PL230139B1 - Głowica drukarki do druku przestrzennego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest głowica drukarki do druku przestrzennego wykorzystywana w drukarkach 3D pracujących w technologii osadzania topionego materiału FFF (ang. Fused Filament Fabrication) w aplikacjach szybkiego prototypowania (ang. Rapid Prototyping) oraz produkcji małoseryjnych, mająca zastosowanie w szczególności w przemyśle produkcyjnym, w medycynie i protetyce, edukacji, projektowaniu odzieży, w przemyśle motoryzacyjnym, czy w szerokim wachlarzu produktów konsumenckich i elektronice.

Drukowanie 3D to proces wytwarzania trójwymiarowych obiektów, zaprojektowanych cyfrowo. Drukowanie w technologii osadzania topionego materiału FFF odbywa się za pomocą nakładania kolejnych warstw w określonym kształcie. W ogólności technologia ta polega na dostarczeniu podgrzanego do stanu półpłynnego włókna z materiału termoplastycznego do głowicy drukarki do druku przestrzennego, poruszającej się przestrzennie w trzech wymiarach. Materiałami termoplastycznymi (półfabrykatami w procesie drukowania przestrzennego) używanymi do druku w tej technologii mogą być wszelkiego rodzaju termoplastyczne tworzywa sztuczne w postaci linki nawiniętej na szpulę, nazywanej dalej filamentem. Filament nanoszony jest warstwowo lub punktowo, a proces nanoszenia realizowany jest zazwyczaj w komorze zapewniającej temperaturę pozwalającą na termiczne formowanie tworzywa termoplastycznego. Lokalna temperatura tworzywa zaraz po wyjściu z dyszy jest zbliżona do jego temperatury topnienia lub czasem jest przekroczona. Podczas drukowania 3D krytycznym zagadnieniem jest zachowanie odpowiedniego gradientu temperatur głowicy drukującej, co wymaga z reguły zastosowania odpowiednich systemów chłodzenia. Druk 3D może być wykorzystywany w różnych branżach tj. architektura, moda, medycyna, elektronika.

Z amerykańskiego patentu US6004124A znany jest układ szybkiego prototypowania zawierający w głowicy wyciskającej aparat do upłynniania, który stanowi jednoelementową cienkościenną rurkę wytworzoną z metalu, rozmieszczoną w bloku grzewczym. Cienkościenna rurka zawiera wlot do wprowadzania filamentu oraz wylot, z którego wydobywa się upłynniony materiał, podgrzany powyżej temperatury twardnienia. W układzie szybkiego prototypowania zapewniono dmuchawę wprowadzającą powietrze o temperaturze otoczenia, w celu chłodzenia rurki prowadzącej filament do głowicy wyciskającej. Chłodzenie to ogranicza się jedynie do ścieżki podawania filamentu ze szpuli do głowicy wyciskającej i ma na celu zapewnienie odpowiednio niskiej temperatury filamentu, zabezpieczającej przed jego odkształcaniem na drodze do głowicy.

W europejskim patencie EP1846912B1 ujawniono sposób formowania przedmiotów obejmujący wtryskiwanie pierwszego materiału w celu utworzenia szeregu warstw określających wsparcie strukturalne, a następnie wyciskanie drugiego materiału w celu utworzenia warstw przedmiotu, przy czym wyciskana warstwa przedmiotu dopasowuje się do wewnętrznej powierzchni wsparcia strukturalnego. W ujawnionym układzie do realizacji cytowanego sposobu formowania przedmiotów przewidziano komorę osadzania, sterownik, układ CAD, część dostarczającą materiał oraz układ cyrkulacji. W komorze osadzania rozmieszczona jest między innymi głowica do wyciskania, która wymaga utrzymywania w stałej temperaturze, wyższej od temperatury pełzania nanoszonego materiału. Utrzymywanie stałej temperatury głowicy zapewniono poprzez układ cyrkulacji, który zawiera między innymi wiatrak chłodzący, dostarczający poprzez przewód chłodzący, ochłodzone powietrze do głowicy do wyciskania.

Z międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO2015057886A1 znana jest drukarka 3D do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych, techniką wytwarzania addycyjnego. Ujawniona drukarka 3D zawiera układ do wyciskania z gorącym zakończeniem do ogrzewania osadzanego materiału na podłożu. Gorące zakończenie może poruszać się w płaszczyźnie horyzontalnej, przy czym podłoże może poruszać się w płaszczyźnie wertykalnej, prostopadłej do płaszczyzny ruchu gorącego zakończenia, co zapewnia w pełni przestrzenne trójwymiarowe przemieszczanie się całego układu. W jednej z realizacji cytowanej drukarki 3D układ do wyciskania zamknięty jest w obudowie zawierającej otwory i przewody do dostarczania płynu chłodzącego, w celu chłodzenia i utrzymywania pożądanej temperatury gorącego zakończenia głowicy do wyciskania.

Z kolei w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym WO2015127271A1 ujawniono zespół głowicy do obróbki, który zamocowany jest na ruchomym uchwycie obrabiarki. Zespół głowicy do obróbki zawiera górną głowicę sprzężoną z uchwytem obrabiarki posiadającym korpus, definiujący gniazdo oraz zawiera port dostarczania proszku, sprzężony funkcjonalnie z korpusem. Zespół głowicy do obróbki zawiera ponadto dolną głowicę posiadającą podstawę rozłącznie mocowaną w gnieździe oraz sprzężoną z podstawą dyszę z otworem wyjściowym. Górna głowica zawiera dodatkowo port dla chłodziwa

PL 230 139 B1 sprzężony z korpusem i połączony funkcjonalnie z źródłem chłodziwa. W dolnej głowicy przewidziano natomiast interfejs dla chłodziwa sprzężony z podstawą i pozwalający na rozłączne łączenie z portem w górnej głowicy. Dzięki temu zapewniono w pełni funkcjonalną wymienność dolnej głowicy zespołu głowicy do obróbki.

Problemem technicznym stawianym przed niniejszym wynalazkiem jest zaproponowanie takiej głowicy drukarki, która będzie dedykowana do druku przestrzennego, w szczególności z wykorzystaniem technologii osadzania topionego materiału FFF, przy czym głowica ta będzie zapewniała utrzymanie odpowiedniej zadanej temperatury pracy, będzie stanowiła konstrukcję modułową zapewniającą wymienność modułu dyszy, a przy tym będzie zapewniała większą niezawodność pracy, w szczególności w niekorzystnym środowisku wysokiej temperatury wewnątrz komory osadzania. Nieoczekiwanie powyższy problem techniczny rozwiązuje przedmiotowy wynalazek.

Przedmiotem wynalazku jest głowica drukarki do druku przestrzennego zawierająca moduł przetłaczania połączony funkcjonalnie z modułem napędowym, oraz moduł dyszy, połączony funkcjonalnie z modułem przetłaczania, zapewniający transport filamentu, charakteryzująca się tym, że pomiędzy modułem przetłaczania a modułem napędowym rozmieszczony jest moduł chłodzenia zawierający płynowy układ chłodzenia, obejmujący wlot, wylot oraz układ rozmieszczonych wewnątrz modułu chłodzenia kanałów chłodzących, rozprowadzających medium chłodzące, zapewniający utrzymywanie zadanej temperatury modułu przetłaczania i modułu napędowego, przy czym w module przetłaczania wytworzona jest komora chłodzenia połączona płynowo z kanałami chłodzącymi modułu chłodzenia, otaczająca wał modułu napędowego. W korzystnej realizacji wynalazku kanały chłodzące są rozmieszczone w płaszczyźnie przylegającej do modułu napędowego. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku układ chłodzenia zawiera dodatkowo zewnętrzną pompę oraz zewnętrzne źródło niskiej temperatury, korzystnie chłodnicę. W następnej korzystnej realizacji wynalazku układ chłodzenia zawiera dodatkowo czujnik temperatury wchodzący w skład układu sterowania układem chłodzenia. Równie korzystnie moduł dyszy zawiera element grzejny podgrzewający filament do temperatury powyżej temperatury topienia. W korzystnej realizacji wynalazku moduł napędowy stanowi silnik krokowy. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku moduł przetłaczania zawiera dodatkowo zębatkę napędzaną modułem napędowym i docisk, do transportu filamentu. W następnej korzystnej realizacji wynalazku moduł dyszy połączony jest z modułem przetłaczania za pośrednictwem łącza zapewniającego rozłączne funkcjonalne połączenie modułów przetłaczania i dyszy.

Głowica drukarki do druku przestrzennego według niniejszego wynalazku stanowi rozwiązanie modułowe, przez co pozwala na łatwą i szybką wymianę modułu dyszy i dzięki temu dostosowanie całego urządzenia do druku przestrzennego specyficznymi materiałami termoplastycznymi oraz specyficznych form/kształtów docelowych wydruków. Płynowe chłodzenie zastosowane w module chłodzenia zapewnia stabilizację temperatury całej głowicy, nawet podczas pracy w zmiennych warunkach temperaturowych w komorze osadzania. Co więcej, rozmieszczenie kanałów chłodzących w module chłodzenia zapewnia również chłodzenie modułu napędowego, przez co w przypadku jego realizacji za pomocą silnika krokowego, można uniknąć gubienia kroków silnika, a przez to nieregularnego i niekontrolowanego podawania filamentu, co w efekcie mogłoby prowadzić do obniżenia jakości wydruków. Zapewnienie komory chłodzenia w module przetłaczania, otaczającej wał napędowy modułu napędowego, dodatkowo zwiększa efektywność chłodzenia całej głowicy i zapewnia wymaganą jednorodność temperatury w całym jej obszarze, a dodatkowo szybciej odbiera ciepło w newralgicznym obszarze głowicy. Zamknięcie kanałów chłodzących w osobnym module chłodzenia zapewnia również wymienność tego modułu i dostosowanie rozmieszczenia kanałów do zadanych warunków pracy, co stanowi o uniwersalności rozwiązania.

Przykładowe realizacje wynalazku zaprezentowano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia głowicę drukarki do druku przestrzennego według jednej realizacji niniejszego wynalazku w rzucie aksonometrycznym, fig. 2 przedstawia uproszczony schemat koncepcyjny głowicy drukarki z fig. 1, fig. 3 przedstawia częściowy przekrój podłużny głowicy drukarki z fig. 1 w widoku z przodu, fig. 4 przedstawia częściowy przekrój podłużny głowicy drukarki z fig. 1 w widoku z drugiego boku, fig. 5 przedstawia przekrój podłużny głowicy drukarki z fig. 1 w widoku z przodu, wykonany wzdłuż innej płaszczyzny przecięcia, fig. 6 przedstawia widok aksonometrycznym korpusu modułu przetłaczania głowicy drukarki, fig. 7 przedstawia widok aksonometryczny korpusu modułu chłodzenia głowicy drukarki, fig. 8 przedstawia kolejny widok aksonometryczny korpusu modułu chłodzenia głowicy drukarki, natomiast fig. 9 przedstawia wykres temperatury głowicy drukarki do druku przestrzennego według jednej realizacji niniejszego wynalazku w funkcji czasu.

PL 230 139 B1

P r z y k ł a d

Na fig. 1 przedstawiono w rzucie aksonometrycznym głowicę drukarki do druku przestrzennego według jednej realizacji niniejszego wynalazku. Na fig. 3, 4, 5 przedstawiono przekroje poprzeczne w różnych widokach głowicy z fig. 1. Głowica drukarki jest elementem przeznaczonym do sterowania szybkością przetłaczania i odpowiedniego dostosowywania temperatury filamentu 10 układanego w przestrzeni roboczej w procesie drukowania. Podczas pracy drukarki 3D głowica drukarki umieszczona jest wewnątrz przestrzeni roboczej, w postaci podgrzewanej komory drukarki, w której utrzymywana jest wysoka temperatura, dostosowana do określonego filamentu i zapewniająca zachowanie odpowiednich właściwości drukowanego obiektu, np. zniwelowanie efektu skurczu, zapobieganie rozwarstwianiu itp. (temperatura wewnątrz komory może dochodzić do 70°C). Narażenie całej głowicy drukarki na wysokie temperatury może powodować utratę kontroli precyzji przetłaczania filamentu 10, a tym samym jakości tworzonych przedmiotów trójwymiarowych. Głowica według jednej realizacji niniejszego wynalazku zawiera moduł przetłaczania 1 sprzężony z modułem dyszy 2 oraz z przyłączonym modułem napędowym 3, w postaci silnika krokowego. Ze względu na konieczność zachowania odpowiedniego gradientu temperatur wewnątrz modułu przetłaczania 1, wymuszanego przez specyfikę procesu drukowania przestrzennego w danej technologii (podawanie-topienie-wyciskanie), zaistniała potrzeba chłodzenia całego tego modułu przetłaczania 1. Co więcej, utrzymywanie całej głowicy drukarki w komorze drukarki, w której panuje wysoka temperatura, może powodować nadmierne nagrzewanie się silnika krokowego 3, napędzającego zębatkę 5, co skutkuje zjawiskiem gubienia kroków silnika 3, a przez to nieregularnym i niekontrolowanym podawaniem filamentu 10, co w efekcie obniża jakość wydruków. Ruch filamentu 10 i jego wyciskanie wymuszane jest poprzez zębatkę 5 napędzaną przez silnik krokowy 4 oraz docisk 6 znajdujący się w korpusie docisku 25 (fig. 4). W niniejszej realizacji wynalazku docisk filamentu 10 realizowany jest za pośrednictwem nakrętki regulującej siłę docisku 27, sprężyny regulującej docisk 26 oraz osadzony pręt gwintowany 28 (widoczne na fig. 4). Filament 10 jest pobierany ze szpuli (nie pokazano) i prowadzony za pomocą wężyków i złączki 7 do korpusu modułu przetłaczania

1. Przechodząc przez zębatkę 5 i docisk 6 w module przetłaczania 1, kierowany jest do modułu dyszy

2, w którym następuje jego topnienie za pomocą elementu grzejnego 8, a następnie dzięki ruchowi całej głowicy drukarki, poprzez otwór wyjściowy 4 w module dyszy 2, zostaje on umieszczany w przestrzeni roboczej formując obiekt wydruku na stole roboczym.

Głowica drukarki wyposażona jest w układ szybkiej wymiany modułu dyszy 2 z elementem grzejnym 8 dzięki zastosowaniu specyficznego elementu łącza 9, które w niniejszej realizacji wynalazku przyjmuje postać tulei 23 umieszczanej w osi podawanego filamentu 10, blokowanej za pośrednictwem wkrętu dociskowego 24. Z uwagi na fakt, że głowica drukarki znajduje się w przestrzeni roboczej urządzenia drukującego, przez co narażona jest na zmiany temperatury skutkujące utratą kontroli nad precyzją przetłaczania filamentu 10, pomiędzy modułem przetłaczania 1 a silnikiem krokowym 3 zastosowano moduł chłodzenia 18, stanowiący układ regulacji i stabilizacji temperatury za pomocą medium chłodzącego 11 przetłaczanego pompą 12 i obiegającego konstrukcję tego modułu chłodzenia 18 systemem kanałów chłodzących 14, zasilane zewnętrznym źródłem niskiej temperatury 13 (np. chłodnicą). Na fig. 2 przedstawiono uproszczony schemat koncepcyjny głowicy drukarki wyposażonej w układ chłodzenia. W głowicy drukarki zastosowano kanały chłodzące 14 (przedstawione tylko koncepcyjnie) znajdujące się wewnątrz modułu chłodzenia 18 głowicy. Przykładowe rozmieszczenie kanałów chłodzących 14 w module chłodzenia 18 przedstawiono również na przekroju poprzecznym zilustrowanym na fig. 5. Na fig. 6 przedstawiono w widoku aksonometrycznym korpus modułu przetłaczania 1 bez dodatkowego osprzętu, z zaznaczeniem komory chłodzenia 19. Na fig. 7 oraz fig. 8 przedstawiono widoki aksonometryczne modułu chłodzenia 18 z schematycznym zaznaczeniem kanałów chłodzących 14. Kanały chłodzące 14 wykonane są w postaci otworów wierconych w korpusie modułu chłodzenia 18, do którego przymocowany jest z jednej strony silnik krokowy 3, a z drugiej moduł przetłaczania 1. Otwory te wiercone są w taki sposób, że przecinają się wewnątrz korpusu modułu chłodzenia 18. Następnie poprzez zaślepienie niektórych otworów za pomocą wkrętów (np. wkręt 29 na fig. 5), tworzy się jeden wspólny kanał wokół otworu przez który przechodzi wał silnika krokowego 3. Kanał ten umieszczony jest w taki sposób, że przepływająca ciecz 11 chłodzi powierzchnię czołową silnika krokowego 3. Ciecz chłodząca 11 przepływa dalej do korpusu modułu przetłaczania 1, a następnie wpływa do wyfrezowanej komory chłodzenia 19, chłodząc cały moduł przetłaczania 1 (większa powierzchnia oddawania ciepła), w szczególności chłodząc miejsce, w którym przymocowana jest tuleja złącza. Ciepło pochodzące od elementu grzejnego 8 modułu dyszy 2 również może powodować rozgrzewanie korpusu modułu przetłaczania 1, lecz przepływająca w pobliżu złącza ciecz chłodząca 11 odbiera to ciepło. Następnie ciecz chłodząca

PL 230 139 B1 wypływa z korpusu modułu przetłaczania 11 za pomocą złącza 17 (złącze pneumatyczne na wężyk teflonowy), wężykiem do układu chłodzenia.

Jako medium chłodzące 11 zastosowano mieszaninę wody (ok. 50%) z środkiem HAVOLINE XLC firmy Texaco (na bazie glikolu etylenowego, kwasów organicznych i pakietu dodatków uszlachetniających). Kanały chłodzące 14, rozprowadzające to medium 11, odpowiedzialne są za chłodzenie zarówno silnika krokowego 3, jak i modułu przetłaczania 1 jako całości oraz elementu łącza 9. Układ chłodzenia składa się z pompy 12, chłodnicy 13 oraz kanałów chłodzących 14 w postaci wężyków i kanałów rozprowadzających medium chłodzące 11 oraz dodatkowo z komory chłodzenia 19. Medium chłodzące 11 w postaci cieczy pompowane jest wężykami z pompy 12 do chłodnicy 13, gdzie ulega schłodzeniu. Następnie przemieszcza się ono wężykami prowadzącymi do złączki 15, przymocowanej do modułu przetłaczania 1 głowicy. Opcjonalnie w module przetłaczania 1 znajduje się czujnik temperatury 16, który steruje pracą chłodnicy 13, odpowiednio zmieniając nastawy jej mocy chłodzenia. Po opłynięciu modułu chłodzenia 18 głowicy drukarki ogrzane medium 11 wraca i wydostaje się z tego modułu przetłaczania 1 poprzez złączkę 17, a następnie wężykami z powrotem do pompy 12. Na fig. 2 przedstawiono dodatkowo układ regulacji temperatury ekstruzji, składający się z czujnika temperatury 20, kontrolera regulatora temperatury ekstruzji 21, który wysyła sygnał sterujący 22 do elementu grzejnego 8.

Przeprowadzono badania potwierdzające skuteczność zastosowanego układu chłodzenia modułu przetłaczania 1 głowicy drukarki, zamontowanej w zamkniętym urządzeniu do druku przestrzennego. Głowica drukarki zawierająca moduł przetłaczania 1, moduł dyszy 2, moduł chłodzenia 18 oraz silnik krokowy 4, umieszczona została w przestrzeni roboczej układu druku przestrzennego i została rozgrzana (głowica) do temperatury ok. 100°C. Po ustaleniu temperatury w układzie chłodzenia (z określonymi nastawami mocy chłodzenia) został włączony obieg medium chłodzącego 11 przy następujących parametrach: przepływ 0,2 m³/min i ciśnienie 0,2 atm. Czujnik temperatury 16 zamontowany wewnątrz modułu przetłaczania 1 głowicy odczytywał i przekazywał do systemu monitorowania odczyty temperatury modułu przetłaczania 1 w funkcji czasu. Wyniki pomiarów zostały przedstawione na wykresie temperatury głowicy drukarki do druku przestrzennego w funkcji czasu, zilustrowanym na fig. 9. Przedstawione wyniki pomiarów pokazują, że prezentowany układ chłodzenia dla zadanych parametrów obniżył temperaturę modułu przetłaczania 1 głowicy ze 100°C do ok. 46°C w czasie 4 min, a następnie skutecznie ją utrzymywał.

Claims (8)

1. Głowica drukarki do druku przestrzennego zawierająca moduł przetłaczania (1) połączony funkcjonalnie z modułem napędowym (3), oraz moduł dyszy (2), połączony funkcjonalnie z modułem przetłaczania (1), zapewniający transport filamentu (10), znamienna tym, że pomiędzy modułem przetłaczania (1) a modułem napędowym (3) rozmieszczony jest moduł chłodzenia (18) zawierający płynowy układ chłodzenia, obejmujący wlot (15), wylot oraz układ rozmieszczonych wewnątrz modułu chłodzenia (18) kanałów chłodzących (14), rozprowadzających medium chłodzące (11), zapewniający utrzymywanie zadanej temperatury modułu przetłaczania (1) i modułu napędowego (3), przy czym w module przetłaczania (1) wytworzona jest komora chłodzenia (19) połączona płynowo z kanałami chłodzącymi (14) modułu chłodzenia (18), otaczająca wał modułu napędowego (3).

2. Głowica drukarki według zastrz. 1, znamienna tym, że kanały chłodzące (14) są rozmieszczone w płaszczyźnie przylegającej do modułu napędowego (3).

3. Głowica drukarki według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 2, znamienna tym, że układ chłodzenia zawiera dodatkowo zewnętrzną pompę (12) oraz zewnętrzne źródło niskiej temperatury (13), korzystnie chłodnicę.

4. Głowica drukarki według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 3, znamienna tym, że układ chłodzenia zawiera dodatkowo czujnik temperatury (16), wchodzący w skład układu sterowania układem chłodzenia.

5. Głowica drukarki według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienna tym, że moduł dyszy (2) zawiera element grzejny (8) podgrzewający filament (10) do temperatury powyżej temperatury topienia.

PL230 139 Β1

6. Głowica drukarki według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienna tym, że moduł napędowy (3) stanowi silnik krokowy.

7. Głowica drukarki według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 6, znamienna tym, że moduł przetłaczania (1) zawiera dodatkowo zębatkę (5) napędzaną modułem napędowym (3) i docisk (6), do transportu filamentu (10).

8. Głowica drukarki według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 7, znamienna tym, że moduł dyszy (2) połączony jest z modułem przetłaczania (1) za pośrednictwem łącza (9) zapewniającego rozłączne funkcjonalne połączenie modułów (1) i (2).