CZ310171B6 - Sestava tiskové hlavy 3D tiskárny a 3D tiskárna s touto sestavou - Google Patents

Abstract

Sestava tiskové hlavy 3D tiskárny zahrnuje nosič (1) tiskové hlavy a tiskovou hlavu (10) zahrnující alespoň čtyři tiskové jednotky (2), které jsou uspořádány alespoň ve dvou ve vzájemném odstupu provedených řadách, přičemž každá tisková jednotka (2) zahrnuje extruder (3), podavač (4) filamentu, chladicí mechanismus (5) a trysku (6), kde tiskové jednotky (2) ve vzájemném odstupu jsou uzpůsobeny k současnému tisku v různých, vzájemně odsazených rovinách tisku, přičemž tiskové jednotky (2) v jedné řadě jsou uzpůsobeny k tisku v jiné rovině než tiskové jednotky (2) uspořádané v jiné řadě odsazením tiskových jednotek v různých řadách ve směru kolmém na roviny tisku, přičemž sestava dále zahrnuje alespoň dvě tisková ramena (7) spojená s nosičem (1) tiskové hlavy ve vzájemném odstupu, přičemž tiskové jednotky (2) z každé řady jsou umístěny na tiskovém rameni (7) a tisková ramena (7) jsou pro výškové nastavení tiskových ramen (7) uspořádána na překlápěcím rameni, které je otočně připojeno k nosiči (1) tiskové hlavy a opatřeno aktuátorem (8) tiskového ramene. Předmětem řešení je dále 3D tiskárna s touto sestavou.

Description

Sestava tiskové hlavy 3D tiskarny a 3D tiskarna s touto sestavou

Oblast techniky

Predkladanÿ vynalez se tÿka oblasti aditivniho 3D tisku, konkrétne popisuje inovovanou konstrukci sestavy tiskové hlavy pro 3D tisk vhodné, napr. pro tisk modularnich stavebnich prvkû.

Dosavadni stav techniky

V soucasném stavu techniky jsou znama reseni tiskovÿch hlav pro 3D tisk, ktera jsou uzpûsobena k pohybu ve trech na sebe kolmÿch osach. Tiskova hlava zahrnuje jeden nebo vice extruderû, do kterÿch je zaveden tistenÿ material, napriklad ve forme filamentu, kterÿ je v extruderu nataven a tlacen tryskou o definovaném prûmeru, kterÿ urcuje tlousfku deponované vrstvy.

V soucasném stavu techniky jsou také znama reseni vyuzivajici vice extruderû umistenÿch v jedné rade na jedné tiskové hlave, kdy vyuziti dalsiho extruderu umoznuje napriklad tisk vice filamenty a tim i rûznÿmi materialy.

V jiném znamém usporadani je umisteno vice tiskovÿch hlav na rûznÿch nezavislÿch osach. Toto reseni umoznuje rychlejsi tisk vyhotovovaného tisteného objektu.

Aditivni technologie 3D tisku nalézaji vyuziti napriklad pri vÿrobe prototypû, komponent ve strojirenstvi, stavebnictvi, ci specialnich biotechnologickÿch aplikacich.

Pro 3D tisk vyuzivanÿ v oblasti stavebnictvi je vyuzivano siroké spektrum materialû, jejichz aplikace do znacné miry zavisi na tiskové technologii. Pro tisk monolitickÿch staveb se vyuziva napr. silikatového kompozitniho materialu metodou vytlacovani nebo 3D tiskem pomoci robotické ruky. V techto pripadech je nejcasteji tiskova smes michana pomoci sroubového extruderu, nebo je predpripravena mimo tiskovou hlavu. Pro tisk blokû se pak vyuziva napriklad ramové 3D tiskarny, kdy je rozmer tisknutého objektu omezen rozmery ramu.

Ze stavu techniky jsou znamé tiskarny s vicero tiskovÿmi hlavami ci jednotkami. Napriklad dokument CN 209794566 U popisuje 3D tiskarnu s vicero tiskovÿmi jednotkami vzajemne nezavisle posuvnÿmi v ose Y a castecne i v ose X. V ose Z jsou vûci sobe tyto jednotky nepohyblivé, takze vsechny maji trysky ve stejné rovine, a tedy vsechny tisknou v jedné tiskové rovine.

Dokument CN 112373012 A popisuje 3D tiskarnu s tiskovou hlavou obsahujici vicero tiskovÿch jednotek a podavacem filamentu s podavaci jednotkou a spulkou filamentu pro kazdou z tiskovÿch jednotek. Vsechny tiskové jednotky (kazda s vlastnim drzakem pro pohyb v jedné vodorovné ose nezavisle na ostatnich jednotkach) jsou v jedné rovine, takze mohou tisknout jen v jedné tiskové rovine zaroven.

Dokument CN 212097534 U popisuje 3D tiskarnu s peti vzajemne nezavisle pohyblivÿmi tiskovÿmi jednotkami, kazda s vlastni tiskovou rovinou orientovanou jinak nez tiskové roviny ostatnich jednotek - tedy tyto tiskové roviny vymezuji pet sten kvadru a behem tisku se posouvaji smerem od stredu tohoto kvadru - nahoru a do stran.

Dokument CN 207789733 U popisuje 3D tiskarnu pro tisk z prasku lepenim ve vice vrstvach soucasne. Tiskové jednotky jsou usporadané vÿskove odsazené pro tisk v rûznÿch tiskovÿch rovinach zaroven. Usporadani tiskovÿch jednotek vsak umoznuje tisk pouze jednim smerem, s pohybem tiskové hlavy linearne nebo do kruhu.

- 1 CZ 310171 B6

Dokument WO 2021022624 A1 popisuje tiskovou hlavu s dvojici tiskovÿch jednotek, z nichz jedna je vertikâlne posuvnâ. Tisknout je vzdy mozné pouze z jedné z tiskovÿch jednotek (napriklad mùze do kazdé bÿt zaveden jinÿ filament ci mùze mit jinÿ prùmer trysky apod.). Posuv zde slouzi pouze k tomu, aby neaktivni jednotka byla vzdâlena od tisknutého objektu a nehrozilo tak, ze ho poskrâbe.

Vsechny tyto dokumenty tedy resi zvÿseni tiskové rychlosti ve srovnâni s tiskârnou s jedinou tiskovou jednotkou. Tiskové jednotky jsou v techto dokumentech vzdy v jedné rovine, nebo umoznuji tisk jen velice specifickÿch objektù tisknutelnÿch v jednom smeru nebo tisknutelnÿch ze vsech bocnich stran zâroven. To znacne omezuje aplikovatelnost techto znâmÿch tiskaren a omezuje to jejich rychlost tisku.

Nevÿhodou zverejnenÿch reseni 3D tisku je jejich nizka rychlost. Ve stavebnictvi se nizka rychlost 3D tisku projevi zejména pri stavbe provâdené z jednotlivÿch 3D tistenÿch blokù.

V novém vyuziti aditivni technologie 3D tisku v odvetvi stavebnictvi se ukâzala potreba takové tiskové hlavy, ktera bude schopna rychle a efektivne tisknout stavebni prvky, napriklad modulârni stavebni bloky.

Podstata vynâlezu

Vÿse uvedené nedostatky do jisté miry odstranuje sestava tiskové hlavy pro zarizeni k 3D tisku zahrnujici nosic tiskové hlavy a tiskovou hlavu zahrnujici alespon ctyri tiskové jednotky, které jsou usporâdâny alespon ve dvou ve vzâjemném odstupu provedenÿch radâch. Kazdâ tiskovâ hlava zahrnuje extruder, podavac filamentu, chladici mechanismus a trysku. Tiskové jednotky ve vzâjemném odstupu jsou uzpùsobeny k soucasnému tisku v rùznÿch, vzâjemne odsazenÿch rovinâch tisku. Tiskové jednotky v jedné rade jsou uzpùsobeny k tisku v jiné rovine nez tiskové jednotky usporâdané v jiné rade odsazenim tiskovÿch jednotek v rùznÿch radâch ve smeru kolmém na roviny tisku. Sestava dâle zahrnuje alespon dve tiskovâ ramena spojenâ s nosicem tiskové hlavy ve vzâjemném odstupu, pricemz tiskové jednotky z kazdé rady jsou umisteny na tiskovém rameni a tiskovâ ramena jsou pro vÿskové nastaveni tiskovÿch ramen usporâdâna na preklâpecim rameni, které je otocne pripojeno k nosici tiskové hlavy a opatreno aktuâtorem tiskového ramene.

V zâkladnim provedeni tiskové jednotky v jedné rade tisknou urcitÿ opakujici se motiv v prvni rovine tisku a tiskové jednotky ve druhé rade tisknou stejnÿ motiv ve druhé rovine tisku, kterâ je posunuta vÿse oproti prvni rovine tisku o vÿsku tisknuté vrstvy. Zâroven jsou tiskové jednotky vzâjemne odsazené v rovine tisku, takze druhâ rada tiskne tento motiv s urcitÿm zpozdenim. Soucasnÿ tisk v rùznÿch rovinâch je mozné vyuzit pro zrychleni tisku, a to zejména v pripade objektù, napr. velkoformâtovÿch, s alespon câstecne pravidelnou opakujici se vnitrni strukturou.

Tiskovâ hlava je tedy uzpùsobena k soucasnému tisku alespon ve dvou rùznÿch, vzâjemne odsazenÿch, rovinâch tisku. Mozné je i tisknuti ve vice nez dvou rovinâch tisku zâroven.

Vzâjemnÿ odstup tiskovÿch jednotek tiskové hlavy zajisti pri prùchodu tiskové hlavy nad kazdou oblasti tisku casovÿ odstup pri deponovâni jednotlivÿch vrstev tisku. Diky tomu mùze bÿt kazdâ nâsledujici vrstva deponovâna na jiz ztuhlou predchâzejici vrstvu. Velikost odstupu zâvisi napriklad na tisknutém motivu. Vÿhodne je pritom vzâjemnÿ odstup tiskovÿch jednotek nastavitelnÿ.

Vÿhodne je vzâjemnÿ odstup tiskovÿch jednotek, tj. odstup v rovine tisku, vetsi nebo roven sirce extruze, vÿhodneji je celociselnÿm nâsobkem sirky extruze; v zâvislosti na tisknutém vzoru nebo motivu mùze bÿt i vÿrazne vetsi, napriklad vice nez desetkrât nebo vice nez stokrât atd. Pro

- 2 CZ 310171 B6 vytisteni souvislé plochy, je-li takovâ piocha potreba, pak mùze bÿt v daném smeru v rovine tisku tiskovou hlavou posouvâno o sirku extruze, dokud neni piocha mezi jednotlivÿmi tryskami vypinena.

Chiadici mechanismus siouzi k oviivneni rychiosti tuhnuti, intenzita chiazeni je vÿhodne rovnez nastaviteinâ, zejména s ohledem k pracovni tepiote, kterâ zâvisi na pouzitém materiâiu. Standardne se pracovni tepioty pohybuji v rozmezi od 200 do 260 °C. Chiazeni mùze bÿt reaiizovâno ventiiâtory, umistenÿmi naprikiad na bocni strane extruderu. Vÿhodne je chiazeni reaiizovâno chiadicimi tryskami dodâvajicimi stiacenÿ vzduch. Tim je mozné chiazeni reaiizovat v konkrétnim miste podie potreby. V pripade uzavreného tiskového boxu je potom nutné odvâdet vzduch. V takovém tiskovém boxu mùze bÿt ceiâ tiskârna uiozena a mozné je i, aby tiskovÿ box siouzii zâroven jako konstrukce tiskârny. Tiskovâ hiava je v pripade vyuziti trysek na stiacenÿ vzduch jako chiadiciho mechanismu vÿhodne propojena vedenim nebo vedenimi vzduchu se zdrojem stiaceného vzduchu, naprikiad s kompresorem, pumpou nebo tiakovou iahvi.

Vÿska tisknuté vrstvy urcuje veiikost vzâjemného odstupu jednotiivÿch tiskovÿch jednotek v rovine koimé na rovinu tisku, tj. urcuje vzdâienost mezi rovinami tisku. Piati pritom, ze vÿska vrstvy je mensi nez sirka extruze a je tedy zâvisiâ na prùmeru trysky extruderu. Naprikiad mùze tryska mit prùmer 0,5 az 2 mm, vÿhodne 0,8 az 1 mm. Sirka extruze mùze bÿt potom naprikiad 1 mm, vÿska vrstvy je vÿhodne 0,6 az 1 mm, vÿhodneji 0,6 az 0,8 mm.

Tiskovâ hiava tedy zahrnuje aspon ctyri tiskové jednotky, kdy tyto jednotky jsou usporâdâny ve vzâjemném odstupu provedenÿch radâch, kdy tiskové jednotky v jedné rade jsou uzpùsobeny k tisku v jiné rovine nez tiskové jednotky usporâdané v jiné rade. Tiskové jednotky ve stejné rade, konkrétne vÿstupni konce jejich trysek, jsou vÿhodne vzâjemne odsazeny pouze v rovine tisku. Typicky bude pocet takto usporâdanÿch tiskovÿch jednotek stejnÿ v kazdé rade. Tedy kazdâ rada mùze obsahovat vicero tiskovÿch jednotek, vzâjemne odsazenÿch v rovine tisku, a tiskové jednotky v rùznÿch radâch jsou vzâjemne odsazeny i ve smeru koimém na roviny tisku.

V predkiâdaném vynâiezu jsou tedy tiskové jednotky kazdé z rad umisteny na tiskovém rameni. Prvni rameno je umisteno ve vzâjemném odstupu od druhého ramene tak, ze tisknutâ vrstva vjedné rovine je deponovâna na jiz ztuhiou vrstvu v rovine predchozi. Tiskové hiavy na jednotiivÿch ramenech jsou tak schopny soucasne tisknout stejnÿ motiv v rùznÿch rovinâch.

Ackoii je tato sestava tiskové hiavy vhodnâ zejména pro opakovanÿ jednoùceiovÿ tisk, usporâdâni tiskovÿch jednotek v radâch na ramenech umozni v pripade staviteinosti jednotiivÿch ramen jednoduse prizpùsobit sestavu tiskové hiavy k tisku rùznÿch objektù. Moznost zvetseni vzâjemného odstupu jednotiivÿch ramen v rovine tisku umozni tisk navzâjem odiisnÿch motivù. Naopak moznost zvetseni vzâjemného odstupu jednotiivÿch ramen v rovine koimé na rovinu tisku umozni zmenit vÿsku tisknuté vrstvy, pripadne také pouziti jiného tiskového fiiamentu.

Vzâjemné vÿskové staviteinosti jednotiivÿch tiskovÿch ramen je dosazeno tak, ze tiskovâ ramena jsou usporâdâna na prekiâpecim rameni, které je otocne pripojeno k nosici tiskové hiavy a opatreno aktuâtorem tiskového ramene.

Sestava tiskové hiavy podie tohoto vynâiezu je vhodnâ zejména pro kontinuâini tisk „nekonecnÿch“/pâsovÿch nebo podiouhiÿch objektù. V takovém pripade dochâzi k soucasnému tisku vsech tiskovÿch jednotek po vetsinu casu tisku, pouze na zacâtku tisku objektu dochâzi k postupnému nâbehu tiskovÿch jednotek v rùznÿch rovinâch koimÿch na rovinu tisku a na konci tisku objektu dochâzi k postupnému odpojovâni techto tiskovÿch jednotek. Na konci tisteného objektu pred cestou zpet je nutné sestavu tiskové hiavy otocit, nebo vÿhodne zajistit prekiopeni tiskovÿch jednotek do opacné vÿskové poiohy, a to soucasne s posunem sestavy tiskové hiavy nahoru nebo pripadne posunem tiskové podiozky doiù. Tiskové jednotky jsou usporâdâny na tiskovÿch ramenech, kterâ jsou dâie usporâdâna na prekiâpecim rameni, takze pak mùze bÿt

- 3 CZ 310171 B6 preklopeni tiskovÿch jednotek do opacné vÿskové polohy na konci tisteného objektu jednoduse zajisteno pootocenim preklâpeciho ramene.

Tiskovâ hlava je uchycena k nosici tiskové hlavy a spolu tvori sestavu tiskové hlavy, kterâ je uzpûsobena k pohybu ve triosém systému vûci tistenému objektu, kdy jednotlivé osy jsou na sebe kolmé. Pohyb sestavy tiskové hlavy je uskutecnen manipulâtorem pripojenÿm k nosici tiskové hlavy. Nosic tiskové hlavy mûze bÿt k tiskové hlave uchycen odnimatelne, nebo mûze bÿt nosic tiskové hlavy integrâlni soucasti tiskové hlavy. Pohyb v nekterÿch osâch mûze bÿt realizovân manipulatorem tiskové podlozky, kterâ slouzi k naneseni prvni vrstvy a k neseni tisteného objektu. Tiskovâ podlozka je standardne soucasti tiskârny.

Tiskovâ jednotka zahrnuje extruder, podavac filamentu, chladici mechanismus a trysku. Kazdÿ z extruderû ma s vÿhodou zdvojenÿ podavac filamentu pro plynulÿ a bezchybnÿ chod. Podavac filamentu se v takovém provedeni sklâdâ z dvojice komplementarnich ozubenÿch kol, mezi které je zaveden filament, pricemz dvojice komplementarnich ozubenÿch kol ze dvou podavacû jedné tiskové jednotky umistené nad sebou maji rozdilné otacky tak, aby mezi nimi byl filament volnÿ bez napeti. Podavac filamentu dale od trysky, tedy vrchni z obou podavacû filamentu, je pritom uzpûsoben tak, aby se jeho dvojice ozubenÿch kol otacela rychleji. Tim je do druhého, spodniho podavace filamentu dodavan volnÿ filament, protoze mezi podavaci filamentu je filament s urcitou vûli. Standardne se horni dvojice ozubenÿch kol neotaci rychleji vzdy, ale jen v urcitÿch casovÿch intervalech nebo kdyz je zjisteno, ze je filament moc napnutÿ. Napriklad mûze soucasti spodniho podavace filamentu bÿt senzor poskytujici informace o napnuti filamentu, napriklad mûze merit moment na pohonu spodniho podavace filamentu nebo na jeho ozubenÿch kolech. Tento moment je vetsi, kdyz je filament vice napnutÿ. Pokud je tiskarnou nebo ridici jednotkou atd. vyhodnoceno, ze je filament moc napnutÿ, je zajisteno, aby se ozubena kola horniho podavace filamentu po urcitou dobu otacela rychleji, cim se filament mezi podavaci filamentu uvolni.

Mozné je i pozadované povoleni filamentu zajisfovat v pravidelnÿch intervalech, napriklad po kazdÿch 100 nebo 1000 atd. otâckâch ozubenÿch kol podavacû filamentu, mûze dojit k vyrovnani filamentu mezi podavaci a nasledne provede horni podavac filamentu napr. jednu otacku nebo ctvrt otacky apod. navic, cimz je filament uvolnen v pozadované mire.

Rychlost podavani filamentu je zâvislâ na otâckâch dvojic ozubenÿch kol. S vÿhodou jsou komplementârni dvojice ozubenÿch kol od sebe vzdâleny o délku vetsi nez prûmer jednoho ozubeného kola. Vÿhoda tohoto konstrukcniho reseni spocivâ v tom, ze je zarucena plynulost podâvâni filamentu do extruderu. Rychlost otâceni kol je pritom primo ùmernâ rychlosti tisku a prûmeru zavâdeného filamentu. Standardne je prûmer filamentu 1,5 az 2 mm, u predklâdaného vynâlezu je vÿhodne vyuzit prûmer filamentu 2,5 az 3,5 mm, zejména vÿhodne 3 mm. Rychlost tisku je vÿhodne alespon 200 mm/s, vÿhodneji alespon 250 mm/s, jeste vÿhodneji alespon 300 mm/s. Rychlosti tisku je tedy délka trajektorie pohybu tryskou/tiskovou hlavou v rovine tisku.

Jak plyne z vÿse uvedeného, sestava tiskové hlavy pro zarizeni k 3D tisku podle tohoto vynâlezu mûze bÿt az nâsobne rychlejsi nez klasickâ tiskovâ hlava, kterâ dokâze tisknout pouze vrstvy v jedné ùrovni.

Dalsim predmetem vynâlezu je také 3D tiskârna, napr. râmovâ, kterâ zahrnuje sestavu tiskové hlavy dle tohoto vynâlezu popsanou vÿse. 3D tiskârna tedy dâle zahrnuje zejména râm nebo jinou nosnou konstrukci a zahrnuje tiskovou podlozku. Tiskovâ podlozka mûze bÿt pevnâ nebo pohyblivâ v nekteré ose nebo osâch. Vÿhodne manipulâtor sestavy tiskové hlavy a manipulâtor tiskové podlozky zajisfuji vzâjemnÿ posun tiskovÿch jednotek vûci tiskové podlozce ve trech vzâjemne kolmÿch osâch, pricemz posun v kazdé ose je vÿhodne nezâvislÿ na posunu v ostatnich osâch. Moznÿ je i pohyb mezi tiskovou hlavou a tiskovou podlozkou ve vice nez trech osâch. Zejména je mozné uchytit tiskovou hlavu otocne kolem osy kolmé na tiskovou podlozku, kterâ je

- 4 CZ 310171 B6 obvykle svislou osou. 3D tiskama pak zahrnuje dalsi manipulator pro otaceni tiskové hlavy, pripadne celé sestavy tiskové hlavy, kolem této osy, nebo je manipulator zajistujici posun tiskové hlavy dale uzpùsoben pro jeji otaceni.

V pripade tisku vetsiho mnozstvi jednotlivÿch objektù je vÿhodné, pokud pro tisk obvodovÿch kontur je 3D tiskama se sestavou tiskové hlavy podle tohoto vynalezu opatrena alespon jednou doplnkovou tiskovou jednotkou pohyblivou ve vsech smerech nezavisle na sestave tiskové hlavy.

Objasneni vÿkresù

Podstata vynalezu je dale objasnena na prikladech jeho uskutecneni, které jsou popsany s vyuzitim pripojenÿch vÿkresù, kde na:

obr. 1 je schematicky znazornena 3D tiskama zahrnujici sestavu tiskové hlavy dle vynalezu;

obr. 2 je schematicky znazornena sestava tiskové hlavy 3D tiskarny pri pohledu zepredu;

obr. 3 je schematicky znazornena sestava tiskové hlavy 3D tiskarny pri pohledu z boku;

obr. 4 je znazornen pohled shora na sestavu tiskové hlavy z obr. 2 a 3;

obr. 5 je zobrazen segment tiskové hlavy obsahujici dve tiskové jednotky;

obr. 6 je zobrazen rez A-A z obr. 4 rovinou kolmou k rovine tisku vedenou skrze tento segment stredem prostoru pro prùchod filamentu;

obr. 7 je zobrazen v perspektivnim pohledu segment tiskové hlavy z obr. 6 a 7;

obr. 8 jsou schematicky znazorneny dve tiskové jednotky usporadané ve vzajemné odstupu jak v rovine tisku, tak v rovine kolmé na rovinu tisku, pri prùchodu nad tistenÿm objektem smerem vpravo;

obr. 9 jsou schematicky znazorneny dve rady tiskovÿch jednotek usporadané ve vzajemné odstupu jak v rovine tisku, tak v rovine kolmé na rovinu tisku, pri prùchodu nad tistenÿm objektem smerem vlevo;

obr. 10 je znazornen perspektivni pohled na alternativni provedeni 3D tiskarny, ve kterém je sestava tiskové hlavy navic otocna kolem svislé osy; a obr. 11 je znazornen pohled shora na 3D tiskarnu z obr. 10, pricemz je na obrazku patrné, ze tato 3D tiskama zahrnuje dve otocné tiskové hlavy.

Priklady uskutecneni vynalezu

Uvedena uskutecneni znazornuji prikladné varianty provedeni vynalezu, ktera vsak nemaji z hlediska rozsahu ochrany zadnÿ omezujici vliv. Predmetem vynalezu je sestava tiskové hlavy a také zarizeni k 3D tisku, respektive 3D tiskama, s touto sestavou.

3D tiskama podle vynalezu je znazornena na obr. 1 a zahrnuje sestavu tiskové hlavy tvorenou nosicem 1 tiskové hlavy a tiskovou hlavou 10, a dale zahrnuje manipulator 9, tiskovou podlozku 11, manipulator 13 tiskové podlozky a ram 12. V zobrazeném provedeni zahrnuje 3D tiskama dve sestavy tiskové hlavy, obecne ale mùze zahrnovat jen jednu nebo i libovolnÿ vyssi pocet. Tiskova hlava 10 je uchycena na nosic 1 tiskové hlavy, kterÿ je uchycen na

- 5 CZ 310171 B6 manipulatoru 9, kterÿ je uzpùsoben k vykonavani pohybu ve dvou navzajem kolmÿch osach v zobrazeném provedeni v osach X a Y, které jsou rovnobezné s rovinou tisku, resp. vsemi rovinami tisku, které jsou zde vodorovné. Manipulator 9 je uchycen k ramu 12 a vÿhodne zahrnuje samostatnÿ pohon pro pohyb v kazdé z obou os. Tiskova podlozka 11 je uchycena na manipulatoru 13 tiskové podlozky, kterÿ je uzpùsoben k vykonavani pohybu po jedné ose kolmé na tiskovou podlozku 11 a na roviny tisku, a je vodorovné umistena v ramu 12. Mozna jsou i provedeni, kde se tiskova podlozka 11 a/nebo roviny tisku odchyluji od vodorovného smeru.

Sestava tiskové hlavy 3D tiskarny je zobrazena na obr. 2 a zahrnuje nosic 1 tiskové hlavy, dve tiskova ramena 7, aktuator 8 tiskového ramene a tiskové jednotky 2. Konkrétne v tomto provedeni kazdé tiskové rameno 7 obsahuje radu dvanacti tiskovÿch jednotek 2, které jsou vùci sobe nehybne umisteny v jedné ose na tiskovém rameni 7. Dvojice tiskovÿch ramen 7 je uchycena na preklapecich ramenech uchycenÿch k aktuatoru 8 tiskového ramene umoznujicim nastaveni tiskové hlavy 10. Toto nastaveni, realizované pohybem tiskovÿch ramen 7, napriklad jejich otacenim nebo vertikalnim posunem, umoznuje, ze se tiskova ramena 7 a s nimi i rady tiskovÿch jednotek 2 vùci sobe nachazeji v rùzné poloze na vertikalni ose, cimz je umoznen tisk dvou na sebe navazujicich vrstev. Nejdrive je vytistena prvni vrstva, a to tiskovÿmi jednotkami 2 umistenÿmi na prvni rade tiskového ramene 7, nasledne je za urcitÿ casovÿ interval na tuto prvni vrstvu tisknuta dalsi vrstva tiskovÿmi jednotkami 2 umistenÿmi na druhé rade druhého tiskového ramene 7, ktera je posunuta na vertikalni ose o tlousfku vrstvy vÿse nez rada prvni. Depozice tisteného materialu probiha vrstvu po vrstve, kdy spojeni jednotlivÿch vrstev je dano adheznimi, nebo difuznimi silami. Vÿslednÿ tistenÿ objekt 14 je pak tvoren temito vrstvami. Uvedenÿ casovÿ interval je pritom zajisten vzajemnÿm posunutim rad, resp. odpovidajicich si tiskovÿch jednotek 2, tj. tiskovÿch jednotek 2 tisknoucich na sebe, v rùznÿch radach, v rovine rovnobezné k rovine tisku.

Usporadani tiskovÿch jednotek 2 do rad je dale patrné na obr. 3 a 4. Zejména je na obr. 3 patrné odsazeni tiskovÿch jednotek 2 v rùznÿch radach v rovine rovnobezné s tiskovou podlozkou 11 ve smeru tisku. Zaroven jsou spodni konce tiskovÿch jednotek 2, tj. jejich trysek 6, v rùznÿch radach osazeny vertikalne, prestoze na obr. 3 neni toto relativne malé odsazeni snadno patrné. Vÿraznejsi je toto odsazeni na obr. 8. V zobrazeném provedeni jsou tiskové jednotky 2 usporadany po dvojicich do segmentù, jak je patrné na obr. 5, 6 a 7. Kazda tiskova jednotka 2 zahrnuje extruder 3, podavac 4 filamentu, chladici mechanismus 5 a trysku 6, pricemz tyto casti jsou usporadany tak, aby jimi mohl prochazet filament. Nejvÿse je na tiskové jednotce 2 umisten podavac 4 filamentu, v zobrazeném provedeni jsou podavace 4 filamentu vzdy dva. Kazdÿ podavac 4 filamentu zahrnuje pohon, zejména krokovÿ motor, a dvojici ozubenÿch kol, mezi kterÿmi je prostor uzpùsobenÿ pro uchyceni filamentu tak, ze otacenim ozubenÿch kol je filament posouvan. Kazdé z ozubenÿch kol v daném podavaci 4 filamentu mùze mit vlastni pohon, nebo mohou bÿt propojena tak, aby se kroutivÿ moment z jednoho prenasel na druhé, a otacena jedinÿm pohonem. Vÿhodne ma kazdÿ z dvojice podavacù 4 filamentu jiné otacky.

Pod podavaci 4 filamentu je umisten extruder 3, kterÿ zajisfuje zahrati filamentu na pozadovanou tiskovou teplotu, aby mohl bÿt nasledne vytlacovan tryskou 6 na spodni casti tiskové jednotky 2. Extruder 3 zahrnuje vÿhodne vÿmenik tepla, jak je obvyklé, a rychlost tisku, tj. vytlacovani filamentu z trysky 6, je urcena zejména rychlosti dodâvâni filamentu.

Manipulator 9 a/nebo manipulator 13 tiskové podlozky mùze bÿt realizovan napriklad pomoci servomotorù. Napriklad mùze servomotor otacet tyci se sroubovici, ktera realizuje pohyb nosice 1 tiskové hlavy. Vyuzit je mozné napriklad i pasy nebo remeny, ozubené hrebeny atd. Chladici mechanismus 5 mùze bÿt realizovan s vyuzitim vetraku. Alternativne mùze bÿt realizovan s vyuzitim trysek dodavajicich stlacenÿ vzduch, dodavanÿ do trysek napriklad z kompresoru, tlakové lahve apod. Vÿhodou trysek na stlacenÿ vzduch je zejména presnost smerovani chlazeni na pozadované misto a také vyssi intenzita chlazeni.

- 6 CZ 310171 B6

Rizeni tiskového procesu je realizovâno napriklad pomoci pocitace, se kterÿm je tiskovâ hlava 10 komunikacne spojena. Komunikacnim spojenim je mysleno takové spojeni, které umoznuje prenos informace mezi jednotlivÿmi komunikacne spojenÿmi komponenty. Komunikacni spojeni mûze bÿt realizovano spojenim komponent napriklad optickÿm, sifovÿm datovÿm, nebo jinÿm kabelem, nebo bezdrâtove pomoci rozhrani LPWAN, Bluetooth, WIFI, nebo jiné. Zpûsob spojeni neni z hlediska provedeni vynalezu omezujici. Informaci je v kontextu tohoto vynalezu jakakoliv informace nutna pro provoz zarizeni jakozto celku. Jedna se zejména o informace o poloze tiskové hlavy 10, poloze tiskové podlozky 11, modelu tisteného objektu 14, druhu filamentu, teplote extruze, intenzite chlazeni, sirce extruze, vÿsce vrstvy, stavu tisteného objektu 14, ci technickÿch parametrech, nebo poloh komponent 3D tiskarny mezi sebou.

V prikladném provedeni technického reseni je provoz zarizeni k 3D tisku nâsledujici. Ze zasobniku filamentu je filament veden ohebnou hadici propojujici zasobnik filamentu a tiskovou jednotku 2, filament je nasledne vpraven do podavace 4 filamentu, kdy je vyuzito dvojitého podavace 4 filamentu, slozeného z dvojice komplementârnich ozubenÿch kol, kdy otacky prvni dvojice ozubenÿch kol jsou odlisné, od otacek druhé dvojice ozubenÿch kol. Podavac 4 filamentu tlaci urcitou rychlosti filament do extruderu 3, a po zahrâti na patricnou teplotu je filament nasledne vytlacovan prostrednictvim trysky 6.

Jak je patrné z obr. 8, diky vyuziti tiskovÿch jednotek 2 ve vzajemném odstupu v rovine rovnobezné s rovinami tisku (tj. ve vodorovném smeru v zobrazeném provedeni) a v rovine kolmé na roviny tisku (tj. ve svislém smeru v zobrazeném provedeni), je umozneno nanaseni dvou vrstev soucasne, pricemz vrchni z techto vrstev je tisknuta s urcitÿm zpozdenim. Jak je patrné na obr. 9, vÿhodne je tistenÿ objekt 14 tvoren vzorem, kterÿ se ve smeru tisku periodicky opakuje, s periodou rovnou vzdalenosti rad tiskovÿch jednotek 2. Pri tisku v dané sade tiskovÿch rovin je pak tiskovou hlavou 10 v zobrazeném provedeni pohybovano zaroven v ose X i Y pro vytvoreni pozadovaného vzoru, v zobrazeném provedeni vlnitého vzoru.

Ve vÿhodném provedeni se po ukonceni tisku v jedné sade tiskovÿch rovin, kde sadou je mnozina tiskovÿch rovin, ve kterÿch je tisteno zaroven, v provedeni vÿse jsou dve, tiskova ramena 7 preklopi, cimz se dostane prvni rada tiskovÿch jednotek 2 do opacné vÿskové polohy vûci druhé rade. Jinÿmi slovy je tedy rada, ktera byla umistena vÿse, nyni umistena nize nez druha rada, takze tiskne spodnejsi vrstvu. Zaroven se zmeni smer tisku. Preklopenim polohy tiskovÿch ramen 7 se mysli posun jedné rady na tiskovém rameni 7 vûci druhé, paralelne umistené, rade na druhém tiskovém rameni 7. V nekterÿch provedenich mohou bÿt obe rady umisteny na jednom spolecném tiskovém rameni 7, jehoz pohybem je nastavovana vzâjemnâ poloha rad v rovine kolmé na rovinu tisku. V zobrazeném provedeni, jak je patrné zejména na obr. 2 a 4, jsou tiskova ramena 7 dve, ale maji spolecnÿ aktuator 8 tiskovÿch ramen a jsou vzajemne nepohybliva. Obe tiskova ramena 7 se zde otâceji zaroven kolem osy prochâzejici mezi nimi, pricemz v této ose se nachazi aktuator 8 tiskovÿch ramen.

Prikladne je tiskova hlava 10 slozena z 24 tiskovÿch jednotek 2, pricemz 3D tiskarna dale zahrnuje dve doplnkové tiskové jednotky 2 umoznujici nezavislÿ tisk okrajovÿch kontur v nezavislé ose. Tyto doplnkové tiskové jednotky 2 mohu bÿt soucâsti sestavy dle vynalezu nebo mohou bÿt soucâsti tiskârny mimo sestavu tiskové hlavy. Mohou se pritom pohybovat nezâvisle na tiskové hlave 10. Mohou bÿt i primo soucâsti tiskové hlavy 10, pricemz jejich nezâvislÿ pohyb je umoznen vhodnÿmi manipulâtory a uchycenim nezâvislém na radâch tiskovÿch jednotek 2. Tyto doplnkové tiskové jednotky 2 jsou samostatné, tedy nejsou v zobrazeném provedeni v segmentech po dvou jako ostatnich dvacet ctyri tiskovÿch jednotek 2, a zahrnuji vlastni manipulâtor pro pohyb alespon v rovine tisku. Doplnkové tiskové jednotky 2 mohou a nemuseji bÿt usporâdâny ve dvojicich, resp. v poctech odpovidajicich poctu rad na tiskové hlave 10, aby rovnez tiskly ve vice rovinâch tisku zâroven. Ve vÿhodném provedeni tiskne 24 tiskovÿch jednotek 2 umistenÿch na dvou radâch na tiskovÿch ramenech 7 a dalsi dve tiskové jednotky 2 v nezâvislé ose jeden objekt soucasne. V alternativnich provedenich mûze bÿt pocet tiskovÿch jednotek 2 v jednotlivÿch radâch jinÿ, v nekterÿch provedenich i rûznÿ pocet v rûznÿch radâch.

- 7 CZ 310171 B6

Vÿhodne je vsak pocet tiskovÿch jednotek 2 ve vsech radach stejnÿ. Tiskovÿch jednotek 2 v jedné rade tak mùze bÿt v podstate libovolnÿ pocet, mozna jsou provedeni s celkem dvema tiskovÿmi jednotkami 2, které jsou vùci sobe vzajemne odsazeny alespon ve smeru kolmém na rovinu tisku. Mozna jsou i provedeni napriklad s deseti tiskovÿmi jednotkami 2 ve dvou radach, nebo napriklad triceti nebo padesati atd. tiskovÿmi jednotkami 2 ve dvou radach. V dalsich alternativnich provedenich mùze tiskova hlava 10 zahrnovat i vice nez dve rady tiskovÿch jednotek 2, takze je uzpùsobena pro tisk ve vice nez dvou rovinach tisku zaroven. V nekterÿch provedenich mohou tiskové jednotky 2 v jedné rade bÿt vzajemne posuvné v rovine tisku, takze mùze bÿt nastavovana vzdalenost sousednich tiskovÿch jednotek 2 napriklad ve smeru kolmém na smer tisku, tj. mùze bÿt nastavovana vzdalenost sousednich extrudovanÿch linek filamentu. Vÿhodne je, alternativne nebo navic, nastavitelna i sirka tiskové vrstvy, tj. velikost vertikalniho odsazeni tiskovÿch jednotek 2 v rùznÿch radach. Zaroven je vÿhodne nastavitelna sirka extruze, pricemz toto nastaveni mùze vyzadovat vÿmenu trysek 6.

Usporadani tiskovÿch ramen 7 a jejich aktuatoru 8 tiskovÿch ramen odpovida poctu a usporadani rad tiskovÿch jednotek 2. Napriklad v provedeni se tremi radami mùze prostredni rada vzdy tisknout prostredni vrstvu, zatimco krajni rady jsou nastavitelné, natacenim a/nebo posouvanim, tak, ze nejprve tiskne spodni vrstvu jedna krajni rada a po dokonceni dané sady vrstev dojde k otoceni smeru tisku a pohybu tiskovÿch ramen 7 a spodni vrstvu tiskne druha z krajnich rad. V alternativnim provedeni nemusi bÿt preklapeni tiskovÿch ramen 7 nutné pro umozneni tisknuti dalsi sady vrstev. Namisto toho mùze bÿt napriklad cela sestava tiskové hlavy otocena kolem osy Z vhodnÿm manipulatorem.

V dalsich alternativnich provedenich mùze manipulator 9 realizovat pohyb ve vsech trech osach X, Y, Z, takze tiskova podlozka 11 nemusi bÿt pohybliva. V dalsim provedeni mùze manipulator 9 realizovat napriklad pohyb v osach Y a Z, pricemz pohyb v ose X je realizovan manipulatorem 13 tiskové podlozky. V dalsich provedenich mùze kazda tiskova jednotka 2 bÿt samostatna, tj. nemuseji bÿt usporadany v segmentech po dvojicich, nebo mohou tiskové jednotky 2 bÿt i v segmentech po vice nez dvou. V dalsich provedenich mùze tiskova jednotka 2 zahrnovat jedinÿ podavac 4 filamentu.

V prikladném provedeni z obr. 10 a 11 je 3D tiskarna popsana vÿse dale modifikovana tak, ze sestava tiskové hlavy je navic otocna kolem osy kolmé na tiskovou podlozku 11. Manipulator 9 zde krome casti pro zajisteni posuvu sestavy tiskové hlavy obsahuje cast pro zajisteni jejiho otaceni. Otaceni je pritom umozneno v urcitém intervalu, napriklad -90° az 90° vùci natoceni sestavy v provedeni, kde neni otocna. Alternativne je tento interval napriklad jen -60° az 60°, 30° az 30° a v nekterÿch provedenich nemusi bÿt symetrickÿ, tj. mùze bÿt napriklad -60° az 30° vùci natoceni z obr. 1. Hranice tohoto intervalu jsou voleny zejména s ohledem na to, aby nedoslo k utrzeni privodù filamentu do tiskovÿch jednotek 2 (nejsou zobrazeny), a také s ohledem na tistené objekty 14. Stred otaceni je pritom vÿhodne ve stredu sestavy tiskové hlavy pri pohledu shora. Toto provedeni je vÿhodné zejména pro tisk tistenÿch objektù 14, které jsou vÿrazne zahnuté nebo zaoblené. V provedeni z obr. 1 je pro tisk zahnutÿch tvarù nutné kombinovat posun v obou vodorovnÿch osach X a Y, coz mùze vÿrazne namahat manipulator 9. V provedeni z obr. 10 umoznuje otaceni kolem svislé osy snizit namahani posuvnÿch casti manipulatoru 9.

Jak je patrné z obr. 11, v tomto prikladném provedeni mohou bÿt vzajemne otaceny i rady tiskovÿch jednotek 2, cehoz je mozné dosahnou samostatnÿm otocnÿm uchycenim rad a otaceci casti manipulatoru 9. Toto nataceni rad je vhodné pro tisknuti zakrivenÿch motivù, protoze kazda tiskova jednotka mùze v takovém pripade tisknout na trochu jiné trajektorii, jak je rovnez patrno z obrazkù. Pri posunu sestavy priblizne kolmo vùci smeru tisku, tj. pri dokonceni radku tisku, je pak vÿhodné u zakrivenÿch tistenÿch objektù 14 upravit vzajemnÿ sklon rad. V souvislosti s tim je dale vÿhodné, kdyz jsou podavace 4 filamentu mezi rùznÿmi tiskovÿmi jednotkami 2 vzajemne nezavislé, aby rùzné tiskové jednotky mohly za stejnÿ cas vydat rùzna mnozstvi extrudovaného filamentu. Je totiz zrejmé, ze kdyz se tiskova jednotka dale od stredu krivosti tisteného objektu 4

- 8 CZ 310171 B6 pohybuje po delsi trajektorii, mela by vÿhodne zaroven extrudovat vice filamentu, ve srovnani s jednotkami blize stredu krivosti. Jak je patrné z obr. 11, 3D tiskarna mùze zahrnovat dve otocné sestavy tiskové hlavy. Kazda tiskova hlava pak mùze tisknout vlastni tistenÿ objekt 14 nebo mùze tisknout cast spolecného tisteného objektu 14.

Vÿse popsané alternativy je mozné vzajemne kombinovat, pokud to jejich podstata primo nevylucuje. Napriklad tak je mozné na sestave tiskové hlavy dle vynalezu kombinovat rùzné pocty a usporâdâni tiskovÿch jednotek 2 s rùznÿmi zpùsoby chlazeni, rùzne provedenÿmi tiskovÿmi rameny 7 nebo aktuatory 8 tiskovÿch ramen atd. 3D tiskarna dle vynalezu mùze 10 zahrnovat i vicero rùzne provedenÿch sestav tiskové hlavy, které se mohou vzajemne lisit napriklad poctem a/nebo usporâdânim tiskovÿch jednotek 2, sirkou extruze, druhem chladiciho mechanismu 5, pripadne i druhem filamentu apod.

Prùmyslova vyuzitelnost

Vÿse popsané reseni je mozné vyuzit pro 3D tisk nejrùznejsich objektù, ovsem nejvetsi vÿhody prinese pri tisku pravidelnÿch objektù s opakujicimi se motivy, napr. modularnich stavebnich blokù.

Claims (7)

1. Sestava tiskové hlavy 3D tiskârny zahmujici nosic (1) tiskové hlavy a tiskovou hlavu (10) zahmujici alespon ctyri tiskové jednotky (2), které jsou usporâdâny alespon ve dvou ve vzâjemném odstupu provedenÿch radâch, kde kazda tiskovâ jednotka (2) zahrnuje extruder (3), podavac (4) filamentu, chladici mechanismus (5) a trysku (6), vyznacujici se tim, ze tiskové jednotky (2) ve vzajemném odstupu jsou uzpûsobeny k soucasnému tisku v rûznÿch, vzâjemne odsazenÿch rovinâch tisku, pricemz tiskové jednotky (2) v jedné rade jsou uzpûsobeny k tisku v jiné rovine nez tiskové jednotky (2) usporâdané v jiné rade odsazenim tiskovÿch jednotek v rûznÿch radâch ve smeru kolmém na roviny tisku, pricemz sestava dale zahrnuje alespon dve tiskovâ ramena (7) spojenâ s nosicem (1) tiskové hlavy ve vzajemném odstupu, pricemz tiskové jednotky (2) z kazdé rady jsou umisteny na tiskovém rameni (7) a tiskova ramena (7) jsou pro vÿskové nastaveni tiskovÿch ramen (7) uspofâdâna na preklâpecim rameni, které je otocne pripojeno k nosici (1) tiskové hlavy a opatreno aktuâtorem (8) tiskového ramene.

2. Sestava tiskové hlavy 3D tiskârny podle nâroku 1, vyznacujici se tim, ze vzâjemnÿ odstup tiskovÿch jednotek (2) v rovine tisku je nastavitelnÿ.

3. Sestava tiskové hlavy 3D tiskârny podle kteréhokoliv z nârokû 1 az 2, vyznacujici se tim, ze kazdâ tiskovâ jednotka (2) zahrnuje dva za sebou umistené podavace (4) filamentu, pricemz kazdÿ podavac (4) filamentu zahrnuje dvojici ozubenÿch kol uzpûsobenÿch pro vedeni filamentu mezi nimi.

4. Sestava tiskové hlavy 3D tiskârny podle nâroku 3, vyznacujici se tim, ze na kazdé tiskové jednotce (2) je podavac (4) filamentu vzdâlenejsi od trysky (6) uzpûsoben k rychlejsimu otâceni ozubenÿch kol behem câsti tiskového procesu nez podavac (4) filamentu blize trysce (6).

5. 3D tiskârna zahrnujici râm (12) a tiskovou podlozku (11), vyznacujici se tim, ze dâle zahrnuje sestavu tiskové hlavy 3D tiskârny podle kteréhokoliv z nârokû 1 az 4 a manipulâtor (9) pro posun tiskové hlavy (10).

6. 3D tiskârna podle nâroku 5, vyznacujici se tim, ze dâle zahrnuje alespon jednu doplnkovou tiskovou jednotku (2), uzpûsobenou pro pohyb v rovine rovnobezné s rovinami tisku nezâvisle na ostatnich tiskovÿch jednotkâch (2).

7. 3D tiskârna podle kteréhokoliv z nârokû 5 az 6, vyznacujici se tim, ze tiskovâ hlava (10) je k râmu (12) upevnena otocne kolem osy kolmé na tiskovou podlozku (11), pricemz 3D tiskârna dâle zahrnuje manipulâtor (9) pro otâceni tiskové hlavy (10).