RO132300B1 - Dispozitiv tip extruder de materiale maleabile, pentru imprimantă 3d - Google Patents

Description

Invenția se referă la un dispozitiv tip extruder de materiale maleabile, pentru imprimantă 3D care poate fi utilizat în imprimarea 3D prin extrudarea unor materiale maleabile.

Imprimarea 3D, cunoscută și sub denumirea de “printare 3D”, reprezintă o tehnologie de fabricație în care obiectele sunt obținute prin suprapunerea de straturi de material - 2%, adică într-o manieră aditivă (fabricație aditivă). Se cunosc și sunt standardizate [ISO 17296-2/2015: “Categorii de procedee și materie primă’] mai multe astfel de tipuri de procedee de fabricație aditivă, de interes pentru prezenta invenție fiind fabricația prin depunere de filamente de material (document US 5121329 A/1989). în mod uzual, imprimantele 3D utilizează filamente de materiale termoplastice de tip ABS (acrilonitril butadien stirenă), PLA (acid polilactic), PC (policarbonat), PETG (polietilen tereftalat glicol), etc., care sunt extrudate prin duze de diferite diametre. Fiecare strat este obținut prin alăturarea și lipirea rândurilor semi-topite de material, iarobiectul este format prin suprapunerea straturilor astfel formate, care aderă unele la altele pentru a forma un obiect tridimensional.

în ultima perioadă de timp, gama de materiale utilizate în imprimarea 3D a cunoscut o extindere și către materiale maleabile, fiind dezvoltate aplicații cum ar fi cele din industria construcțiilor (materiale de tip ciment) sau industria alimentară (materiale de tip ciocolată). în artă, obiectele imprimate 3D din materialele de tip lut, pastă etc. își găsesc din ce în ce mai mult utilizarea prin exploatarea nu doar a capacității de fabricare a obiectelor cu forme geometrice complexe (avantaj asigurat de tehnologia de imprimare 3D), ci și prin beneficiul dat de reutilizarea materialului maleabil și de posibilitatea modificării obiectului obținut pentru a se adapta cerințelor artistice. Cu alte cuvinte, obiectul imprimat 3D din materiale maleabile care nu corespunde intențiilor proiectantului poate fi readus în forma de materie primă maleabilă și reutilizat pentru obținerea unui alt obiect. Astfel, se reduce cantitatea de deșeuri, cu impact asupra dezvoltării durabile a societății. De asemenea, obiectul obținut prin imprimare 3D cu materiale maleabile poate fi modificat și remodelat, în cazul în care acest lucru este necesar, fără a mai trebui să se reia procesul de imprimare care este mare consumator de timp.

Materialele maleabile utilizate pot fi de tip plastilină, diverse tipuri de gel, silicon, ghips, lut, fără însă a se limita la acestea. Dispozitivul tip extruder de material maleabil poate funcționa în paralel cu un extruder de materiale termoplastice care echipează în mod curent imprimantele 3D. în scopul obținerii unor obiecte cu forme geometrice complexe prin tehnologia de fabricație cu depunere strat cu strat/imprimare 3D, materialele termoplastice pot servi ca structură-suport pentru susținerea straturilor de material maleabil în timpul procesului de fabricație.

La nivel internațional au fost analizate critic mai multe soluții din perspectiva elementelor de design, constructive, mecanice, de acționare și control necesare pentru a îndeplini funcționalitatea acestor dispozitive. Aceste soluții au fost identificate prin analiza atât a literaturii de specialitate (Li, W. ș.a., “Methods of extrusion on demand for high solids loading ceramic paste in freeform extrusion fabrication”, SFF 2015 Symposium, pp. 332-345, M. Li, L. Tang, R.G. Landers, and M.C. Leu, Extrusion Process Modeling for AqueousBased Ceramic Pastes - Part 1-2, J. Manuf. Sci. Eng., voi. 135, 2013), din realizări practice de imprimante 3D bazate pe metoda de depunere cu seringă (Fab@Home 2016) sau de extrudere ca RichRap (Horne, R., “Reprap development and further adventures in DIY 3D printing: Universal Paste extruder”, 2012), precum și din analiza brevetelor internaționale în domeniu pentru imprimate 3D și pentru extrudere destinate mai multor tipuri de materiale maleabile și aplicații cu acestea, (US 0141491 A1/2013, US 0169193 A1/2011, US 5656230/1997, US 0182717 A1/2017, WO/2015/120668).

RO 132300 Β1

Cea mai des întâlnită soluție tehnică (document: US 0182717 A1/2017, imprimanta 1 Fab@Home 2006), utilizează un sistem de depunere a materialului folosind o seringă la care pot fi atașate diverse ace pentru extrudarea acestuia. Seringa este acționată de un motor elec- 3 trie. Există și versiuni (în special bio-imprimante 3D, cum ar fi BioAssemblyBot sau Aether 1) în care până la opt astfel de seringi sunt acționate pentru a depune materialul maleabil necesar. 5 Alte variante constructive (de exemplu, US 0169193 A1/2011 sau modelul 28BYJ-48 de extruder pentru pastă) folosesc un piston care se deplasează în interiorul unui cilindru pentru 7 a împinge materialul maleabil printr-o duză fixată la un capăt al cilindrului. Pistonul poate fi acționat electric, de obicei printr-un motor pas cu pas. Mișcarea poate fi transmisă pistonului 9 printr-un mecanism cu șurub de acționare și cu piuliță. Această soluție presupune utilizarea de ghidaje liniare pentru piston, determinând creșterea considerabilă a greutății întregului sistem, 11 ceea ce face ca instalarea extruderului pe axa de mișcare a unei imprimante 3D să nu fie practică și eficientă. 13

O altă variantă este extruderul universal de pastă de la RichRap care utilizează un mecanism cu curele de transmisie pentru a acționa pistonul, iar componentele sale structurale 15 sunt imprimate 3D. Această variantă constructivă reduce greutatea pe capul de imprimare prin faptul că nu necesită ghidaje liniare, dar elimină o caracteristică importantă a procedeului de 17 depunere prin filamente de material, și anume capacitatea de depunere selectivă care presupune oprirea depunerii de material în anumite zone ale stratului. De asemenea, pistonul 19 cilindrului poate fi acționat pneumatic (sistemul Lutum, de exemplu), ceea ce reduce semnificativ greutatea dispozitivului de extrudare prin eliminarea motorului electric, dar necesită 21 sisteme electronice suplimentare pentru a controla compresorul de aer și o supapă de presiune.

O altă variantă constructivă identificată utilizează în locul pistonului un șurub de alimentare 23 de tip șnec (https://gallery.autodesk.com/fusion360/projects/3d-printer-paste-extruder, 17.07.2017). Materialul este alimentat printr-o deschidere din partea superioară a cilindrului și 25 împins prin duză prin mișcarea șurubului. Această variantă are avantaje și dezavantaje față de varianta cu piston. în extruderul cu piston, cilindrul trebuie să conțină o cantitate mică de material 27 de construcție, deoarece extruderul este poziționat pe axa de mișcare a imprimantei 3D. Astfel, procesul de fabricare trebuie oprit des pentru alimentare cu material. Varianta șurubului cu șnec 29 nu are această limitare, deoarece materialul de construcție poate fi stocat într-o rezervor mai mare montat pe structura fixă a imprimantei. Cu toate acestea, acest rezervor trebuie presurizat 31 pentru a asigura un flux constant de material de construcție, ceea ce presupune utilizarea de componente suplimentare (cum ar fi compresorul de aer, supapele de presiune, electronică de 33 control etc.).

în niciuna dintre variantele analizate nu au fost identificate elemente care să conducă 35 la creșterea domeniului de aplicabilitate a extruderului la materialele care necesită încălzire sau răcire/uscare cu aer forțat. 37

Prin documentul CN 205799801 U/2016, este cunoscută o imprimantă 3D care include un cap de printare deplasabil pe o traversă orizontală mobilă, deplasabilă pe verticală pe două 39 traverse mobile în plan orizontal, capul de printare care se deplasează astfel de-a lungul axelor sistemului de referință având un dispozitiv tip manșon cu seringă de preluare și ieșire extrudată 41 a pastei stocate într-un tub de presiune care poate fi umplut cu pastă preluată dintr-un rezervor printr-un piston instalat în tubul de presiune și care împinge pasta sub acțiunea presiunii 43 generate cu un actuator printr-o valvă de presiune, tubul de presiune fiind fixat de suportul imprimantei și interconectat cu manșonul și seringa capului de printare printr-un furtun flexibil. 45

RO 132300 Β1

De asemenea, documentul CN 105751348 A/2016 prezintă o imprimantă 3D de fabricare a unui dispozitiv ceramic, imprimanta având un cadru-suport de-a lungul axelor căruia se deplasează un modul tridimensional de mișcare format dintr-un cap de imprimare cu material ceramic maleabil, prevăzut cu un rezervor de material maleabil având o duză de extrudare, o instalație de reglare a presiunii aerului și un modul general de comandă, modulul de reglare a presiunii aerului comunicând cu rezervorul de material al capului de imprimare printr-un canal de aer prin care este împins materialul maleabil de imprimare, iar modulul de comandă generală fiind în conexiune cu modulul de reglare a presiunii aerului și, respectiv, cu modulul tridimensional de deplasare.

Astfel, obiectivul principal al prezentei invenții este acela de a propune o soluție inovativă pentru un dispozitiv de extrudare pentru materiale maleabile care să se poată atașa oricărei mașini de imprimare 3D incluzând, fără însă a se limita la ele, imprimantele 3D în coordonate carteziene, și care să elimine dezavantajele dispozitivelor existente, descrise anterior.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în realizarea unui dispozitiv tip extruder de material maleabil atașabil la capul de imprimare al unei imprimante 3D cu extruder de materiale termoplaste și care să poată depune material maleabil individual sau în paralel cu extruderul de materiale termoplaste prin acțiunea unei pompe hidraulice, fixată de cadrul-suport al imprimantei.

Dispozitivul tip extruder de materiale maleabile conform invenției rezolvă această problemă tehnică prin aceea că este realizat ca parte din capul de imprimare al unei imprimante 3D și este format dintr-un cilindru hidraulic de preluare a materialului maleabil și ejectare a acestuia printr-o duză de extrudare conectată la rezervorul de material printr-un conector de tip luer, cu ajutorul unui piston și al unei pompe hidraulice fixată de cadrul-suport al imprimantei 3D, conectată cu cilindrul hidraulic al capului de imprimare prin intermediul unui furtun de transmisie a presiunii hidraulice și acționată de un actuator. Conform invenției, pompa hidraulică este acționată de un motor liniar, iar cilindrul hidraulic al capului de imprimare este continuat cu rezervorul de material maleabil și are un piston acționat de presiunea aerului transmis de la pompa hidraulică prin furtunul de legătură și solidarizat cu un piston al rezervorului de material maleabil.

Dispozitivul de extrudare pentru materiale maleabile pentru imprimarea 3D conform invenției oferă următoarele avantaje:

- utilizează materiale maleabile (plastice) și se poate atașa oricărei mașini de imprimare 3D, incluzând, fără însă a se limita la ele, imprimantele 3D în coordonate carteziene;

- poate fi atașat fără modificări costisitoare sau complicate unei imprimante 3D;

- poate funcționa în paralel cu un extruder clasic pentru materiale termoplastice;

- poate fi utilizat pentru extrudarea unei game largi de materiale maleabile;

- majoritatea elementelor sale componente pot fi obținute tot prin imprimarea 3D din materiale plastice, reducând astfel costul dispozitivului;

- asigură reducerea încărcării pe capul de imprimare prin implementarea unei soluții în care motorul de acționare este amplasat pe partea fixă a mașinii, iar transmiterea mișcării necesare extrudării materialului maleabil se face prin exploatarea avantajelor oferite de un fluid hidraulic incompresibil.

Invenția este prezentată pe larg în continuare, printr-un exemplu de realizare în legătură și cu fig. 1 și 2, care reprezintă:

-fig. 1, vederea izometrică a dispozitivului, cu menționarea principalelor sale elemente componente;

- fig. 2, secțiune prin capul de extrudare a materialelor maleabil și termoplastic.

RO 132300 Β1

Dispozitivul tip extruder de materiale maleabile conform invenției se poate monta pe 1 orice imprimată 3D (reper A) și cuprinde următoarele elemente componente: cap de imprimare B care include două extrudere, un extruder B1 destinat extrudării printr-o duză a materialului 3 termoplastic și un extruder B2 destinat extrudării printr-o altă duză a materialului maleabil; un cilindru hidraulic C montat deasupra capului de imprimare B și care se deplasează, împreună 5 cu acesta, pe direcțiile x și y; o pompă hidraulică D care este montată pe partea fixă a imprimantei 3D și care este acționată de un motor liniar E. Cilindrul hidraulic C și pompa hidraulică 7

D sunt conectate printr-un furtun F.

Cilindrul hidraulic C având un piston 2 este fixat de un rezervorul G în care se află 9 materialul maleabil și un piston 3 de împingere a acestuia, unit cu pistonul 2 al cilindrului hidraulic C. Sub acțiunea motorului liniar E, pistonul pompei hidraulice D este împins în direcția 11 +z, ceea ce conduce la deplasarea pistonului 3 al cilindrului hidraulic C în direcția inversă -z, datorită fluidului hidraulic incompresibil care circulă prin furtunul F, determinând astfel 13 extrudarea materialului maleabil aflat în rezervorul G printr-o duză conectată la rezervor printr-un conector de tip luer. 15

Montarea motorului electric și a pompei hidraulice D pe partea fixă a imprimantei A, separat de cilindrul hidraulic C, de capul de imprimare B și de rezervorul de material G, face ca 17 greutatea care trebuie deplasată pe direcțiile x și y să fie substanțial redusă. Acest aspect face ca dispozitivul să poată fi atașat unei imprimante 3D fără a necesita modificări în sensul utilizării 19 unor motoare electrice mai puternice, a unor sisteme de ghidare sau structuri de susținere mai robuste. 21

Materialele maleabile utilizate de acest tip de dispozitiv pot fi de tip plastilină, gel, silicon, ghips, lut, fără însă a se limita la acestea. Dispozitivul poate funcționa în paralel cu un extruder 23 de materiale termoplastice care actualmente echipează imprimantele 3D. în scopul obținerii unor obiecte cu forme geometrice complexe prin tehnologia de fabricație cu depunere strat cu 25 strat/imprimare 3D, materialele termoplastice pot servi ca structură suport pentru susținerea straturilor de material maleabil în timpul procesului de fabricație. Acest lucru constituie un alt 27 avantaj foarte important al prezentei invenții.

Componentele capului de extrudare B care depune material termoplast B1 și material 29 maleabil B2 sunt evidențiate în secțiunea din fig. 2. Fluidul hidraulic 1 aflat în pistonul C exercită presiune asupra pistonului 2 fixat de pistonul 3 al rezervorului G cu material maleabil prin 31 intermediul conectorului 4. Rezervorul cu material maleabil conține și o garnitură de cauciuc 5 cu rolul de a asigura etanșarea materialului maleabil 6 în interiorul rezervorului G. Materialul 33 maleabil 6 încălzit progresiv cu o rezistență ceramică pentru încălzire 7 este împins prin duza și depus pe platforma imprimantei 3D, A. Capul B2 de extrudare a materialului termoplast 35 funcționează conform soluției prezentate în brevetul US 5121329 A/1989, și conține un canal prin care filamentul de material este adus în zona de încălzire 10 și împins prin duza 11 pentru 37 a fi depus pe aceeași platformă a imprimantei 3D A ca și materialul maleabil. Răcirea materialului termoplastic la ieșirea din duza de extrudare se realizează prin intermediul unui 39 ventilator 12.

Scopul descrierii fiind doar acela de a furniza un exemplu ilustrativ și de a indica alte 41 avantaje și particularități ale invenției, descrierea nu trebuie interpretată ca o limitare a domeniului de aplicare a invenției. 43

Claims (2)

1. Revendicări

   1. Dispozitiv tip extruder de materiale maleabile, pentru imprimantă 3D, realizat ca parte din capul de imprimare (B) al acesteia și format dintr-un cilindru hidraulic (C) de preluare a materialului maleabil și ejectare a acestuia printr-o duză de extrudare conectată la rezervorul de material printr-un conector de tip luer, cu ajutorul unui piston și al unei pompe hidraulice (D) fixată de cadrul-suport al imprimantei 3D, conectată cu cilindrul hidraulic (C) al capului de imprimare (B) prin intermediul unui furtun (F) de transmisie a presiunii hidraulice și acționată de un actuator, caracterizat prin aceea că pompa hidraulică (D) este acționată de un motor liniar (E), iar cilindrul hidraulic (C) al capului de imprimare (B) este continuat cu rezervorul (G) de material maleabil și are un piston (2) acționat de presiunea aerului transmis de la pompa hidraulică (D) prin furtunul (F) și solidarizat cu un piston (3) al rezervorului (G) de material maleabil.
2. 2. Dispozitiv tip extruder de materiale maleabile, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, pentru obținerea de obiecte imprimate 3D cu forme complexe, este fixat de capul de imprimare (B) al unei imprimante 3D solidarizat cu un extruder (B2) pentru material termoplast.