide rigidity and ease of handling and gripping.
  • these continuous fiber strands may be twisted or interlaced or may be laid longitudinally and side by side.
  • a set of continuous fiber strands of, eg, carbon may be made up of thousands (eg, 12,000 or even more) of carbon fiber strands.
  • the sheath of the continuous filament can be made of a thermoplastic material, such as at least one polymer or polymer matrix composite materials, among others. Examples of polymers can be methacrylate, ABS, PC, PLA, HDPE, PC/ABS, PET, PETG, PPSU and HIPS, among others.
  • the continuous filament sheath may further comprise other components such as short or long hard fibers, aggregates, binders, etc.
  • the continuous filament can also be made of electrically conductive materials, so that the 3D object being manufactured can conduct electricity.
  • the print nozzle comprises an inlet for receiving the continuous filament from the filament supply unit, an outlet through which the coated continuous filament is deposited on the build surface, a channel communicating the inlet and outlet, and an annular cavity arranged around at least a part of the channel.
  • the annular cavity has an opening to receive the thermoplastic fluid from the plastic extrusion unit.
  • the print nozzle is configured such that the continuous filament is coated with the thermoplastic fluid as it passes through the annular cavity and immediately prior to being deposited on the build surface.
  • the continuous filament is pushed by the filament supply unit into the print nozzle channel so that the continuous filament is impregnated with the thermoplastic fluid in the annular cavity.
  • the geometry of the annular cavity, which axially surrounds at least a part of the channel, guarantees that the external surface of the continuous filament is continuously and homogeneously coated with the thermoplastic fluid.
  • the upper part of the channel which is located above the annular cavity, may have a first diameter that is substantially similar to the diameter of the continuous filament while the lower part of the channel, which is located below the annular cavity.
  • annular may have a second diameter slightly larger than the first diameter and which is substantially similar to the diameter of the coated continuous filament.
  • the upper and lower portions of the channel may have the same diameter, this diameter being substantially similar to the diameter of the coated continuous filament.
  • the top of the channel comprises a heating unit to heat the continuous filament before entering the annular cavity. The heating unit may directly transfer heat to the continuous filament or may indirectly transfer said heat through the top of the channel.
  • This step of heating the continuous filament which can at least partially melt the outer surface of the continuous filament or the outer surface of the thermoplastic sheath of the continuous filament, facilitates the bonding of the thermoplastic fluid from the solid thermoplastic pellets to the continuous filament and, preferably, , to the cover of the continuous filament.
  • This heating unit may comprise a heating block attached to the outer surface of the upper part of the channel.
  • the heating block may comprise heating cartridges or heating resistors to heat the heating block. Other well known means of heating could also be used.
  • Heating the continuous filament can further help soften its structure by facilitating its deposition on the build surface.
  • the heating temperature applied to the continuous filament will be lower than the melting temperature of its core, in particular lower than the melting temperature of the fiber strands forming the continuous filament.
  • the thermoplastic sheath (pre-coat) of the continuous filament may be made of a material chemically compatible with the thermoplastic fluid to facilitate bonding of the thermoplastic fluid from the solid thermoplastic pellets to the sheath of the continuous filament.
  • the sheath of the continuous filament may be made of the same thermoplastic as the thermoplastic fluid or of a thermoplastic that is chemically compatible with the components of the thermoplastic fluid. This thermoplastic cover will also be chemically compatible with the matrix material of the continuous filament to ensure its union.
  • the plastic extrusion unit comprises a first motor and an extruder fluidly connected to the print nozzle.
  • the extruder is driven by the first motor and is configured to deliver the thermoplastic fluid to the print nozzle.
  • the first motor may be a stepping motor to provide high torque at low vibrations and low speeds.
  • the extruder of the plastic extrusion unit comprises a jacket with a first end fluidly connected to the print nozzle and a second end through which the supply of solid thermoplastic pellets is received.
  • the extruder further comprises an extrusion screw located inside the jacket and configured to transport the solid thermoplastic pellets and the thermoplastic fluid towards the first end of the jacket and at least one heating element or device to melt the pellets.
  • the heating elements which could be, for example, one or more heating cartridges, electrical resistors, or any other device capable of melting the solid thermoplastic pellets, are thermally coupled to the jacket and/or the extruder screw.
  • the heating elements are configured to produce the thermoplastic fluid by heating the solid thermoplastic pellets to their melting temperature.
  • the print nozzle comprises a tip nozzle coupled at its outlet to shape and guide the coated continuous filament immediately before depositing it on the build surface.
  • This nozzle tip can have, for example, a circular outlet opening.
  • the nozzle tip may be an interchangeable nozzle tip so that different nozzle tips with exit openings having different shapes and/or diameters can be attached to the printing nozzle, depending on the particular deposition requirements.
  • the plastic additive manufacturing printhead comprises a conduit for conducting thermoplastic fluid from the plastic extrusion unit to the print nozzle.
  • the diameter of the conduit can be constant along its length or it can vary, being, for example, larger at the end through which the thermoplastic fluid is received from the jacket and smaller at the end through which the thermoplastic fluid is introduced.
  • thermoplastic fluid in the print nozzle The driving force applied by the extrusion screw to the thermoplastic fluid determines the flow rate of the thermoplastic fluid through the conduit and thus the flow rate of the thermoplastic fluid entering the annular cavity of the printing nozzle.
  • the plastic additive manufacturing printhead comprises a hopper in which solid thermoplastic pellets are contained.
  • the hopper communicates with the plastic extrusion unit.
  • the hopper may be an integral part of the plastic extrusion unit so that the hopper can be filled with the solid thermoplastic pellets through, for example, an openable hopper enclosure or lid.
  • the hopper can be a removable hopper that can be connected to the plastic extrusion unit.
  • the extrusion unit The plastic ones may have female guides into which the hopper's male guides can slide into place. In this way, a hopper that stores a particular type of solid thermoplastic pellet can be removed and replaced with another hopper that stores the same type or a different type of solid thermoplastic pellet.
  • the plastic additive manufacturing print head and, more particularly, the plastic extrusion unit comprises a conduit that communicates the hopper with the jacket of the plastic extrusion head.
  • the duct can be inclined towards the jacket to facilitate the movement of the pellets by gravity.
  • the hopper or chute may integrate a mechanism, such as a drive plunger or screw, driven by a motor, for example a stepper motor, to drive the solid thermoplastic pellets into the jacket.
  • the filament supply unit comprises a filament drive unit for driving continuous filament from a filament source, eg, a filament roll, to the print nozzle.
  • the filament drive unit comprises a second motor, for example a stepper motor, a rotary drive gear driven by the second motor and configured to drive the continuous filament towards the print nozzle, and a guide wheel configured to engage the continuous filament with the drive gear.
  • the feed mechanism consisting of the drive gear and guide wheel, grabs the filament and feeds it at a controlled feed rate to the print nozzle with the torque provided by the second motor.
  • drive gear and wheel guide wires may have a knurled outer surface to increase the gripping force on the filament.
  • the filament drive unit may comprise a pressure roller or other mechanism for applying a force against the continuous filament to engage the filament with the rotating drive gear while the drive gear swivel rotates to facilitate low-friction axial movement of the filament.
  • the filament drive unit can advance and/or retract the filament by causing the rotating drive gear to rotate in a first direction to advance the filament or in a second direction, opposite to the first direction, to retract the filament.
  • the thermoplastic covering of the continuous filament provides sufficient rigidity to facilitate the advancement of the continuous filament through the filament drive unit.
  • the guide wheel may include, for example, a bearing such that the guide wheel freely rotates on the bearing to reduce axial force along the filament, compared to a bearingless configuration.
  • the guide wheel can apply a normal force to the filament, such that the force is directed towards the rotating drive gear.
  • the normal force can be a constant or variable force.
  • the guide wheel may be fixed.
  • the guide wheel may be retained by a spring arm, an actuator, or a combination thereof, so that the guide wheel is adaptable to filaments of varying diameter while maintaining the normal force.
  • the filament supply unit further comprises a filament cutter that is positioned between the outlet of the filament drive unit and the print nozzle inlet.
  • the filament cutter is configured to cut the continuous filament to a predefined length.
  • the means for cutting the continuous fiber in the filament cutter may comprise, for example, a knife, a cutter or scissors, and may be driven by a third motor, for example a stepper motor.
  • Other cutting means of filament cutters may include lasers, high pressure air or fluid, or shears to cut the continuous filament to the required length.
  • the plastic AM printhead comprises means for coupling a source of filament, eg, a roll of filament, to the plastic AM printhead.
  • a source of filament eg, a roll of filament
  • These means may be a bearing coupler attached to the plastic additive manufacturing printhead frame, and more particularly to the filament supply unit frame, so that the filament roll can rotate freely via the coupler. of bearings in relation to the structure of the filament supply unit.
  • solid thermoplastic pellets comprise reinforcing fibers to improve the mechanical properties of the thermoplastic.
  • the combination of the mechanical and chemical properties of the continuous filament and the reinforcing fibers of the thermoplastic fluid can improve the mechanical and/or chemical properties of the resulting coated continuous filament. For example, if a continuous filament made of carbon fiber is coated with a thermoplastic containing small pieces of carbon fiber, the mechanical performance of the resulting coated continuous filament is significantly improved.
  • the heating means and the first, second and third motors can be managed by a controller to adjust the melting temperature of the pellets, the heating temperature of the continuous filament (optional), the deposition rate (acting on the first motor that drives the extruder screw and on the second motor that drives the drive gear) and the length of the deposited coated continuous filament (acting on the third motor) according to the particular requirements of the 3D manufacturing process.
  • This controller which can be at least one of a central processing unit (CPU), a semiconductor-based microprocessor, a graphics processing unit (GPU), a field-programmable logic gate array (FPGA), or another electronic circuit suitable for fetch and run instructions to manage the heating means and the first, second and third motors, it can be part of the plastic additive manufacturing print head or more preferably it can be part of the 3D printer to which the plastic additive manufacturing printhead is attached.
  • CPU central processing unit
  • semiconductor-based microprocessor e.g., a graphics processing unit (GPU), a field-programmable logic gate array (FPGA), or another electronic circuit suitable for fetch and run instructions to manage the heating means and the first, second and third motors
  • GPU graphics processing unit
  • FPGA field-programmable logic gate array
  • a second object of the invention is a 3D printer comprising a construction surface on which an object will be manufactured, a plastic additive manufacturing print head as described in the previous paragraphs coupled to the structure or frame of the 3D printer and an xyz positioning system configured to move at least one of the plastic additive manufacturing printhead and the build surface relative to each other.
  • the 3D printer also comprises a control system configured to control the flow rate of the thermoplastic fluid and the feeding speed of the continuous filament in the printing nozzle, and therefore, to control the rate of deposition of the coated continuous filament on the build surface.
  • This control system is further configured to manage the position of the print nozzle and the build surface relative to each other in accordance with a 3D shape of the 3D object to be manufactured.
  • the extrusion flow rate of the plastic extrusion unit and the feed flow of the filament supply unit are controlled by the rotational speed of the first and second motors, respectively.
  • the first motor acts on the extruder screw and the second motor on the drive gear of the filament supply unit.
  • the 3D printer control system is communicatively coupled to the first and second motors to control the rate of deposition on the build surface.
  • the control system can be configured to provide a coated continuous filament deposition rate of up to 7 kg/hour or even higher. This deposition flow allows the fabrication of large 3D parts.
  • the 3D printer control system can determine continuous filament only extrusion at a set feed rate by stopping the first motor and activating the second motor, thermoplastic fluid only extrusion at a set flow rate by stopping the second motor and activating the first motor or it can determine the extrusion of coated continuous filament at a set deposition rate by activating the first and second motors.
  • This enables 3D objects to be manufactured which may comprise parts made only of continuous filament, parts made only of thermoplastic from solid thermoplastic pellets, reinforced parts of coated continuous filament, and any combination thereof.
  • the heating means and the primer, The second and third motors of the plastic additive manufacturing print head can also be managed by the 3D printer's control system.
  • the 3D printer's x-y-z positioning system is a robotic arm, eg, an articulated robot arm.
  • the plastic additive manufacturing printhead can be attached to the claw of the robotic arm.
  • the x-y-z positioning system controls and moves the plastic AM printhead with at least three degrees of freedom while the build surface remains stationary.
  • the build surface can be movable and have at least one degree of freedom, such that the xyz positioning system can move the plastic additive manufacturing printhead with at least three degrees of freedom along with at least one degree of freedom. least one degree of freedom of the construction surface.
  • the x-y-z positioning system can be a set of linear rails that provide at least three degrees of freedom to the 3D printer. These linear rails can be attached to the plastic AM print head and/or the build surface.
  • a third object of the invention is a method of additive manufacturing in plastic, comprising the steps of: receiving, in a plastic extrusion unit, a supply of solid thermoplastic pellets.
  • This supply can be received from a hopper fixed or removably attached to the plastic extrusion unit; melting, in the plastic extrusion unit, the supply of solid thermoplastic pellets to produce a thermoplastic fluid.
  • a heating element such as heating cartridges or electrical resistances, located in the vicinity or integrated in the plastic extrusion unit; simultaneously receiving, at a printing nozzle, the thermoplastic fluid from the plastic extrusion unit and a continuous filament from a filament supply unit.
  • the continuous filament comprises a matrix material, eg, a thermoplastic material, and a continuous reinforcing material, eg, a plurality of continuous fiber strands made of, for example, carbon, fiberglass, or Kevlar, among others; coating, at the print nozzle, the continuous filament with the thermoplastic fluid.
  • the continuous filament is coated with the thermoplastic fluid as it passes through an annular cavity in the print nozzle and immediately prior to being deposited on the build surface; depositing, by means of the printing nozzle, the coated continuous filament on the construction surface to manufacture the object.
  • the plastic additive manufacturing printhead, the 3D printer including the same, and the method for manufacturing 3D objects described herein have several advantages and/or differences compared to prior devices and techniques.
  • the solution disclosed herein is capable of providing a deposition rate of approximately 7 kg/hour or even higher, which makes this plastic additive manufacturing printhead, 3D printer and method especially useful for produce large 3D objects (eg, 3D objects with dimensions greater than 0.3x0.3x0.3 meters).
  • the resulting mechanical properties, for example, mechanical strength and stiffness, and structural stiffness, of the 3D object produced by the solution disclosed herein are larger than when using other conventional FDM technologies.
  • the amount of material and the time used to manufacture the 3D object are optimized, which significantly reduces the costs associated with the manufacturing process itself.
  • thermoplastic pellets are cheaper than other materials used in fused deposition techniques, which also contributes to reducing the cost of the resulting object and they are very versatile (the pellets can contain additives, aggregates, binders, etc.).
  • Figure 1 shows a front perspective view of a plastic additive manufacturing print head, according to a particular embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows a top perspective view of the hopper and the motor transmission system of the plastic extrusion unit of the plastic additive manufacturing print head of Figure 1.
  • Figure 3 shows a front perspective view of the unit of filament drive of the plastic additive manufacturing printhead in Figure 1.
  • Figure 4 shows a front perspective view of the filament cutter of the plastic additive manufacturing print head of Figure 1.
  • Figure 5 shows a front view of a cut section of the print nozzle of the plastic additive manufacturing print head of Figure 1.
  • Figure 6 shows a perspective view of the plastic additive manufacturing print head of figure 1 coupled to an articulated robotic arm, according to a particular embodiment of the invention.
  • Figure 7 shows a detailed view of the coupling of the plastic additive manufacturing print head of figure 1 to the articulated robotic arm of figure 6.
  • Figure 8 shows a flow diagram of the plastic additive manufacturing method, according to a particular embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a front perspective view of a plastic additive manufacturing print head 100, according to a particular embodiment of the invention. It should be understood that the plastic AM printhead 100 of Figure 1 may include additional components and that some of the components described herein may be removed and/or modified without departing from the scope of the AM printhead 100. in plastic described. Additionally, the implementation of the plastic additive manufacturing printhead 100 is not limited to said embodiment.
  • the plastic additive manufacturing printhead 100 comprises a plastic extrusion unit 101 that is configured to receive a supply of solid thermoplastic pellets from a hopper 102.
  • the additive manufacturing printhead 100 in Plastic may comprise a tank or container for temporarily storing the solid thermoplastic pellets.
  • the plastic additive manufacturing printhead 100 may receive the pellets from a storage tank or container, for example, through a conduit, hose, or pipe, which is not part of the manufacturing printhead 100.
  • Plastic extrusion unit 101 is configured to melt the supply of solid thermoplastic pellets received from hopper 102 to produce the thermoplastic fluid.
  • the extruder screw (not shown in this figure) of the plastic extrusion unit 101 that drives the solid thermoplastic pellets and thermoplastic fluid towards the printing nozzle 104 is driven by the stepper motor 105.
  • the rotary motion of the motor stepper 105 is transmitted to the extruder screw by interposing a gearbox 106 to reduce the speed of motor 105 and increase torque.
  • the extruder screw is housed in the jacket 107 of the plastic extrusion unit 101.
  • the sleeve 107 can be designed with a diameter of approximately 60 mm and a length of approximately 570 mm and accommodating an extruder screw with a diameter of approximately 20 mm and a length of approximately 610 mm (the extruder screw auger is substantially the same length as the sleeve 107).
  • the plastic extrusion unit 101 further comprises three annular heating collars 108 equidistantly arranged along the jacket 107 and at least partially surrounding the outer surface of the jacket 107.
  • the jacket 107 may have a different number of collars. annular heating collars and with a different arrangement as long as the heat transmitted to the solid thermoplastic pellets is sufficient to melt them within the jacket 107. These annular heating collars 108 are configured to reach the melting temperature of the solid thermoplastic pellets to generate the thermoplastic fluid. The transmission and distribution of heat throughout the jacket 108 carried out by the heating collars 108 is more constant and homogeneous than the use of other heating alternatives. Other means of heating, such as heating blocks with heating cartridges or thermocouples inserted into holes in the outer surface of jacket 107 could also be used. Furthermore, the sleeve 107 comprises respective flanges 109 at both ends to be attached to the stepper motor drive system 105 and the printing nozzle 104.
  • the plastic additive manufacturing printhead 100 further comprises a filament supply unit 103 that is configured to provide the continuous filament 110 from a filament roll 111 to the print nozzle 104.
  • the filament supply unit 103 drives, by means of the feed mechanism of a drive unit of filaments 112, the continuous filament 110 towards the print nozzle 104. This feeding mechanism is driven by another stepper motor 122.
  • the filament supply unit 103 further comprises a filament cutter 113 for cutting the continuous filament 110 at a predefined distance.
  • Continuous filament 110 may be comprised of a polymeric matrix (eg, polycarbonate or ABS) and a plurality of carbon fiber strands, eg, between 10,000 and 12,000 carbon fiber strands. Continuous filament 110 is further coated with polycarbonate or ABS.
  • the continuous filament 110 will be made from a plurality of carbon fiber strands (with or without sheath), and the thermoplastic fluid in the thermoplastic pellets will be molten carbon fiber.
  • Print nozzle 104 receives thermoplastic fluid from plastic extrusion unit 101 at a particular extrusion rate and continuous filament 110 from filament supply unit 103 at a particular feed rate, coats continuous filament 110 with the thermoplastic fluid and deposits the coated continuous filament 110a at a deposition rate onto a build surface on which the 3D part will be fabricated.
  • the particular extrusion rate and feed rate are controlled by the 3D printer's control system and will be selected to ensure that the continuous filament 110 is evenly coated with the thermoplastic fluid.
  • FIG. 1 shows a particular size and arrangement of the elements that make up the head 100, other sizes, designs and arrangements of said elements could be possible.
  • Figure 2 shows a top perspective view of the hopper 102 and the motor transmission system 105 of the plastic extrusion unit 101 of the plastic additive manufacturing print head 100 of Figure 1.
  • the rotary motion of the stepper motor 105 is first transmitted to the gearbox 106 to reduce the rotational speed and increase the torque. This rotational speed is then transmitted to a drive gear 114 which, in turn, is transmitted to a driven gear 115 via a drive belt 116. In this way, the rotary motion of the motor 105 is transmitted through the driven gear 115 to the extruder screw located inside the sleeve 107.
  • the plastic extrusion unit 101 further comprises a cooling system to prevent the heat generated in the jacket 107 from being transmitted to the gearbox 106 and the motor 105.
  • the cooling system comprises a serpentine-shaped pipe integrated in a cooling block 118.
  • the cooling system further comprises a cooling fluid pump (not shown) that circulates cooling fluid, e.g. eg , water, so that the cooling fluid enters the cooling block 118 at a first temperature, circulates through the serpentine tubing, and exits the cooling block 118 at a second temperature that is higher than the first temperature .
  • the cooling fluid absorbs and removes the heat transmitted from the jacket 107.
  • the cooling block 118 has two through holes through which the respective axes of rotation pass between the case reduction gear 106 and drive gear 114 and between driven gear 115 and the extruder screw.
  • Figure 3 shows a front perspective view of the filament drive unit 112 of the filament supply unit 103 of the plastic additive manufacturing printhead 100 of Figure 1.
  • Filament drive unit 112 comprises a stepper motor 122, a rotary drive gear 119 driven by stepper motor 122 to drive continuous filament 110 toward print nozzle 104, and a guide wheel 120 configured to engage continuous filament 110 with drive gear 119.
  • Drive gear 119 and guide wheel 120 have a knurled outer surface to increase the gripping force on continuous filament 110.
  • Guide wheel 120 is pushed in a direction normal to the filament. 110 by a spring-loaded spring arm 121 (not shown in this figure) located within the spring arm 121.
  • the filament drive unit 112 further comprises a funnel 123 for guiding the continuous filament 110 towards the input of the feed mechanism, so that the continuous filament 110 passes between the rotary drive gear 119 and the guide wheel 120, and a hollow tube 124 that communicates the output of the filament drive unit 112 with the input of the filament cutter 113 to guide the filament 110.
  • Figure 4 shows a front perspective view of the filament cutter. filaments 113 of the filament supply unit 103 of the plastic additive manufacturing printhead 100 of Figure 1.
  • the filament cutter 113 comprises a pair of cutting pliers or scissors 125 driven by a cam 126 which, in turn, is driven by the stepper motor 127.
  • the cam 126 is positioned on the axis of the stepper motor.
  • stepper 127 which, upon receiving a cut signal from the 3D printer control system, causes the cam 126 to rotate 360° operating the cutters or scissors 125 to cut the continuous filament 110.
  • the Filament Cutter 113 further comprises a limit switch 128 that detects the rotation of the cam 126 and generates a control signal to stop the stepping motor 127.
  • the filament cutter 113 further comprises another hollow tube 129 to guide the continuous filament 110 from the output of the filament cutter 113 towards the inlet of the print nozzle 104.
  • Figure 5 shows a front view of a cut section of the print nozzle 104 of the plastic additive manufacturing printhead 100 of Figure 1.
  • Print nozzle 104 comprises an inlet 130 for receiving continuous filament 110 from filament cutter 113, an outlet 131 at a tip 133 of print nozzle 104 for depositing coated continuous filament 110a onto the build surface (not shown). in this figure), a channel 137 that communicates the inlet 130 and the outlet 131 and an annular cavity 132 arranged around a part of the channel 137.
  • the annular cavity 132 has an opening 136 that communicates with a duct 134 through which the thermoplastic fluid 135 is received from the plastic extrusion unit 101 and, more particularly, from jacket 107. Thermoplastic fluid 135 enters annular cavity 132 and fills it.
  • thermoplastic fluid 135 adheres to the outer surface of continuous filament sheath 110.
  • the top 137a of channel 137 which is above the cavity annular 132, has a diameter that is substantially similar to the diameter of continuous filament 110 while the bottom 137b of channel 137, which lies below annular cavity 132, has a diameter that is substantially similar to the diameter of coated continuous filament 110a. .
  • the thermoplastic fluid 135 is prevented from flowing upwardly through the top 137a of the channel 137.
  • Print nozzle 104 is configured such that continuous filament 110 is coated with thermoplastic fluid 135 as it passes through annular cavity 132 and immediately prior to being deposited on the build surface. Thus, the continuous filament 110 is pushed by the filament supply unit 103 into the channel 137 of the print nozzle 104, so that the continuous filament 110 is impregnated with the thermoplastic fluid 135 in the annular cavity 132. Furthermore, the Printing nozzle 104 may be formed of two mating molds that can be coupled and opened to facilitate cleaning of channel 137, conduit 134 and annular cavity 132. In this particular embodiment, only one of the two printing nozzle countermolds is shown. print 104.
  • Figure 6 shows a perspective view of the plastic additive manufacturing print head 100 of figure 1 coupled to a robotic arm 201 of a 3D printer 200, according to a particular embodiment of the invention. It should be understood that the 3D printer 200 of Figure 6 may include additional components and that some of the components described herein may be removed and/or modified without departing from the scope of the 3D printer 200. Additionally, the 3D printer implementation 200 is not limited to such an embodiment.
  • the 3D printer 200 comprises a construction surface (not shown in this figure) on which an object will be manufactured, a plastic additive manufacturing print head 100 like the one shown in figures 1 to 5 coupled to the claw of the robotic arm 201 that is bolted to the ground or to a support element by interposing a base 202.
  • Robotic arm 201 is a 6-axis articulated robotic arm, although any other robotic arm with at least 3 degrees of freedom could be used.
  • the plastic additive manufacturing printhead 100 may be attached to any other xyz positioning system provided that the head 100 is provided with at least three degrees of freedom.
  • the build surface may not be part of the 3D printer 200.
  • the plastics additive manufacturing printhead 100 is housed within a housing 205.
  • This 3D printer 200 comprises a distributed control system in which the electronics and software to manage the plastic additive manufacturing print head 100 are integrated in the module 203, while the electronics and software to manage the robotic arm 201 are integrated into module 204.
  • the 3D printer 200 may comprise a centralized control system in which the electronics and software for managing the plastics additive manufacturing print head 100 and the robotic arm 201 are integrated into a single module. In such an embodiment, there may be a single controller that manages the head 100 and the robotic arm 201 to manufacture the 3D objects.
  • the flow rate of the thermoplastic fluid and the feed rate of the continuous filament, and therefore the rate of deposition of the coated continuous filament on the build surface is managed by the controller located in module 203, while the position of the print nozzle relative to the build surface is managed by a controller located in module 204.
  • These two controllers are communicatively coupled to each other.
  • the 3D object will be manufactured based on the respective 3D CAM received by said controller.
  • the 3D printer control system 200 comprises at least one processor which may be at least one of a central processing unit (CPU), a semiconductor-based microprocessor, a graphics processing unit (GPU), a field-programmable logic gate array (FPGA) configured to retrieve and execute instructions, other electronic circuitry suitable for retrieving and executing instructions stored on a computer-readable storage medium, or a combination thereof.
  • the control system is configured to receive the 3D CAM of the object that is going to be manufactured, to instruct the xyz positioning system to move the plastic additive manufacturing printhead and build surface relative to each other and to instruct the first and second motors to provide the coated continuous filament deposition rate required to fabricate the 3D object on the build surface.
  • Figure 7 shows a detailed view of the coupling of the plastic additive manufacturing printhead 100 of Figure 1 to the articulated robotic arm 201 of Figure 6.
  • the plastic additive manufacturing printhead 100 has no housing. 205 and is attached to the claw (not shown) of the wrist 206 of the articulated robotic arm 201.
  • the plastic extrusion unit 101, the filament supply unit 103 and the filament source 111 are all coupled to a frame 138 of the plastic additive manufacturing printhead 100.
  • the hopper 102 and print nozzle 104 are coupled to the plastic extrusion unit 101.
  • the plastic additive manufacturing print head 100 comprises a retainer 139 for holding the tip 133 of the print nozzle 104 for ensure that tip 133 does not move during the deposition operation.
  • FIG 8 shows a flow chart of the plastic additive manufacturing method 300, according to a particular embodiment of the invention.
  • the method makes use of the plastics manufacturing print head 100 as previously described. However, other embodiments of the plastics manufacturing printhead 100 may also be used in this method.
  • step 301 of method 300 a supply of pellets is received solid thermoplastics in a plastic extrusion unit 101 of the additive manufacturing print head 100. This supply may be received from a hopper 102 fixed or removably attached to the plastic extrusion unit 101.
  • step 302 of method 300 the supply of solid thermoplastic pellets is melted in the plastic extrusion unit 101 to produce the thermoplastic fluid 135. Heat could be applied to the pellets by heating elements such as heating collars, heating cartridges or electrical resistances located in the vicinity or integrated in the plastic extrusion unit 101, and more particularly, in the jacket 107 and /or the extruder screw.
  • thermoplastic fluid 135 from plastic extrusion unit 101 and a continuous filament 110 from a filament supply unit 103 are simultaneously received, at the print nozzle 104 of printhead 100 manufacturing. plastic additive.
  • step 304 of method 300 the continuous filament 110 is coated in the print nozzle 104 with the thermoplastic fluid 135.
  • the continuous filament 110 is coated with the thermoplastic fluid 135 as it passes through the annular cavity 132 of the print nozzle. impression 104 and immediately before being deposited on the build surface.
  • coated continuous filament 110a is deposited onto the build surface by print nozzle 104 to fabricate the 3D object.
  • the method may comprise depositing only continuous filament at a set feed rate or only thermoplastic fluid at a set rate for those parts of the 3D object that do not need to be reinforced and depositing coated continuous filament at a set deposition rate for those. parts of the same 3D object that do need to be structurally reinforced.
  • the term “includes” and its derivatives (such as “comprising”, etc.) should not be understood in an exclusive sense, that is, these terms should not be interpreted as excluding the possibility that what is described and define can include additional elements, steps, etc.
  • the term “other”, as used herein, is defined as at least one second or more.
  • the term “coupled” as used herein is defined as connected, either directly with no intermediate element, or indirectly with at least one intermediate element, unless otherwise indicated. Two elements can be coupled mechanically, electrically or communicatively linked through a channel, route, network or communications system.

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Abstract

La invención se refiere a un cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico, una impresora 3D y un método de fabricación aditiva en plástico. El cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico comprende una unidad de extrusión de plástico configurada para recibir un suministro de pellets termoplásticos sólidos y para fundir el suministro de pellets termoplásticos sólidos para producir un fluido termoplástico. El cabezal de impresión comprende, además, una unidad de suministro de filamento configurada para proporcionar un filamento continuo, y una boquilla de impresión configurada para recibir el fluido termoplástico desde la unidad de extrusión de plástico y el filamento continuo desde la unidad de suministro de filamento, recubrir el filamento continuo con el fluido termoplástico y depositar el filamento continuo recubierto sobre una superficie de construcción sobre la cual se fabricará un objeto. El filamento continuo está formado por un material matriz y un material de refuerzo continuo.

Description

CABEZAL DE IMPRESIÓN DE FABRICACIÓN ADITIVA EN PLÁSTICO Y
MÉTODOS
CAMPO TÉCNICO
En general, la presente invención se refiere a un cabezal de impresión, un método para fabricar objetos tridimensionales (3D) y una impresora 3D que integra dicho cabezal de impresión. Más particularmente, se refiere a un cabezal de impresión de fabricación aditiva en plásticos que eyecta un filamento continuo recubierto con material termoplástico plástico obtenido de pellets termoplásticos que se funden, una impresora 3D que incluye el cabezal y un método para fabricar objetos 3D.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La impresión 3D es un proceso controlado por ordenador mediante el cual un objeto 3D puede fabricarse a partir de una CAM 3D (Fabricación Asistida por Ordenador) utilizando un enfoque de fabricación aditiva. Los objetos se pueden fabricar depositando, uniendo o solidificando un material, normalmente, un material de metal o plástico.
El Modelado por Deposición Fundida (FDM) es la tecnología más popular en el campo de la impresión 3D. Una técnica de FDM bien conocida es la Fabricación con Filamento Fundido (FFF). En la técnica FFF un plástico, preferentemente un termoplástico, en la forma de un filamento es alimentado a un bloque de calentamiento para fundir el plástico, y se extruyen hilos delgados de plástico a través de una boquilla móvil sobre la superficie de una plataforma con un patrón predeterminado para formar un objeto 3D. Los hilos suelen tener un grosor de 0,3 mm a 1 mm y se adhieren entre sí con el endurecimiento de la capa subyacente a medida que el plástico se enfría y se une a la nueva capa que se añade en la parte superior. Las capas de plástico extruido se acumulan para formar el objeto 3D a medida que la boquilla es movida por un ordenador. En una variación de la técnica, el objeto puede formarse sobre una cama móvil controlado por un ordenador con la boquilla manteniéndose en la misma posición, o en una vahante adicional, el objeto puede formarse con las posiciones de la boquilla y la cama siendo controlados por un ordenador.
Sin embargo, debido a la demanda de rigidez y resistencia de los materiales de fusión, así como al mayor coste del proceso de fabricación de filamentos, existe una gran variedad de materiales que no pueden ser empleados en la impresión basada en filamentos.
Otra técnica FDM es la deposición fundida de pellets de plástico. Usar pellets de plástico, preferentemente pellets termoplásticos, como materiales de impresión tiene las siguientes ventajas: costes más bajos, mayor velocidad de procesamiento y un mayor catálogo de materiales disponibles que en la impresión basada en filamentos. Las impresoras 3D que utilizan tecnologías de fabricación de pellets fundidos se han aplicado en muchos campos técnicos, por ejemplo, en la ingeniería de tejidos, fabricación de equipos y otros campos técnicos. Algunos de los materiales en pellets más comunes para la impresión son el ácido poliláctico (PLA), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y poliuretano termoplástico (TPU), polipropileno (PP), polietileno (PE), poliestireno (PS), entre otros.
No obstante, ninguna de estas tecnologías FDM conocidas es adecuada para fabricar piezas grandes con alta resistencia estructural y/o rigidez y resistencia mecánica porque las piezas fabricadas utilizando las tecnologías FDM convencionales presentan baja resistencia mecánica y sus procesos de fabricación son caros, complejos y lentos. Debido a los inconvenientes mencionados de las tecnologías FDM, en la industria aeronáutica, aeroespacial y automotriz, las piezas que forman el prototipo de un nuevo vehículo, una máquina o un componente particular (piezas de gran tamaño que normalmente requieren una alta resistencia estructural y/o rigidez y resistencia mecánica) generalmente se fabrican mediante métodos tales como moldeo por inyección o fabricación sustractiva. Estas piezas deben ser capaces de resistir ensayos funcionales y de resistencia específicos a los que se someten posteriormente. Aunque estos métodos, específicamente, moldeo por inyección y fabricación sustractiva, son capaces de producir piezas grandes con alta resistencia mecánica, presentan una serie de desventajas: altas pérdidas de material, altos tiempos de fabricación, altos costes, requieren maquinaria especializada para volúmenes de producción muy bajos, necesitan diferentes moldes para cada modificación de diseño, etc. En resumen, estos métodos requieren grandes inversiones en tiempo y dinero para fabricar los prototipos, maquinaria, componentes, etc.
Por tanto, existe la necesidad en el estado de la técnica de métodos e impresoras que puedan superar los inconvenientes mencionados anteriormente. En particular, existe la necesidad de métodos, impresoras 3D y cabezales de impresión que sean capaces de fabricar componentes o piezas grandes con alta resistencia estructural y/o rigidez y resistencia mecánica y con geometrías complejas. Estos métodos, impresoras 3D y cabezales de impresión deben tener una alta flexibilidad de producción para poder adaptarse a los procesos de producción que puedan requerir sucesivas modificaciones de diseño y también deben ser capaces de reducir la relación en peso entre la materia prima utilizada para la pieza y el peso de la propia pieza fabricada. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Un primer objeto de la invención es un cabezal de impresión de fabricación aditiva en plásticos que comprende una unidad de extrusión de plástico que está configurada para recibir un suministro de pellets termoplásticos sólidos y para fundir el suministro de pellets termoplásticos sólidos para producir un fluido termoplástico. El cabezal de impresión de fabricación aditiva en plásticos comprende, además, una unidad de suministro de filamento que está configurada para proporcionar un filamento continuo y una boquilla de impresión configurada para recibir el fluido termoplástico desde la unidad de extrusión de plástico y el filamento continuo desde la unidad de suministro de filamento, recubrir el filamento continuo con el fluido termoplástico y depositar el filamento continuo recubierto sobre una superficie de construcción sobre la cual se fabricará un objeto.
La combinación de las propiedades mecánicas y químicas del filamento continuo y el recubrimiento de termoplástico fundido obtenido de los pellets termoplásticos de plástico mejora las propiedades mecánicas y/o químicas del filamento continuo recubierto resultante. En particular, la rigidez mecánica y la resistencia mecánica y la resistencia estructural del filamento continuo recubierto y, por lo tanto, del objeto 3D obtenido, es significativamente mayor que la resistencia mecánica de los hilos y el objeto 3D fabricado con otras tecnologías FDM conocidas. Como se usa en el presente documento, el término pellets termoplásticos sólidos puede referirse a piezas sólidas que comprenden al menos un compuesto químico termoplástico, que tiene un punto de fusión conocido y que está hecho en un pellet. Ejemplos de compuestos químicos termoplásticos pueden ser ionómeros, polietileno, copolímero de polietileno, etileno-acetato de vinilo, etc. Los pellets termoplásticos pueden comprender un único compuesto químico termoplástico o pueden comprender una combinación de vahos compuestos químicos termoplásticos para proporcionar algunas propiedades físicas o químicas adicionales, tales como un punto de fusión particular, viscosidad, resistencia, conductividad, aspecto, etc., diferente de un material fuente inicial. Es más, los pellets termoplásticos pueden comprender además aditivos tales como rellenos minerales, fibras de metal, lubricantes, fibras de vidrio, antioxidantes, estabilizadores UV y térmicos, etc., y pigmentos de color. Estos pellets termoplásticos también se pueden mezclar con un aglutinante para proporcionar una granularidad mejorada, un lubricante para proporcionar una densidad de llenado uniforme, un pigmento para clasificar los tipos de pellets térmicos, y similares. El término pellets termoplásticos sólidos puede referirse además a pequeños gránulos de material termoplástico o mezclas de aglutinante termoplástico con cargas de polvo. Como se usa en el presente documento, el término filamento continuo puede referirse a un filamento cuyas dimensiones y composición son sustancialmente homogéneas y continuas a lo largo de toda su longitud. El filamento continuo comprende un material matriz, generalmente un material termoplástico y un material de refuerzo continuo (sin discontinuidades) tal como una pluralidad de hilos de fibra continua (por ejemplo, hechos de carbono, fibra de vidrio, Kevlar, etc.). Este material de refuerzo continuo no tiene discontinuidades lo que mejora las propiedades mecánicas y estructurales del objeto 3D impreso. El material matriz del filamento continuo puede estar hecho de un material termoplástico, tal como al menos un polímero o materiales compuestos con matriz polimérica, entre otros. Ejemplos de polímeros pueden ser metacrilato, acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), polietileno de alta densidad (HDPE), PC/ABS, tereftalato de polietileno (PET), tereftalato de polietileno modificado con glicol (PETG), polifenilsulfona (PPSU) y poliestireno de alto impacto (HIPS), entre otros. Preferentemente, el filamento continuo puede comprender una cubierta
(pre-recubrimiento) hecha de un material termoplástico para proporcionar rigidez y facilitar su manejo y agarre. Por ejemplo, estos hilos de fibra continuas pueden estar retorcidos o entrelazados o pueden colocarse longitudinalmente y uno al lado del otro. Como ejemplo, un conjunto de hilos de fibra continua de, por ejemplo, carbono, puede estar formado por miles (por ejemplo, 12.000 o incluso más) de hilos de fibra de carbono. La cubierta del filamento continuo puede estar hecha de un material termoplástico, tal como al menos un polímero o materiales compuestos con matriz polimérica, entre otros. Ejemplos de polímeros pueden ser metacrilato, ABS, PC, PLA, HDPE, PC/ABS, PET, PETG, PPSU y HIPS, entre otros. La cubierta del filamento continuo puede comprender además otros componentes tales como fibras duras cortas o largas, agregados, aglutinantes, etc. El filamento continuo también puede estar hecho de materiales conductores de electricidad, de manera que el objeto 3D fabricado pueda conducir electricidad. En algunas realizaciones, la boquilla de impresión comprende una entrada para recibir el filamento continuo desde la unidad de suministro de filamento, una salida a través de la cual se deposita el filamento continuo recubierto sobre la superficie de construcción, un canal que comunica la entrada y la salida y una cavidad anular dispuesta alrededor de al menos una parte del canal. La cavidad anular tiene una abertura para recibir el fluido termoplástico desde la unidad de extrusión de plástico. En tal realización, la boquilla de impresión está configurada de tal manera que el filamento continuo se recubre con el fluido termoplástico cuando pasa a través de la cavidad anular e inmediatamente antes de depositarse sobre la superficie de construcción. Así pues, el filamento continuo es empujado por la unidad de suministro de filamento al canal de la boquilla de impresión de modo que el filamento continuo se impregna con el fluido termoplástico en la cavidad anular. La geometría de la cavidad anular, que rodea axialmente al menos una parte del canal, garantiza que la superficie externa del filamento continuo sea revestida de manera continua y homogénea con el fluido termoplástico.
En algunas realizaciones, la parte superior del canal, que está localizada por encima de la cavidad anular, puede tener un primer diámetro que es sustancialmente similar al diámetro del filamento continuo mientras que la parte inferior del canal, que está localizada por debajo de la cavidad anular, puede tener un segundo diámetro ligeramente mayor que el primer diámetro y que es sustancialmente similar al diámetro del filamento continuo recubierto. En algunas otras realizaciones, las partes superior e inferior del canal pueden tener el mismo diámetro, siendo este diámetro sustancialmente similar al diámetro del filamento continuo recubierto. En algunas realizaciones, la parte superior del canal comprende una unidad de calentamiento para calentar el filamento continuo antes de entrar en la cavidad anular. La unidad de calentamiento puede transferir directamente calor al filamento continuo o puede transferir indirectamente dicho calor a través de la parte superior del canal. Esta etapa de calentamiento del filamento continuo, que puede fundir al menos parcialmente la superficie externa del filamento continuo o la superficie externa de la cubierta termoplástica del filamento continuo, facilita la unión del fluido termoplástico proveniente de los pellets termoplásticos sólidos al filamento continuo y, preferentemente, a la cubierta del filamento continuo. Esta unidad de calentamiento puede comprender un bloque de calentamiento acoplado a la superficie exterior de la parte superior del canal. A su vez, el bloque de calentamiento puede comprender cartuchos de calentamiento o resistencias de calentamiento para calentar el bloque de calentamiento. También podrían usarse otros medios de calentamiento bien conocidos. El calentamiento del filamento continuo puede contribuir además a ablandar su estructura facilitando su deposición sobre la superficie de construcción. La temperatura de calentamiento aplicada al filamento continuo será menor que la temperatura de fusión de su núcleo, en particular, inferior a la temperatura de fusión de los hilos de fibra que forman el filamento continuo.
En algunas realizaciones, la cubierta termoplástica (pre-recubrimiento) del filamento continuo puede estar hecha de un material químicamente compatible con el fluido termoplástico para facilitar la unión del fluido termoplástico proveniente de los pellets termoplásticos sólidos a la cubierta del filamento continuo. Preferentemente, la cubierta del filamento continuo puede estar hecha del mismo termoplástico que el fluido termoplástico o de un termoplástico que sea químicamente compatible con los componentes del fluido termoplástico. Esta cubierta termoplástica también será químicamente compatible con el material matriz del filamento continuo para asegurar su unión.
En algunas realizaciones, la unidad de extrusión de plástico comprende un primer motor y un extrusor conectada de forma fluida a la boquilla de impresión. El extrusor es accionado por el primer motor y está configurado para proporcionar el fluido termoplástico a la boquilla de impresión. El primer motor puede ser un motor paso a paso para proporcionar un alto par a bajas vibraciones y bajas velocidades.
En algunas realizaciones, el extrusor de la unidad de extrusión de plástico comprende una camisa con un primer extremo conectada de forma fluida a la boquilla de impresión y un segundo extremo a través del cual se recibe el suministro de pellets termoplásticos sólidos. El extrusor comprende, además, un husillo de extrusión ubicado dentro de la camisa y que está configurado para transportar los pellets termoplásticos sólidos y el fluido termoplástico hacia el primer extremo de la camisa y al menos un elemento o dispositivo de calentamiento para fundir los pellets. Los elementos de calentamiento, que podrían ser, por ejemplo, uno o más cartuchos de calentamiento, resistencias eléctricas, o cualquier otro dispositivo capaz de fundir los pellets termoplásticos sólidos, están acoplados térmicamente a la camisa y/o al husillo del extrusor. Los elementos de calentamiento están configurados para producir el fluido termoplástico calentando los pellets termoplásticos sólidos hasta su temperatura de fusión. La fricción entre los pellets termoplásticos sólidos, la superficie interna de la camisa y el husillo de extrusión también contribuyen a fundir los pellets termoplásticos sólidos. En algunas realizaciones, la boquilla de impresión comprende una punta de boquilla acoplada en su salida para dar forma y guiar el filamento continuo recubierto inmediatamente antes de depositarlo sobre la superficie de construcción. Esta punta de boquilla puede tener, por ejemplo, una abertura de salida circular. La punta de la boquilla puede ser una punta de boquilla intercambiable de modo que se puedan acoplar diferentes puntas de boquilla con aberturas de salida que tengan diferentes formas y/o diámetros a la boquilla de impresión, dependiendo de los requisitos particulares de deposición.
En algunas realizaciones, el cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico comprende un conducto para conducir el fluido termoplástico desde la unidad de extrusión de plástico a la boquilla de impresión. El diámetro del conducto puede ser constante a lo largo de su longitud o puede vahar, siendo, por ejemplo, mayor en el extremo a través del cual se recibe el fluido termoplástico de la camisa y menor en el extremo a través del cual se introduce el fluido termoplástico en la boquilla de impresión. La fuerza impulsora aplicada por el husillo de extrusión al fluido termoplástico determina el caudal del fluido termoplástico a través del conducto y, por lo tanto, el caudal del fluido termoplástico que entra en la cavidad anular de la boquilla de impresión.
En algunas realizaciones, el cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico comprende una tolva en la que están contenidos los pellets termoplásticos sólidos. La tolva se comunica con la unidad de extrusión de plástico. La tolva puede ser una parte integral de la unidad de extrusión de plástico para que la tolva pueda rellenarse con los pellets termoplásticos sólidos a través de, por ejemplo, un cerramiento o tapa de la tolva que se puede abrir. De manera alternativa, la tolva puede ser una tolva removible que se puede conectar a la unidad de extrusión de plástico. Por ejemplo, la unidad de extrusión de plástico puede tener guías hembra en las que las guías macho de la tolva pueden acoplarse de manera deslizante. De esta manera, una tolva que almacena un tipo particular de pellets termoplásticos sólidos puede retirarse y reemplazarse por otra tolva que almacena el mismo tipo o un tipo diferente de pellets termoplásticos sólidos.
En algunas realizaciones, el cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico y, más particularmente, la unidad de extrusión de plástico, comprende un conducto que comunica la tolva con la camisa del cabezal de extrusión de plástico. Por ejemplo, el conducto puede estar inclinado hacia la camisa para facilitar el movimiento de los pellets por gravedad. De manera alternativa, la tolva o el conducto pueden integrar un mecanismo, tal como un émbolo o tornillo de accionamiento, accionado por un motor, por ejemplo, un motor paso a paso, para conducir los pellets termoplásticos sólidos hacia la camisa.
En algunas realizaciones, la unidad de suministro de filamento comprende una unidad de accionamiento de filamento para conducir el filamento continuo desde una fuente de filamento, por ejemplo, un rollo de filamento, hacia la boquilla de impresión. La unidad de accionamiento del filamento comprende un segundo motor, por ejemplo, un motor paso a paso, un engranaje de accionamiento giratorio accionado por el segundo motor y configurado para conducir el filamento continuo hacia la boquilla de impresión y una rueda de guía configurada para enganchar el filamento continuo con el engranaje de accionamiento. El mecanismo alimentador, formado por el engranaje de accionamiento y la rueda de guía, agarra el filamento y lo alimenta a una velocidad de alimentación controlada a la boquilla de impresión con el par proporcionado por el segundo motor. El engranaje de accionamiento y la rueda de guía pueden tener una superficie externa moleteada para aumentar la fuerza de agarre sobre el filamento. De manera alternativa, en lugar de una rueda de guía, la unidad de accionamiento del filamento puede comprender un rodillo de presión u otro mecanismo para aplicar una fuerza contra el filamento continuo para enganchar el filamento con el engranaje de accionamiento giratorio mientras el engranaje de accionamiento giratorio gira para facilitar el movimiento axial de baja fricción del filamento. La unidad de accionamiento de filamento puede hacer avanzar y/o retraer el filamento haciendo que el engranaje de accionamiento giratorio gire en una primera dirección para hacer avanzar el filamento o en una segunda dirección, opuesta a la primera dirección, para retraer el filamento. La cubierta termoplástica del filamento continuo proporciona suficiente rigidez para facilitar el avance del filamento continuo por la unidad de accionamiento del filamento.
La rueda de guía puede incluir, por ejemplo, un rodamiento tal que la rueda de guía gire libremente sobre el rodamiento para reducir la fuerza axial a lo largo del filamento, en comparación con una configuración sin rodamiento. La rueda de guía puede aplicar una fuerza normal al filamento, tal que la fuerza se dirija hacia el engranaje de accionamiento giratorio. La fuerza normal puede ser una fuerza constante o variable. En algunos ejemplos, la rueda de guía puede ser fija. En algunos otros ejemplos, la rueda de guía puede ser retenida por un brazo de resorte, un actuador, o una combinación de los mismos, de modo que la rueda de guía sea adaptable a filamentos de diámetro variable mientras se mantiene la fuerza normal.
En algunas realizaciones, la unidad de suministro de filamento comprende, además, una cortadora de filamentos que se coloca entre la salida de la unidad de accionamiento de filamento y la entrada de la boquilla de impresión. La cortadora de filamentos está configurada para cortar el filamento continuo a una longitud predefinida. El medio para cortar la fibra continua en la cortadora de filamentos puede comprender, por ejemplo, un cuchillo, un cúter o unas tijeras, y puede ser accionado por un tercer motor, por ejemplo, un motor paso a paso. Otros medios de corte de las cortadoras de filamentos pueden incluir láser, aire o fluido a alta presión, o cizalla para cortar el filamento continuo a la longitud requerida.
En algunas realizaciones, el cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico comprende medios para acoplar una fuente de filamento, por ejemplo, un rollo de filamento, al cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico. Estos medios pueden ser un acoplador de rodamientos unido a la estructura del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico y, más particularmente, a la estructura de la unidad de suministro de filamento, de modo que el rollo de filamento pueda girar libremente mediante el acoplador de rodamientos en relación con la estructura de la unidad de suministro de filamento.
En algunas realizaciones, los pellets termoplásticos sólidos comprenden fibras de refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas del termoplástico. La combinación de las propiedades mecánicas y químicas del filamento continuo y de las fibras de refuerzo del fluido termoplástico puede mejorar las propiedades mecánicas y/o químicas del filamento continuo recubierto resultante. Por ejemplo, si un filamento continuo hecho de fibra de carbono está recubierto con un termoplástico que contiene pequeñas piezas de fibra de carbono, el rendimiento mecánico del filamento continuo recubierto resultante mejora significativamente. Los medios de calentamiento y el primer, segundo y tercer motor pueden ser gestionados por un controlador para ajustar la temperatura de fusión de los pellets, la temperatura de calentamiento del filamento continuo (opcional), el caudal de deposición (actuando sobre el primer motor que acciona el husillo de la extrusora y sobre el segundo motor que acciona el engranaje de accionamiento) y la longitud del filamento continuo recubierto depositado (actuando sobre el tercer motor) según los requisitos particulares del proceso de fabricación 3D. Este controlador, que puede ser al menos uno de una unidad central de procesamiento (CPU), un microprocesador basado en semiconductores, una unidad de procesamiento de gráficos (GPU), una matriz de puertas lógicas programables en campo (FPGA) u otro circuito electrónico adecuado para las instrucciones de recuperación y ejecución para administrar los medios de calentamiento y el primer, segundo y tercer motor, puede ser parte del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico o, más preferentemente, puede ser parte de la impresora 3D a la que está acoplado el cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico.
Un segundo objeto de la invención es una impresora 3D que comprende una superficie de construcción sobre la cual se fabricará un objeto, un cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico como se describe en los párrafos anteriores acoplado a la estructura o marco de la impresora 3D y un sistema de posicionamiento x-y-z configurado para mover al menos uno del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico y la superficie de construcción, uno con respecto al otro. La impresora 3D también comprende un sistema de control configurado para controlar el caudal del fluido termoplástico y la velocidad de alimentación del filamento continuo en la boquilla de impresión, y por lo tanto, para controlar el caudal de deposición del filamento continuo recubierto sobre la superficie de construcción. Este sistema de control está configurado además para gestionar la posición de la boquilla de impresión y la superficie de construcción entre sí de acuerdo con una forma 3D del objeto 3D a fabricar. El caudal de extrusión de la unidad de extrusión de plástico y el flujo de alimentación de la unidad de suministro de filamento están controlados por la velocidad de rotación del primer y segundo motor, respectivamente. El primer motor actúa sobre el husillo del extrusor y el segundo motor sobre el engranaje de accionamiento de la unidad de suministro de filamento. El sistema de control de la impresora 3D está acoplado comunicativamente al primer y segundo motor para controlar la velocidad de deposición sobre la superficie de construcción. El sistema de control puede configurarse para proporcionar un caudal de deposición del filamento continuo recubierto de hasta 7 kg/hora o incluso mayor. Este flujo de deposición permite la fabricación de grandes piezas en 3D. Además, el sistema de control de la impresora 3D puede determinar la extrusión solo de filamento continuo a una velocidad de alimentación establecida al detener el primer motor y activar el segundo motor, la extrusión solo de fluido termoplástico a un caudal establecido deteniendo el segundo motor y activando el primer motor o puede determinar la extrusión de filamento continuo recubierto a un caudal de deposición establecido activando el primer y segundo motor. Esto permite fabricar objetos en 3D que pueden comprender partes hechas solo de filamento continuo, partes hechas solo de termoplástico provenientes de los pellets termoplásticos sólidos, partes reforzadas de filamento continuo recubierto y cualquier combinación de las mismas. En algunas realizaciones, los medios de calentamiento y el primer, segundo y tercer motor del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico también pueden ser gestionados por el sistema de control de la impresora 3D.
En algunas realizaciones, el sistema de posicionamiento x-y-z de la impresora 3D es un brazo robótico, por ejemplo, un brazo de robot articulado. El cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico se puede unir a la garra del brazo robótico. En tales realizaciones, el sistema de posicionamiento x-y-z controla y mueve el cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico con al menos tres grados de libertad mientras la superficie de construcción permanece fija. En algunas otras realizaciones, la superficie de construcción puede ser móvil y tener al menos un grado de libertad, de modo que el sistema de posicionamiento x-y-z pueda mover el cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico con al menos tres grados de libertad junto con al menos un grado de libertad de la superficie de construcción. En algunas otras realizaciones, el sistema de posicionamiento x-y-z puede ser un conjunto de rieles lineales que proporcionan al menos tres grados de libertad a la impresora 3D. Estos rieles lineales se pueden acoplar al cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico y/o a la superficie de construcción.
Un tercer objeto de la invención es un método de fabricación aditiva en plástico, que comprende las etapas de: recibir, en una unidad de extrusión de plástico, un suministro de pellets termoplásticos sólidos. Este suministro puede recibirse desde una tolva fijada o unida de forma removible a la unidad de extrusión de plástico; fundir, en la unidad de extrusión de plástico, el suministro de pellets termoplásticos sólidos para producir un fluido termoplástico. Se podría aplicar calor a los pellets mediante un elemento de calentamiento, tal como cartuchos de calentamiento o resistencias eléctricas, ubicado en las proximidades o integrado en la unidad de extrusión de plástico; recibir simultáneamente, en una boquilla de impresión, el fluido termoplástico de la unidad de extrusión de plástico y un filamento continuo de una unidad de suministro de filamento. El filamento continuo comprende un material matriz, por ejemplo, un material termoplástico y un material de refuerzo continuo, por ejemplo, una pluralidad de hilos de fibra continua hechos de, por ejemplo, carbono, fibra de vidrio o Kevlar, entre otros; recubrir, en la boquilla de impresión, el filamento continuo con el fluido termoplástico. El filamento continuo se recubre con el fluido termoplástico cuando pasa a través de una cavidad anular de la boquilla de impresión e inmediatamente antes de depositarse sobre la superficie de construcción; depositar, mediante la boquilla de impresión, el filamento continuo recubierto sobre la superficie de construcción para fabricar el objeto.
El cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico, la impresora 3D que incluye el mismo y el método para fabricar objetos 3D descritos en el presente documento presentan vahas ventajas y/o diferencias en comparación con los dispositivos y técnicas anteriores. En particular, la solución divulgada en el presente documento es capaz de proporcionar un caudal de deposición de aproximadamente 7 kg/hora o incluso mayor, lo que hace a este cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico, impresora 3D y método, especialmente útiles para producir objetos 3D grandes (p. ej., objetos 3D con dimensiones superiores a 0,3x0, 3x0, 3 metros). Las propiedades mecánicas resultantes, por ejemplo, resistencia y rigidez mecánica, y rigidez estructural, del objeto 3D producido por la solución divulgada en el presente documento son mayores que cuando se usan otras tecnologías FDM convencionales. Además, la cantidad de material y el tiempo utilizado para la fabricación del objeto 3D están optimizados, lo que reduce significativamente los costes asociados con el propio proceso de fabricación. También se evita el uso de maquinaria especializada y moldes diferentes para cada modificación de diseño durante la fabricación del objeto 3D. Además, los pellets termoplásticos son más baratos que otros materiales utilizados en las técnicas de deposición fundida, lo que también contribuye a reducir el coste del objeto resultante y son muy versátiles (los pellets pueden contener aditivos, agregados, aglutinantes, etc.).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para completar la descripción y para proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripción e ¡lustran una realización de la invención, que no debe interpretarse como que restringe el alcance de la invención, sino solo como un ejemplo de cómo se puede llevar a cabo la invención.
Los dibujos comprenden las siguientes figuras:
La figura 1 muestra una vista en perspectiva frontal de un cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico, de acuerdo con una realización particular de la invención.
La figura 2 muestra una vista en perspectiva superior de la tolva y el sistema de transmisión del motor de la unidad de extrusión de plástico del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico de la figura 1. La figura 3 muestra una vista en perspectiva frontal de la unidad de accionamiento de filamento del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico de la figura 1.
La figura 4 muestra una vista en perspectiva frontal de la cortadora de filamentos del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico de la figura 1.
La figura 5 muestra una vista frontal de una sección cortada de la boquilla de impresión del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico de la figura 1.
La figura 6 muestra una vista en perspectiva del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico de la figura 1 acoplado a un brazo robótico articulado, de acuerdo con una realización particular de la invención.
La figura 7 muestra una vista detallada del acoplamiento del cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico de la figura 1 al brazo robótico articulado de la figura 6. La figura 8 muestra un diagrama de flujo del método de fabricación aditiva en plástico, de acuerdo con una realización particular de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La figura 1 muestra una vista en perspectiva frontal de un cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico, de acuerdo con una realización particular de la invención. Debe entenderse que el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de la figura 1 puede incluir componentes adicionales y que algunos de los componentes descritos en el presente documento pueden eliminarse y/o modificarse sin alejarse del alcance del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico descrito. Adicionalmente, la implementación del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico no se limita a dicha realización.
El cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico comprende una unidad de extrusión de plástico 101 que está configurada para recibir un suministro de pellets termoplásticos sólidos desde una tolva 102. En lugar de una tolva 102, el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico puede comprender un tanque o un recipiente para almacenar temporalmente los pellets termoplásticos sólidos. De manera alternativa, el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico puede recibir los pellets desde un tanque o recipiente de almacenamiento, por ejemplo, a través de un conducto, manguera o tubería, que no forma parte del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico. La unidad de extrusión de plástico 101 está configurada para fundir el suministro de pellets termoplásticos sólidos recibidos desde la tolva 102 para producir el fluido termoplástico. El husillo del extrusor (no mostrado en esta figura) de la unidad de extrusión de plástico 101 que impulsa los pellets termoplásticos sólidos y el fluido termoplástico hacia la boquilla de impresión 104 es accionado por el motor paso a paso 105. El movimiento giratorio del motor paso a paso 105 se transmite al husillo del extrusor mediante la interposición de una caja reductora 106 para reducir la velocidad del motor 105 y aumentar el par.
El husillo del extrusor está alojado en la camisa 107 de la unidad de extrusión de plástico 101. A modo de ejemplo y para garantizar un caudal de deposición del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de aproximadamente 6 a 7 kg/hora (especialmente indicado para la fabricación de piezas grandes), la camisa 107 puede estar diseñada con un diámetro de aproximadamente 60 mm y una longitud de aproximadamente 570 mm y alojar un husillo del extrusor con un diámetro de aproximadamente 20 mm y una longitud de aproximadamente 610 mm (la hélice del husillo del extrusor tiene prácticamente la misma longitud que la camisa 107). La unidad de extrusión de plástico 101 comprende, además, tres collares anulares de calentamiento 108 dispuestos equidistantemente a lo largo de la camisa 107 y que rodean al menos parcialmente la superficie exterior de la camisa 107. La camisa 107 puede tener un número diferente de collares anulares de calentamiento y con una disposición diferente siempre que el calor transmitido a los pellets termoplásticos sólidos sea suficiente para fundirlos dentro de la camisa 107. Estos collares anulares de calentamiento 108 están configurados para alcanzar la temperatura de fusión de los pellets termoplásticos sólidos para generar el fluido termoplástico. La transmisión y distribución del calor a lo largo de la camisa 108 realizada por los collares de calentamiento 108 es más constante y homogénea que el uso de otras alternativas de calentamiento. Otros medios de calentamiento, tales como bloques de calentamiento con cartuchos de calentamiento o termopares insertados en orificios en la superficie exterior de la camisa 107 también podrían usarse. Además, la camisa 107 comprende bridas 109 respectivas en ambos extremos para unirse al sistema de transmisión del motor paso a paso 105 y a la boquilla de impresión 104.
El cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico comprende, además, una unidad de suministro de filamento 103 que está configurada para proporcionar el filamento continuo 110 desde un rollo de filamento 111 a la boquilla de impresión 104. La unidad de suministro de filamento 103 impulsa, por medio del mecanismo de alimentación de una unidad de accionamiento de filamentos 112, el filamento continuo 110 hacia la boquilla de impresión 104. Este mecanismo de alimentación es accionado por otro motor paso a paso 122. La unidad de suministro de filamento 103 comprende, además, una cortadora de filamentos 113 para cortar el filamento continuo 110 a una distancia predefinida. El filamento continuo 110 puede estar formado por una matriz polimérica (por ejemplo, policarbonato o ABS) y una pluralidad de hilos de fibra de carbono, por ejemplo, entre 10.000 y 12.000 hilos de fibra de carbono. El filamento continuo 110 se recubre adicionalmente con policarbonato o ABS. Preferentemente, el filamento continuo 110 estará hecho de una pluralidad de hilos de fibra de carbono (con o sin cubierta), y el fluido termoplástico de los pellets termoplásticos será fibra de carbono fundida.
La boquilla de impresión 104 recibe el fluido termoplástico de la unidad de extrusión de plástico 101 a un caudal de extrusión particular y el filamento continuo 110 de la unidad de suministro de filamento 103 a una velocidad de alimentación particular, recubre el filamento continuo 110 con el fluido termoplástico y deposita el filamento continuo recubierto 110a a un caudal de deposición sobre una superficie de construcción sobre la que se fabricará la pieza 3D. El caudal de extrusión particular y la velocidad de alimentación están controladas por el sistema de control de la impresora 3D y se seleccionarán para garantizar que el filamento continuo 110 esté recubierto de manera homogénea con el fluido termoplástico.
Aunque el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de la figura 1 muestra un tamaño y disposición particular de los elementos que forman el cabezal 100, otros tamaños, diseños y disposiciones de dichos elementos podrían ser posibles. La figura 2 muestra una vista en perspectiva superior de la tolva 102 y del sistema de transmisión del motor 105 de la unidad de extrusión de plástico 101 del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de la figura 1.
El movimiento giratorio del motor paso a paso 105 se transmite en primer lugar a la caja reductora 106 para reducir la velocidad de rotación y aumentar el par. Esta velocidad de rotación se transmite luego a un engranaje de accionamiento 114 que, a su vez, se transmite a un engranaje accionado 115 por medio de una correa de transmisión 116. De esta manera, el movimiento giratorio del motor 105 se transmite a través del engranaje accionado 115 al husillo del extrusor ubicado dentro de la camisa 107.
La tolva 102 se comunica con la camisa 107 por interposición de un conducto inclinado 117 de tal manera que los pellets termoplásticos sólidos alcanzan la camisa 107 por gravedad. La unidad de extrusión de plástico 101 comprende, además, un sistema de enfriamiento para evitar que el calor generado en la camisa 107 se transmita a la caja reductora 106 y al motor 105. El sistema de enfriamiento comprende una tubería con forma de serpentina integrada en un bloque de enfriamiento 118. El sistema de enfriamiento comprende, además, una bomba de fluido de enfriamiento (no mostrada) que hace circular el fluido de enfriamiento, p. ej. , agua, de modo que el fluido refrigerante entre en el bloque de enfriamiento 118 a una primera temperatura, circule a través de la tubería con forma de serpentina y salga del bloque de enfriamiento 118 a una segunda temperatura que es más alta que la primera temperatura. Así pues, el fluido refrigerante absorbe y elimina el calor transmitido desde la camisa 107. El bloque de enfriamiento 118 tiene dos orificios pasantes a través de los cuales pasan los ejes de rotación respectivos entre la caja reductora 106 y el engranaje de accionamiento 114 y entre el engranaje accionado 115 y el husillo del extrusor.
La figura 3 muestra una vista en perspectiva frontal de la unidad de accionamiento de filamento 112 de la unidad de suministro de filamento 103 del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de la figura 1.
La unidad de accionamiento de filamento 112 comprende un motor paso a paso 122, un engranaje de accionamiento giratorio 119 accionado por el motor paso a paso 122 para conducir el filamento continuo 110 hacia la boquilla de impresión 104 y una rueda de guía 120 configurada para enganchar el filamento continuo 110 con el engranaje de accionamiento 119. El engranaje de accionamiento 119 y la rueda de guía 120 tienen una superficie externa moleteada para aumentar la fuerza de agarre sobre el filamento continuo 110. El mecanismo de alimentación, formado por el engranaje de accionamiento 119 y la rueda de guía 120, agarra el filamento 110 y lo alimenta a una velocidad controlada a la boquilla de impresión 104 con el par proporcionado por el motor paso a paso 122. La rueda de guía 120 es empujada en una dirección normal al filamento 110 por un brazo de resorte 121 accionado por un resorte (no mostrado en esta figura) ubicado dentro del brazo de resorte 121.
La unidad de accionamiento del filamento 112 comprende, además, un embudo 123 para guiar el filamento continuo 110 hacia la entrada del mecanismo de alimentación, de modo que el filamento continuo 110 pase entre el engranaje de accionamiento giratorio 119 y la rueda de guía 120, y un tubo hueco 124 que comunica la salida de la unidad de accionamiento del filamento 112 con la entrada de la cortadora de filamentos 113 para guiar el filamento 110. La figura 4 muestra una vista en perspectiva frontal de la cortadora de filamentos 113 de la unidad de suministro de filamento 103 del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de la figura 1.
La cortadora de filamentos 113 comprende un par de alicates de corte o tijeras 125 accionados por una leva 126 que, a su vez, es accionada por el motor paso a paso 127. En particular, la leva 126 se coloca en el eje del motor de paso a paso 127 que, al recibir una señal de corte del sistema de control de la impresora 3D, hace que la leva 126 gire 360° haciendo funcionar los alicates de corte o las tijeras 125 para cortar el filamento continuo 110. La cortadora de filamentos 113 comprende, además, un interruptor de límite 128 que detecta la rotación de la leva 126 y genera una señal de control para detener el motor paso a paso 127.
La cortadora de filamentos 113 comprende, además, otro tubo hueco 129 para guiar el filamento continuo 110 desde la salida de la cortadora de filamentos 113 hacia la entrada de la boquilla de impresión 104. La figura 5 muestra una vista frontal de una sección cortada de la boquilla de impresión 104 del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de la figura 1.
La boquilla de impresión 104 comprende una entrada 130 para recibir el filamento continuo 110 de la cortadora de filamentos 113, una salida 131 en una punta 133 de la boquilla de impresión 104 para depositar el filamento continuo recubierto 110a sobre la superficie de construcción (no mostrada en esta figura), un canal 137 que comunica la entrada 130 y la salida 131 y una cavidad anular 132 dispuesta alrededor de una parte del canal 137. La cavidad anular 132 tiene una abertura 136 que se comunica con un conducto 134 a través del cual se recibe el fluido termoplástico 135 desde la unidad de extrusión de plástico 101 y, más particularmente, desde la camisa 107. El fluido termoplástico 135 entra en la cavidad anular 132 y la llena. Cuando el filamento continuo 110 pasa a través de la cavidad anular 132, el fluido termoplástico 135 se adhiere a la superficie externa de la cubierta del filamento continuo 110. Preferentemente, la parte superior 137a del canal 137, que se encuentra por encima de la cavidad anular 132, tiene un diámetro que es sustancialmente similar al diámetro del filamento continuo 110 mientras que la parte inferior 137b del canal 137, que se encuentra debajo de la cavidad anular 132, tiene un diámetro que es sustancialmente similar al diámetro del filamento continuo recubierto 110a. De esta manera, se impide que el fluido termoplástico 135 fluya hacia arriba a través de la parte superior 137a del canal 137.
La boquilla de impresión 104 está configurada de tal manera que el filamento continuo 110 es recubierto con el fluido termoplástico 135 cuando pasa a través de la cavidad anular 132 e inmediatamente antes de depositarse sobre la superficie de construcción. Así pues, el filamento continuo 110 es empujado por la unidad de suministro de filamento 103 al canal 137 de la boquilla de impresión 104, de modo que el filamento continuo 110 se impregna con el fluido termoplástico 135 en la cavidad anular 132. Además, la boquilla de impresión 104 puede estar formada por dos contramoldes que se pueden acoplar y abrir para facilitar la limpieza del canal 137, el conducto 134 y la cavidad anular 132. En esta realización particular, solo se muestra uno de los dos contramoldes de la boquilla de impresión 104.
La figura 6 muestra una vista en perspectiva del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de la figura 1 acoplado a un brazo robótico 201 de una impresora 3D 200, de acuerdo con una realización particular de la invención. Debe entenderse que la impresora 3D 200 de la figura 6 puede incluir componentes adicionales y que algunos de los componentes descritos en el presente documento pueden eliminarse y/o modificarse sin alejarse del alcance de la impresora 3D 200. Adicionalmente, la implementación de la impresora 3D 200 no se limita a dicha realización.
La impresora 3D 200 comprende una superficie de construcción (no mostrada en esta figura) sobre la cual se fabricará un objeto, un cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico como el que se muestra en las figuras 1 a 5 acoplado a la garra del brazo robótico 201 que está atornillado al suelo o a un elemento de soporte mediante la interposición de una base 202. El brazo robótico 201 es un brazo robótico articulado de 6 ejes, aunque podría usarse cualquier otro brazo robótico con al menos 3 grados de libertad. De manera alternativa, en lugar de que el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico esté acoplado a un brazo robótico 201 como el que se muestra en la figura 6, el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico puede acoplarse a cualquier otro sistema de posicionamiento x-y-z siempre que el cabezal 100 esté provisto de al menos tres grados de libertad. De manera alternativa, la superficie de construcción puede no ser parte de la impresora 3D 200. El cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva plásticos está ubicado dentro de una carcasa 205.
Esta impresora 3D 200 comprende un sistema de control distribuido en el que la electrónica y el software para gestionar el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico están integrados en el módulo 203, mientras que la electrónica y el software para gestionar el brazo robótico 201 están integrados en el módulo 204. En tales realizaciones, hay un controlador para gestionar el cabezal 100 y otro para gestionar el brazo robótico 201, estando ambos controladores comunicados de forma cooperativa para fabricar los objetos 3D. En algunas otras implementaciones, la impresora 3D 200 puede comprender un sistema de control centralizado en el que la electrónica y el software para gestionar el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plásticos y el brazo robótico 201 están integrados en un solo módulo. En tal realización, puede haber un único controlador que gestione el cabezal 100 y el brazo robótico 201 para fabricar los objetos 3D.
En tal realización, el caudal del fluido termoplástico y la velocidad de alimentación del filamento continuo y, por lo tanto, el caudal de deposición del filamento continuo recubierto sobre la superficie de construcción, es gestionado por el controlador ubicado en el módulo 203, mientras que la posición de la boquilla de impresión relativa a la superficie de construcción es gestionada por un controlador ubicado en el módulo 204. Estos dos controladores están acoplados comunicativamente entre sí. El objeto 3D se fabricará en función de la CAM 3D respectiva recibida por dicho controlador.
En cualquier caso, el sistema de control de la impresora 3D 200 comprende al menos un procesador que puede ser al menos uno de una unidad central de procesamiento (CPU), un microprocesador basado en semiconductores, una unidad de procesamiento de gráficos (GPU), una matriz de puertas lógicas programables en campo (FPGA) configurada para recuperar y ejecutar instrucciones, otros circuitos electrónicos adecuados para las instrucciones de recuperación y ejecución almacenadas en un medio de almacenamiento legible por ordenador, o una combinación de los mismos. El sistema de control está configurado para recibir la CAM 3D del objeto que se va a fabricar, para dar instrucciones al sistema de posicionamiento x-y-z para mover el cabezal de impresión de fabricación aditiva en plástico y la superficie de construcción entre sí y para dar instrucciones al primer y segundo motor para proporcionar el caudal de deposición de filamento continuo recubierto requerido para fabricar el objeto 3D sobre la superficie de construcción.
La figura 7 muestra una vista detallada del acoplamiento del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico de la figura 1 al brazo robótico articulado 201 de la figura 6. En esta figura, el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico no tiene carcasa 205 y está acoplado a la garra (no mostrada) de la muñeca 206 del brazo robótico articulado 201.
La unidad de extrusión de plástico 101, la unidad de suministro de filamento 103 y la fuente de filamento 111 están todas acopladas a un marco 138 del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico. La tolva 102 y la boquilla de impresión 104 están acopladas a la unidad de extrusión de plástico 101. Además, el cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico comprende un elemento de retención 139 para sujetar la punta 133 de la boquilla de impresión 104 para asegurar que la punta 133 no se mueva durante la operación de deposición.
La figura 8 muestra un diagrama de flujo del método de fabricación aditiva en plástico 300, de acuerdo con una realización particular de la invención. El método hace uso del cabezal de impresión 100 de fabricación de plásticos como se ha descrito previamente. Sin embargo, también pueden usarse en este método otras realizaciones del cabezal de impresión 100 de fabricación de plásticos. En la etapa 301 del método 300, se recibe un suministro de pellets termoplásticos sólidos en una unidad de extrusión de plástico 101 del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva. Este suministro puede recibirse desde una tolva 102 fijada o unida de forma desmontable a la unidad de extrusión de plástico 101. En la etapa 302 del método 300, el suministro de pellets termoplásticos sólidos se funde en la unidad de extrusión de plástico 101 para producir el fluido termoplástico 135. El calor se podría aplicar a los pellets calentando elementos tales como collares de calentamiento, cartuchos de calentamiento o resistencias eléctricas ubicadas en las proximidades o integradas en la unidad de extrusión de plástico 101, y más particularmente, en la camisa 107 y/o el husillo del extrusor.
En la etapa 303 del método 300, el fluido termoplástico 135 de la unidad de extrusión de plástico 101 y un filamento continuo 110 de una unidad de suministro de filamento 103 se reciben simultáneamente, en la boquilla de impresión 104 del cabezal de impresión 100 de fabricación aditiva en plástico.
En la etapa 304 del método 300, el filamento continuo 110 se recubre en la boquilla de impresión 104 con el fluido termoplástico 135. El filamento continuo 110 se recubre con el fluido termoplástico 135 cuando pasa a través de la cavidad anular 132 de la boquilla de impresión 104 e inmediatamente antes de depositarse sobre la superficie de construcción.
En la etapa 305 del método 300, el filamento continuo recubierto 110a se deposita sobre la superficie de construcción mediante la boquilla de impresión 104 para fabricar el objeto 3D.
Dependiendo de la estructura del objeto 3D a fabricar, este puede comprender partes que necesitan ser reforzadas y otras partes que no necesitan ser reforzadas. En esos casos, el método puede comprender depositar solo filamento continuo a una velocidad de alimentación establecida o solo fluido termoplástico a un caudal establecido para aquellas partes del objeto 3D que no necesitan ser reforzadas y depositar filamento continuo recubierto a un caudal de deposición establecido para aquellas partes del mismo objeto 3D que sí necesitan ser reforzadas estructuralmente.
En este texto, el término "comprende" y sus derivados (tales como "que comprende", etc.) no deben entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo que se describe y define puede incluir elementos adicionales, etapas, etc. El término "otro", como se usa en el presente documento, se define como al menos un segundo o más. El término "acoplado", como se usa en el presente documento, se define como conectado, ya sea directamente sin ningún elemento intermedio, o indirectamente con al menos un elemento intermedio, a menos que se indique de otro modo. Dos elementos pueden acoplarse mecánicamente, eléctricamente o vincularse comunicativamente a través de un canal, ruta, red o sistema de comunicaciones.
La invención obviamente no se limita a las realizaciones específicas descritas en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que pueda ser considerada por cualquier persona experta en la materia (por ejemplo, con respecto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico, caracterizado por que el cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico comprende: una unidad de extrusión de plástico (101 ) configurada para recibir un suministro de pellets termoplásticos sólidos y para fundir el suministro de pellets termoplásticos sólidos para producir un fluido termoplástico (135); una unidad de suministro de filamento (103) configurada para proporcionar un filamento continuo (110), comprendiendo el filamento continuo (110) un material matriz y un material de refuerzo continuo; y una boquilla de impresión (104) configurada para recibir el fluido termoplástico (135) desde la unidad de extrusión de plástico (101 ) y el filamento continuo (110) desde la unidad de suministro de filamento (103), recubrir el filamento continuo (110) con el fluido termoplástico (135) y depositar el filamento continuo recubierto (110a) sobre una superficie de construcción sobre la cual se fabrica un objeto.
2. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la boquilla de impresión (104) comprende: una entrada (130) para recibir el filamento continuo (110); una salida (131 ) para depositar el filamento continuo recubierto (110a) sobre la superficie de construcción; un canal (137) que comunica la entrada (130) y la salida (131) y que tiene una cavidad anular (132) dispuesta alrededor de una parte longitudinal del canal (137), teniendo la cavidad anular (132) una abertura (136) para recibir el fluido termoplástico (135); en donde la boquilla de impresión (104) está configurada de modo que el filamento continuo (110) se recubra con el fluido termoplástico (135) cuando pasa a través de la cavidad anular (132) e inmediatamente antes de depositarse sobre la superficie de construcción.
3. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde la unidad de extrusión de plástico (101) comprende: un primer motor (105); y un extrusor conectado de forma fluida a la boquilla de impresión (104), siendo accionada el extrusor por el primer motor (105) y estando configurada para proporcionar el fluido termoplástico (135) a la boquilla de impresión (104).
4. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el extrusor comprende: una camisa (107) que tiene un primer extremo conectado de forma fluida a la boquilla de impresión (104) y un segundo extremo a través del cual se recibe el suministro de pellets termoplásticos sólidos; un husillo de extrusión ubicado dentro de la camisa (107) y configurado para transportar los pellets termoplásticos sólidos y el fluido termoplástico (135) hacia el primer extremo de la camisa (107); y al menos un elemento de calentamiento (108) acoplado térmicamente a al menos uno de la camisa (107) y el husillo de extrusión, estando configurado el al menos un elemento de calentamiento (108) para fundir los pellets termoplásticos sólidos para producir el fluido termoplástico (135).
5. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un conducto (134) para conducir el fluido termoplástico (135) desde la unidad de extrusión de plástico (101) a la cavidad anular (132) de la boquilla de impresión (104). 6. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una tolva (102) para almacenar los pellets termoplásticos sólidos, estando comunicada la tolva (102) con la unidad de extrusión de plástico (101). 7. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con la reivindicación 6, que comprende un conducto (117) que comunica la tolva (102) con la camisa (107) de la unidad de extrusión de plástico (101), de modo que los pellets termoplásticos sólidos se proporcionan a la unidad de extrusión de plástico (101) por gravedad.
8. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de suministro de filamento (103) comprende: un segundo motor; y una unidad de accionamiento de filamento (112), comprendiendo la unidad de accionamiento de filamento (112) un engranaje de accionamiento
(119) accionado por el segundo motor y estando configurada para conducir el filamento continuo (110) hacia la boquilla de impresión (104) y una rueda de guía
(120) configurada para enganchar el filamento continuo (110) con el engranaje impulsor (119).
9. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la unidad de suministro de filamento (103) comprende una cortadora de filamentos (113) que está configurada para cortar el filamento continuo (110) a una longitud predefinida.
10. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para acoplar una fuente de filamento (111) al cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico.
11. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el material de refuerzo continuo comprende una pluralidad de hilos de filamento continuo, preferentemente pre-recubiertos con un material químicamente compatible con el fluido termoplástico (135).
12. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con la reivindicación 11 , en donde los hilos de filamento continuo están hechos de carbono, fibra de vidrio o Kevlar.
13. El cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los pellets termoplásticos sólidos comprenden fibras de refuerzo.
14. Una impresora 3D que comprende: una superficie de construcción sobre la cual se fabrica un objeto; un cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, acoplado a un marco de la impresora 3D; un sistema de posicionamiento x-y-z, preferentemente un brazo robótico, configurado para mover al menos uno del cabezal de impresión (100) de fabricación aditiva en plástico y la superficie de construcción; un sistema de control (203, 204) configurado para controlar un caudal del fluido termoplástico (135) y una velocidad de alimentación del filamento continuo (110) a la boquilla de impresión (104) y controlar una posición de la boquilla de impresión (104) por encima de la superficie de construcción de acuerdo con una forma 3D del objeto a fabricar.
15. Un método de fabricación aditiva en plástico (300), que comprende las etapas de: recibir (301), en una unidad de extrusión de plástico (101), un suministro de pellets termoplásticos sólidos; fundir (302), en la unidad de extrusión de plástico (101), el suministro de pellets termoplásticos sólidos para producir un fluido termoplástico (135); recibir (303), simultáneamente, en una boquilla de impresión (104), el fluido termoplástico (135) desde la unidad de extrusión de plástico (101) y un filamento continuo (110) desde una unidad de suministro de filamento (103), comprendiendo el filamento continuo (110) un material matriz y un material de refuerzo continuo; recubrir (304), en la boquilla de impresión (104), el filamento continuo (110) con el fluido termoplástico (135); depositar (305), mediante la boquilla de impresión (104), el filamento continuo recubierto (110a) sobre una superficie de construcción para fabricar un objeto.
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