PL229370B1 - Głowica drukarki 3D - Google Patents

Abstract

Głowica drukarki 3d zbudowana z bloku głowicy, do którego doprowadzone są co najmniej dwa kanały na filament zakończone dyszą charakteryzuje się tym, że do bloku głowicy (1) oraz ekstrudera (6) zamocowane są elementy doprowadzające filament w postaci tulei (2A i 2B) od góry ukształtowanych w użebrowaną powierzchnię zewnętrzną. Wewnątrz tulei (2A i 2B) znajdują się rurki (3A i 3B), w których ukształtowane są kanały (4 i 5) na podawany filament. Wewnątrz bloku głowicy (1) znajduje się poziomy kanał (7), do którego doprowadzone są kanały (4 i 5), a kanał (7) zaślepiony jest po dwóch stronach zaślepkami (8). W bloku głowicy (1) umieszczony jest wkład (9), który ma w sobie poziomy kanał (10) z tłoczkiem (13) oraz kanał pionowy (11) skierowany w stronę otworu dyszy (12), mocowanej do wkładu (9). Kanał (10) jest koncentryczny z kanałem (7), a średnica kanału (10) oraz tłoczka (13) jest większa od średnicy kanału (7).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest głowica drukarki 3D przeznaczona do drukowania elementów z tworzyw termoplastycznych. Głowica montowana jest na drukarce pracującej w technologii warstwowego osadzania topionego materiału. Dzięki jej zastosowaniu możliwe jest drukowanie z dwóch materiałów w jednej operacji wydruku bez konieczności wyładowywania materiału z głowicy.

Znana jest ze zgłoszenia wynalazku P.411976 głowica drukarki 3D, która umożliwia wydruk z dwóch tworzyw termoplastycznych w jednym procesie drukowania. Głowicę drukarki 3D stanowi element prowadzący głowicy, w którym znajdują się dwa kanały na podawany materiał - filament, rozdzielone walcowym łącznikiem z otworami w układzie V. Element prowadzący głowicy przymocowany jest do bloku grzewczego oraz do ekstrudera, a od dołu bloku grzewczego zamocowana jest dysza z otworem z dołu, natomiast w dyszę wsunięty jest walcowy łącznik. Blok grzewczy wykonany jest z materiału o wysokiej przewodności cieplnej, powyżej 200 W/(m*K), korzystnie ze stopu aluminium, natomiast element prowadzący głowicy wykonany jest z materiału o przewodności cieplnej poniżej 60 W/(m*K), korzystnie ze stali nierdzewnej.

Znany jest ze wzoru użytkowego CN 203618644 zespół głowicy drukarki 3D składający się z wielu głowic drukujących. Złożenie zawiera płytę ruchomą, na której osadzone są dwie lub więcej głowic oraz mechanizm przesuwu pionowego głowic. Każda głowica zawiera pojemnik na materiał oraz dyszę drukującą. Płyta z głowicami zorientowana jest równolegle do górnej i dolnej płyty nieruchomej. Pomiędzy płytami nieruchomymi znajduje się śruba pociągowa połączona z wałem silnika napędzającego mechanizm posuwu. Silnik napędowy zamocowany jest na zewnątrz płyty nieruchomej odpowiednio do pozycji śruby. Płyta z głowicami mocowana jest w prowadnicach z rowkami teowymi i porusza się na śrubie dzięki wbudowanej nakrętce.

Znany jest ze zgłoszenia wynalazku CN 104044271 mechanizm podwójnej głowicy drukarki 3D oraz sposób drukowania za jej pomocą. Mechanizm mocowany jest na szynie i doprowadzone są do niego przewody na grzanie głowicy. Mechanizm zawiera dwie głowice: jedną o średnicy ekstruzji większej niż w przypadku drugiej głowicy. Każda głowica posiada oddzielny blok grzewczy. Wynalazek zatem wykorzystuje dwie głowice różnego kalibru celem zwiększenia wydajności tworzenia modeli bryłowych. Głowica mniejszego kalibru używana jest do tworzenia konturów wydruku, zapewniając wysoką jakość powierzchni końcowej wydruku, natomiast głowica większego kalibru wykorzystywana jest do generowania wypełnienia celem zwiększenia prędkości procesu drukowania. To rozwiązanie znacząco zwiększa wydajność drukowania, przy zachowania dużej precyzji wydruków, co szczególnie jest widoczne przy wydrukach o dużej objętości.

Z dokumentu CN205086370U znana jest głowica drukarki 3D zbudowana z bloku głowicy, do którego doprowadzone są co najmniej dwa kanały na filament zakończone dyszą. Do głowicy oraz ekstrudera zamocowane są elementy doprowadzające filament, natomiast wewnątrz bloku głowicy znajduje się poziomy kanał, do którego doprowadzone są pionowe kanały, podające filament. W bloku głowicy umieszczony jest wkład, który ma w sobie pionowy kanał i jest zakończony dyszą.

Dokument CN204701147U ujawnia tuleje doprowadzające filament mające użebrowaną powierzchnię zewnętrzną.

Według wynalazku głowica drukarki 3D zbudowana z bloku głowicy, do którego doprowadzone są co najmniej dwa kanały na filament zakończone dyszą, a do bloku głowicy oraz ekstrudera zamocowane są elementy doprowadzające filament w postaci tulei od góry ukształtowanych w użebrowaną powierzchnię zewnętrzną, a wewnątrz tulei znajdują się rurki, w których ukształtowane są kanały na podawany filament, natomiast wewnątrz bloku głowicy znajduje się poziomy kanał, do którego doprowadzone są pionowe kanały, przy czym w bloku głowicy umieszczony jest wkład, który ma w sobie pionowy kanał charakteryzuje się tym, że we wkładzie wykonany jest poziomy kanał wyposażony w ruchomy tłoczek, a ten kanał poziomy jest koncentryczny z poziomym kanałem znajdującym się wewnątrz bloku głowicy. Średnica poziomego kanału znajdującego się we wkładzie oraz tłoczka jest większa od średnicy poziomego kanału znajdującego się wewnątrz bloku głowicy.

Tłoczek umieszczony w poziomym kanale wkładu, który przesuwany jest siłą nacisku filamentu uszczelnia układ i zapewnia, że oba materiały nie mieszają się w głowicy. Ponadto obecność tłoczka zapobiega występowaniu zjawiska cofania się aktualnie nie używanego filamentu. Cofanie filamentu powodowałoby obniżenie ciśnienia wewnątrz głowicy a tym samym nierównomierne tempo ekstruzji materiału z dyszy. Zalety te prowadzą do poprawy jakości druku względem rozwiązań bez ruchomego tłoczka. Ponadto większa średnica poziomego kanału znajdującego się we wkładzie oraz tłoczka niż

PL 229 370 Β1 średnica poziomego kanału znajdującego się wewnątrz bloku głowicy wpływa na to, że tłoczek nie wysuwa się poza obszar wkładu, co skraca drogę tłoczka i powoduje, że następuje szybsza reakcja na zmianę materiału.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia głowicę w przekroju podłużnym. Na fig. 2 przedstawiono głowicę z załadowanym materiałem budulcowym. Na fig. 3 przedstawiono głowicę z załadowanym materiałem podporowym.

Głowica drukarki 3D ma blok głowicy 1, do którego zamocowane są elementy doprowadzające filament w postaci tulei 2A i 2B od góry ukształtowanych w użebrowaną powierzchnię. Wewnątrz tulei 2A i 2B znajdują się rurki 3A i 3B, w których ukształtowane są kanały 4 i 5 na podawany filament. Tuleje 2A i 2B zamocowane są do ekstrudera 6. Wewnątrz bloku głowicy 1 znajduje się poziomy kanał 7, do którego doprowadzone są pionowe kanały 4 i 5. Kanał 7 zaślepiony jest po dwóch stronach zaślepkami 8. W bloku głowicy 1 umieszczony jest wkład 9, który ma w sobie poziomy kanał 10 koncentryczny z kanałem 7 oraz kanał pionowy 11 skierowany w stronę otworu dyszy 12, mocowanej do wkładu 9. W kanale 10 umieszczony jest walcowy tłoczek 13, który ma możliwość poziomego przesuwu. Tłoczek 13 uszczelnia kanał 10. Średnica kanału 10 oraz tłoczka 13 jest większa od średnicy kanału 7, dzięki temu tłoczek nie wysuwa się poza kanał 10. Na dyszę założona jest nakładka 14.

Blok głowicy 1 wykonany jest z materiału o wysokiej przewodności cieplnej, powyżej 200 W/(m*K), korzystnie ze stopu aluminium, co zapewnia wydajny transfer ciepła z układu grzania na głowicę. Tuleje 2A i 2B wykonane są z materiału o przewodności cieplnej poniżej 60 W/(m*K) oraz o wysokiej wytrzymałości mechanicznej i chemicznej, korzystnie ze stali nierdzewnej. Niższa przewodność cieplna tego materiału powoduje, że tuleje 2A i 2B tamują przepływ ciepła w kierunku korpusu ekstrudera 6. Dodatkowo ich użebrowana powierzchnia umożliwia wydajniejsze oddawanie ciepła. Dzięki wykonaniu tulei 2A i 2B ze stali nierdzewnej ich wytrzymałość mechaniczna jest wysoka, co zapewnia długą pracę ekstrudera i chroni przed złamaniem głowicy w przypadku awarii. Rurki 3A i 3B wykonane są z tworzywa o dobrych właściwościach ślizgowych (współczynnik tarcia statycznego z termoplastycznym filamentem p_s < 0,1) oraz o niskim współczynniku przewodności cieplnej: k < 0,4 [W/(m*K)j, korzystnie z PTFE. Dzięki temu ciepło kumulowane w bloku głowicy 1 jest przekazywane w mniejszym stopniu na tuleje 2A i 2B, co powoduje, że w kanale 4 i 5, w strefie powyżej bloku głowicy nie dochodzi do uplastycznienia filamentu. Wobec tego filament podawany przez ekstruder może być skutecznie przesuwany wzdłuż rurek 3A i 3B do strefy gorącej bloku głowicy 1. Dodatkowo sprzyja temu niski współczynnik tarcia filamentu z rurką 3A i 3B będący skutkiem dobrych właściwości ślizgowych rurek 3A i 3B. Dysza 12 oraz wkład 9 wykonane są korzystnie z mosiądzu, dzięki czemu są odporne na zużycie cierne oraz zapewniają niski współczynnik tarcia z ekstrudowanym materiałem (współczynnik tarcia statycznego z termoplastycznym filamentem p_s < 0,25), a także w przypadku wkładu 9, z tłoczkiem 13. Z kolei nakładka 14 wykonana jest tworzywa stabilnego w wysokiej temperaturze (temperatura ciągłego użytkowania co najmniej 260°C) oraz o dobrych właściwościach ślizgowych (współczynnik tarcia statycznego z termoplastycznym filamentem p_s < 0,1), korzystnie z PTFE. Dzięki temu materiał nakładki 14 nie będzie się degradował w kontakcie z gorącą dyszą 12, a ewentualne resztki wyekstrudowanego materiału nie będą przywierały do dyszy 12 lub bloku głowicy 1.

Pierwszy materiał (budulcowy) w postaci filamentu za pośrednictwem układu podawania filamentu w ekstruderze 6 wprowadzany jest do jednego z kanałów w głowicy, na przykład kanału 4 w tulei 2A. Następnie filament z materiałem budulcowym przesuwa się do rurki 3A. Drugi materiał (podporowy) w postaci filamentu wprowadzany jest za pośrednictwem układu podawania filamentu w ekstruderze 6 do drugiego kanału w głowicy, na przykład kanału 5 w tulei 2B. Następnie filament z materiałem podporowym przesuwa się do rurki 3B. Blok głowicy 1 za pośrednictwem układu grzania zostaje rozgrzany do temperatury mięknięcia obu materiałów. Następnie, zgodnie z potrzebą, wybrany filament, w tym wypadku z materiałem budulcowym, jest przesuwany w kierunku pionowym w dół, aż dostanie się do poziomego kanału 7 w bloku głowicy 1. W bloku głowicy 1 panuje temperatura równa temperaturze mięknięcia materiału budulcowego i podporowego, co powoduje, że w tej strefie dochodzi do uplastycznienia tworzywa, zatem tworzywo z kanału 4 na skutek stałego nacisku od góry jest przesuwane do kanału 7 zorientowanego pod kątem 90 stopni. Uplastycznione tworzywo wypełnia wolną przestrzeń w kanale 7 wywierając nacisk na ścianki kanału 7, na zaślepkę 8, która uniemożliwia wypływ tworzywa poza blok głowicy 1 oraz na tłoczek 13. Tłoczek 13 jest zamocowany suwliwie w kanale 10 wydrążonym we wkładzie 9, a ciśnienie wygenerowane przez uplastycznione tworzywo obecne w kanale 7 powoduje przesunięcie tłoczka wzdłuż kanału 10. Na skutek przesunięcia tłoczka 13 odsłonięty zostaje kanał 11 prowadzący do dyszy 12, z której możliwa jest ekstruzja materiału. Na dyszy 12 znajduje się nakładka 14.

PL 229 370 Β1

Ma ona za zadanie chronić dyszę 12 przed nadmierną utratą ciepła oraz zapobiegać przywieraniu ewentualnych resztek wyekstrudowanego materiału do dyszy 12 lub bloku głowicy 1. W przypadku potrzeby zmiany ekstrudowanego materiału na drugi materiał, w tym wypadku podporowy, należy najpierw wycofać pierwszy materiał z kanału dyszy 12, a następnie kanału 11 i kanału 10. Realizuje się to przez posuw pierwszego filamentu, w tym wypadku filamentu z materiałem budulcowym, w kierunku do góry za pośrednictwem układu podawania filamentu w ekstruderze 6. Następnie układ podawania filamentu w ekstruderze 6 dokonuje przesuwu w dół drugiego filamentu, w tym wypadku filamentu z materiałem podporowym, wzdłuż kanału 5 wydrążonego w rurce 3B osadzonej w tulei 2B, aż ten dotrze do strefy gorącej, którą stanowi obszar bloku głowicy 1, co spowoduje uplastycznienie materiału podporowego w obszarze połączenia kanału 5 i 7. Uplastyczniony materiał wypełni wolną przestrzeń w kanale 7, a wygenerowane ciśnienie spowoduje powstanie siły, która przesunie tłoczek 13 na drugą stronę. Tak jak w przypadku pierwszego materiału, nastąpi odsłonięcie kanału 11, dzięki czemu tworzywo będzie mogło przepłynąć w kierunku ujścia kanału dyszy 12. Dzięki obecności tłoczka 13 szczelnie wypełniającego kanał 10 nie następuje mieszanie się materiałów do druku w głowicy.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Głowica drukarki 3D zbudowana z bloku głowicy, do którego doprowadzone są co najmniej dwa kanały na filament zakończone dyszą, a do bloku głowicy oraz ekstrudera zamocowane są elementy doprowadzające filament w postaci tulei od góry ukształtowanych w użebrowaną powierzchnię zewnętrzną, a wewnątrz tulei znajdują się rurki z kanałami na podawany filament, natomiast wewnątrz bloku głowicy znajduje się poziomy kanał, do którego doprowadzone są pionowe kanały na podawany filament, a w bloku głowicy u mieszczony jest wkład, który ma w sobie pionowy kanał, znamienny tym, że we wkładzie (9) wykonany jest poziomy kanał (10) wyposażony w ruchomy tłoczek (13).
2. 2. Głowica drukarki 3D według zastrz. 1, znamienna tym, że kanał poziomy (10) wkładu (9) jest koncentryczny z poziomym kanałem (7) znajdującym się wewnątrz bloku głowicy.
3. 3. Głowica drukarki 3D według zastrz. 1 i 2, znamienna tym, że średnica poziomego kanału (10) oraz tłoczka (13) jest większa od średnicy poziomego kanału (7) znajdującego się wewnątrz bloku głowicy (1).