ГОЛОВКА 3D-ПРИНТЕРА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В 3D-ПРИНТЕРЕ, 3D-ПРИНТЕР С ТАКОЙ ГОЛОВКОЙ 3D-ПРИНТЕРА, СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТАКОГО 3D-ПРИНТЕРА И ПЕЧАТНОЕ ИЗДЕЛИЕ, ИЗГОТОВЛЕННОЕ С ПОМОЩЬЮ ТАКОГО 3D-ПРИНТЕРА
3D PRINTER HEAD FOR USE IN 3D PRINTER, 3D PRINTER WITH SUCH 3D PRINTER HEAD, METHOD FOR OPERATION OF SUCH 3D PRINTER AND PRINTED PRODUCT MANUFACTURED USING SUCH 3D PRINTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к 3D-принтеру, головке 3D-принтера для использования в таком 3D-принтере, способу эксплуатации такого 3D-принтера, а также печатному изделию, изготовленному с помощью такого 3D-принтера. Данный 3D-принтер выполнен с возможностью переработки гранулированных, порошкообразных или жидких пластмасс или компонентов двух- или многокомпонентных систем пластмасс (термопласты, эпоксиды, акрилаты, полилактиды, акрилонитрил-стирол-акрилат, полиметилметакрилат, полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилентерефталат (ПЭТ) или гликоле-модифицированный полиэтилентерефталат (ПЭТГ), полиэтиленнафталат (ПЭН), акрилонитрилбутадиенстирол-сополимер (АБС), поливинилбутираль (ПВБ), полиметилметакрилат (ПММА), полиамид (ПА), полиимид (ПИ), поливиниловый спирт (ПВС), полистирол (ПС), поливинилфенол (ПВФ), полипропилен (ПП), поликарбонат (ПК), или их производные и др.), а также легкоплавких металлов или металлических сплавов в качестве материала для печати. Также с помощью печатающей головки согласно изобретению можно подавать жидкие пластмассы, которые реагируют на свет или тепло, и сразу же отвердить их посредством источника света или тепла, которым снабжена печатающая головка. В 3D-принтере согласно изобретению для воздействия на свойства материала (плотность [г/см3], модуль упругости [МПа], удлинение при разрыве [%], предел прочности при растяжении [МПа], температуру плавления [°С] и т.д.) в среду для печати могут быть введены добавки, например частицы или волокна из текстильного материала, стекла, углерода, металла и т.п. Подробности в этом отношении определены в формуле; однако описание и чертежи также содержат соответствующую информацию, касающуюся структуры и способа функционирования, а также вариантов способа и компонентов устройства.
Уровень техники
Патентный документ US 2012/0237631 А1 относится к шнековой системе подачи 3D-принтера, питаемого гранулами. В связи с трудностью управления передачей тепла от головки принтера к подводимым гранулам, гранулы могут прилипать в подающем канале головки принтера или в подающем шнеке, в результате чего материал для печати поступает в головку принтера неравномерно, а также неравномерно из нее выходит. Это негативно влияет на структуру печатного изделия, так как наносимые слои могут иметь нерегулярную толщину слоя или нежелательные разрывы.
Еще одна технологическая основа раскрыта в патентных документах US 5656230 A (Khoshevis) и US 2002/113331 А1 (Zhang).
Патентный документ WO 2016/020150 А1 (Stubenruss) относится к устройству регулировки потока гранул/жидкости для головок 3D-принтеров, питаемых гранулами и/или жидкостями. Эта система при высокой скорости выдачи материала (объем материала для печати за единицу времени) обеспечивает высококачественные печатные изделия, изготовленные из различных материалов и добавок, с очень высокой точностью и равномерной толщиной слоя. Для этого головка 3D-принтера согласно указанному патентному документу имеет камеру с (нижней) поверхностью, в которой предусмотрено выходное отверстие. В камере находится спиральный подающий шнек, который подает материал для печати к выходному отверстию. Двигатель толкает спиральный подающий шнек в направлении указанной поверхности, причем расстояние между спиральным подающим шнеком и указанной поверхностью регулируется за счет давления подаваемого материала для печати.
Относительная скорость вращения между поверхностью и подающим шнеком регулируется в зависимости от давления материала для печати. Эта установка проводит гранулы или жидкости через подающий канал в камеру через пластину, содержащую выходное отверстие. Через выходное отверстие может выходить расплавленный или жидкий материал для печати, полученный из гранул или жидкостей. Материал для печати проводят в направлении выходного отверстия камеры, или же материал для печати снова направляют в направлении, противоположном выходному отверстию, путем вращения спирального подающего шнека относительно пластины, причем в случае чрезмерного давления материала для печати спиральный подающий шнек поднимается вверх против действующей осевой силы, снижая эффективность работы спирального подающего шнека.
При переработке материала для печати в виде гранул или порошка, а также при использовании жидких пластмасс, в материале может присутствовать газ в виде защитного газа, подаваемого на материал для печати, химические реакционные газы (например, в многокомпонентных системах пластмасс), воздух, испаряемая влага и т.д. Этот газ может негативно влиять на однородность нанесенного материала для печати и, следовательно, на качество печатного изделия.
Патентный документ WO 97/19798 А2 (Stratasys) относится к устройству для изготовления трехмерного физического объекта путем последовательного нанесения множества слоев отверждаемого материала на базирующую деталь согласно шаблону. Устройство содержит сопло для подачи экструдированного материала, насос, имеющий впуск и выпуск, причем выпуск соединен по текучей среде с соплом и подает на сопло напорный поток отверждаемого материала в жидком состоянии. Подключенный к насосу привод позволяет насосу обеспечивать изменяемые величину напора (прикладываемого давления) и расход отверждаемого материала, поступающего к соплу. Ступень приложения давления имеет выпуск, соединенный с впуском насоса, для подачи отверждаемого материала на впуск в жидком состоянии и при определенном промежуточном давлении. Это промежуточное давление должно обеспечивать для всех функциональных величин напора (прикладываемого давления) и расходов насоса наличие непрерывного количества отверждаемого материала на впуске для непрерывной работы насоса. Это должно обеспечивать непрерывный поток отверждаемого материала к соплу и через него. При этом отверждаемый материал подают на ступень приложения давления в виде твердого материала. Ступень приложения давления имеет трубопровод для приема твердого материала и его нагревания для перевода твердого материала в жидкое состояние отверждаемого материала. Привод подает твердое вещество в трубопровод для приложения давления к жидкому состоянию отверждаемого материала до заданного промежуточного давления.
При такой конструкции приложение давления происходит по меньшей мере в два этапа, чтобы среди прочего контролировать газообразование. В патентном документе WO 97/19798 А2 было признано, что многие экструзионные материалы при их транспортировке через экструдер выделяют газы. Термопластичные полимеры, которые несколько гигроскопичны, при нагревании до температуры плавления выделяют водяной пар. Другими выделяющимися газами могут быть пластификаторы, мономеры и продукты окисления. Газ в напорной части экструдера снижает напорную динамичность экструдера. По этой причине в конструкции согласно патентному документу WO 97/19798 А2 объем экструзионного материала, к которому приложено полное давление, поддерживается на как можно более низком уровне.
Для этого в патентном документе WO 97/19798 А2 процесс приложения давления, осуществляемый экструдером, разделен на две или более ступени. На первой ступени экструдера образовавшийся газ отделяют в конструкции согласно патентному документу WO 97/19798 А2 при относительно низком давлении на выходе первой ступени. В одном варианте газ, образовавшийся из жидкого экструзионного материала в предварительном нагревателе, отделяют от экструзионного материала в соединительном канале и отводят из экструдера через вращающееся уплотнение на входе ко второй ступени приложения давления.
В качестве второй ступени приложения давления согласно патентному документу WO 97/19798 А2 предусмотрен конический вязкостный насос (см. также патентный документ US-PS №5312224). Здесь жидкий экструзионный материал подают из соединительного канала во вращающийся вытеснитель, который приводит во вращение частотно-регулируемый двигатель во втулке для подачи жидкого экструзионного материала к соплу и отверстию, и от них. Первая ступень предназначена для предотвращения недостаточного снабжения материалом или кавитации насоса на его входе при его использовании с высоковязкими экструзионными материалами. Другие вторые ступени включают в себя шестереночные насосы, осциллирующие поршневые насосы, пластинчато-роторные насосы, одно- и двухвинтовые винтовые насосы и т.д.
3
3
3
Согласно патентному документу WO 97/19798 А2, типичная скорость осаждения экструзионного материала должна составлять от 0,1 до 10 дюймов (от 1,64 см до 164 см) в час.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является разработка головки 3D-принтера, которая бы также могла перерабатывать материал для печати различного качества, с изменяющимся содержанием влаги, газа и т.п. в печатные изделия неизменно высокого качества.
Для этого головка 3D-принтера оснащена подающим шнеком, который имеет функцию и конструкцию, раскрытые в настоящем документе и заданные в п. 1 формулы.
В частности, головка 3D-принтера имеет камеру, выполненную с возможностью приема через впуск жидкого или твердого материала для печати, причем камера имеет выходное отверстие на одной поверхности и снабжена спиральным подающим шнеком, выполненным с возможностью подачи материала для печати, поступившего в камеру из впуска, в выходное отверстие путем соединения спирального подающего шнека с приводом, выполненным с возможностью приведения спирального подающего шнека во вращение относительно указанной поверхности и на расстоянии от нее в направлении транспортировки спирального подающего шнека, причем спиральный подающий шнек имеет по меньшей мере один подводящий транспортер, выполненный с возможностью подачи материала для печати между расположенной радиально снаружи областью впуска и расположенной радиально внутри областью выпуска в сторону последней, и по меньшей мере один отводящий транспортер, выполненный с возможностью отведения материала для печати с присутствующим в нем газом по меньшей мере от одного участка радиально внутренней краевой зоны подводящего транспортера.
Головка 3D-принтера, предлагаемая в настоящем документе, основана на понимании того, что материал, подаваемый в камеру головки 3D-принтера, может содержать газ, или газ может образовываться в результате нагревания или химических реакций. Перед выходом из выходного отверстия камеры этот газ может попасть в подающий шнек и там скапливаться, будучи ограниченным стенками подающего шнека. Эти газовые включения могут объединяться в материале для печати, присутствующем в подающем шнеке, с образованием одного или нескольких достаточно больших газовых пузырей. Объемный поток материала для печати из подающего шнека через выходное отверстие камеры относительно невелик во время процесса 3D-печати. Если такой газовый пузырь, присутствующий в материале для печати, вместе с материалом для печати попадает в область перед выходным отверстием камеры, то этот газовый пузырь нарушает подачу материала для печати к выходному отверстию камеры. Процесс печати нарушается, так как через выходное отверстие отводится меньшее количество материала для печати, или совсем не отводится материал для печати, в то время как газовый пузырь присутствует в области выходного отверстия камеры. Чтобы противодействовать данному обстоятельству максимально эффективно, вариант осуществления подающего шнека согласно настоящему изобретению направлен на то, чтобы подающий шнек терял минимальную производительность подачи из-за вышедших газовых включений. В основе этого лежит понимание того, что в местах, в которых присутствует газовый пузырь, подающий шнек способен создавать лишь небольшую тягу или вовсе не способен создавать тягу в направлении выходного отверстия камеры. Это приводит к нарушению потока материала для печати из выходного отверстия камеры и, в предельном случае, может привести к полной остановке. При этом газовые включения приводят к такому большому падению давления, что подающий шнек не будет или практически не будет подниматься от поверхности камеры с выходным отверстием. В худшем случае из выходного отверстия камеры выходит мало материала или не выходит вообще. Управляющее устройство головки 3D-принтера не в состоянии вовремя обнаружить или отреагировать на это нарушение. В результате, печатное изделие может иметь дефекты и быть непригодным для использования.
В раскрытой здесь конструкции головки 3D-принтера можно вращать спиральный подающий шнек и камеру относительно друг друга таким образом, чтобы газовые включения, присутствующие в материале для печати, удалялись через отводящий транспортер по меньшей мере из радиально внутренней краевой зоны подводящего транспортера, прежде чем такие газовые включения могли бы попасть внутрь области выпуска. Таким образом, спиральный подающий шнек транспортирует материал для печати, который в значительной степени свободен от газа, внутрь области выпуска, а оттуда - к выходному отверстию камеры. Таким образом, перебои в потоке материала из выходного отверстия камеры эффективно сокращаются или предотвращаются.
В одном из раскрытых здесь вариантов конструкции головки 3D-принтера спиральный подающий шнек имеет приблизительно круглую торцевую сторону, которая обращена к поверхности камеры, имеющей выходное отверстие. В качестве альтернативы или дополнения, на торцевой стороне имеется центр, который расположен приблизительно на одной оси (совмещен) с выходным отверстием на поверхности камеры. В качестве альтернативы или дополнения, торцевая сторона спирального подающего шнека расположена приблизительно параллельно поверхности камеры (с углом наклона до 30°) и ориентирована таким образом, чтобы расположенная радиально внутри область выпуска спирального подающего шнека вращалась на расстоянии от выходного отверстия и вблизи него.
В одном из раскрытых здесь вариантов конструкции головки 3D-принтера спиральный подающий шнек имеет расположенную радиально снаружи область впуска в подводящий транспортер, которая образована боковым вырезом, имеющим форму приблизительно сектора круга на виде сверху торцевой стороны. В качестве альтернативы или дополнения, на стороне области впуска, удаленной от впуска подводящего транспортера, спиральный подающий шнек имеет концевую стенку, которая разграничивает подводящий транспортер и/или отводящий транспортер, причем расположенный снаружи конец стенки опережает расположенный внутри конец стенки на виде сверху торцевой стороны в направлении вращения спирального подающего шнека (относительно камеры). В качестве альтернативы или дополнения, эта стенка направляет материал для печати, проводимый в подводящем транспортере к области выпуска, расположенной в центре спирального подающего шнека. В качестве альтернативы или дополнения, эта стенка проходит на такую длину, что она выступает внутрь относительно отводящего транспортера. В качестве альтернативы или дополнения, эта стенка также направляет материал для печати в поперечном направлении по отношению к отводящему транспортеру, под ним насквозь и/или в него.
В одном из раскрытых здесь вариантов конструкции головки 3D-принтера спиральный подающий шнек имеет область выпуска, которая имеет охватывающую ее кольцевую стенку, ориентированную по меньшей мере приблизительно коаксиально относительно центральной продольной оси спирального подающего шнека. Кольцевая стенка имеет отверстие в месте, в котором стенка проходит от подводящего транспортера до области выпуска. В качестве альтернативы или дополнения, отверстие выполнено с обеспечением возможности прохождения материала для печати от подводящего транспортера, мимо отводящего транспортера, через отверстие к области выпуска, расположенной в центре спирального подающего шнека.
В одном из раскрытых здесь вариантов конструкции головки 3D-принтера спиральный подающий шнек имеет на его окружности буртик, ориентированный по меньшей мере приблизительно коаксиально относительно оси вращения, который ограничивает подводящий транспортер радиально наружу. В качестве альтернативы или дополнения, буртик имеет свободный нижний край, который ограничивает торцевую сторону спирального подающего шнека по направлению к поверхности камеры, имеющей выходное отверстие. В качестве альтернативы или дополнения, подводящий транспортер имеет верхнюю поверхность, которая по меньшей мере частично проходит вокруг центральной продольной оси спирального подающего шнека. В качестве альтернативы или дополнения, верхняя поверхность подводящего транспортера отграничивает его на его стороне, удаленной от поверхности камеры. В качестве альтернативы или дополнения, подводящий транспортер по меньшей мере частично открыт к поверхности камеры. В качестве альтернативы или дополнения, верхняя поверхность подводящего транспортера ориентирована под углом 90° плюс/минус до 25° по отношению коси вращения подающего шнека.
В одном из раскрытых здесь вариантов конструкции головки 3D-принтера, спиральный подающий шнек имеет отводящий транспортер, верхняя поверхность которого расположена на большем расстоянии от торцевой стороны спирального подающего шнека, чем верхняя поверхность подводящего транспортера. Это облегчает выгрузку материала для печати с заключенным газом из области выпуска. В качестве альтернативы или дополнения, по меньшей мере один участок отводящего транспортера расположен радиально дальше внутрь, чем участок подводящего транспортера. В качестве альтернативы или дополнения, отводящий транспортер, с одной стороны, и область выпуска, с другой стороны, имеют такие размеры и выполнены таким образом, что отводящий транспортер обеспечивает для материала для печати первое сопротивление потоку, а область выпуска обеспечивает для материала для печати второе сопротивление потоку, причем первое сопротивление потоку меньше, чем второе сопротивление потоку. При этом второе сопротивление потоку области выпуска настолько мало, что при относительном вращении спирального подающего шнека относительно камеры в область выпуска в направлении выходного отверстия направляется достаточное количество материала для печати.
В одном из раскрытых здесь вариантов конструкции головки 3D-принтера спиральный подающий шнек имеет по меньшей мере один участок подводящего транспортера, который по меньшей мере частично окружает отводящий транспортер в окружном направлении спирального подающего шнека. В качестве альтернативы или дополнения, отводящий транспортер окружает область выпуска, расположенную в центре спирального подающего шнека. В качестве альтернативы или дополнения, отводящий транспортер проходит до впуска подводящего транспортера или за его пределы, чтобы транспортировать материал для печати и заключенный газ из отводящего транспортера. В качестве альтернативы или дополнения, отводящий транспортер имеет вдоль его протяжения на его верхней поверхности по меньшей мере одно отверстие, выполненное так, чтобы позволять материалу для печати и заключенному газу покидать отводящий транспортер.
В качестве альтернативы или дополнения, по меньшей мере один участок отводящего транспортера расположен радиально дальше внутрь, чем участок подводящего транспортера. Таким образом, по меньшей мере указанный участок подводящего транспортера может транспортировать больше материала для печати, чем участок отводящего транспортера. Таким образом, материал для печати поступает от указанного участка подводящего транспортера в направлении области выпуска.
В качестве альтернативы или дополнения, по меньшей мере один участок подводящего транспортера по меньшей мере частично окружает отводящий транспортер в окружном направлении спирального подающего шнека. В одном варианте отводящий транспортер окружает область выпуска, расположенную в центре спирального подающего шнека. Кроме того, отводящий транспортер может проходить до впуска подводящего транспортера, чтобы транспортировать материал для печати и заключенный в нем газ из отводящего транспортера. На верхней поверхности отводящего транспортера, вдоль его протяжения, может быть предусмотрено по меньшей мере одно отверстие, через которое материал для печати и заключенный в нем газ могут покинуть отводящий транспортер.
В качестве еще одного решения вышеупомянутой задачи предложен 3D-принтер, содержащий головку 3D-принтера с одним или несколькими вышеупомянутыми признаками, которая выполнена с возможностью перемещения относительно базирующей детали для печатного изделия вдоль по меньшей мере одной геометрической оси, причем 3D-принтер снабжен управляющим устройством, выполненным с возможностью перемещения головки 3D-принтера относительно базирующей детали с помощью по меньшей мере одного осевого привода. В качестве альтернативы или дополнения, предусмотрен привод для спирального подающего шнека относительно камеры для контролируемой подачи материала для печати из выходного отверстия на базирующую деталь.
В качестве еще одного решения вышеупомянутой задачи предложен способ эксплуатации 3D-принтера, имеющего головку 3D-принтера, содержащий этапы:
- обеспечивают камеру, которая на одной поверхности имеет выходное отверстие,
- снабжают камеру спиральным подающим шнеком,
- снабжают спиральный подающий шнек по меньшей мере одним подводящим транспортером и по меньшей мере одним отводящим транспортером,
- загружают камеру жидким или твердым материалом для печати,
- приводят спиральный подающий шнек во вращение относительно камеры вокруг центральной продольной оси спирального подающего шнека, причем торцевая сторона спирального подающего шнека расположена на расстоянии от поверхности камеры,
- транспортируют материал для печати между расположенной радиально снаружи областью впуска и расположенной радиально внутри областью выпуска с помощью подводящего транспортера, и
- транспортируют материал для печати с присутствующим в нем газом по меньшей мере от одного участка радиально наружной краевой зоны области выпуска.
Эта процедура снижает риск или полностью исключает возможность появления газовых пузырей, присутствующих в материале для печати, вместе с материалом для печати в области перед выходным отверстием камеры и возможность нарушения процесса печати. В случае такого нарушения через выходное отверстие будет выгружено меньшее количество материала для печати, чем обычно, или вовсе не будет выгружено. Таким образом, за счет такого исполнения подающий шнек теряет минимальную производительность подачи вследствие эффективного отведения газовых включений.
В качестве альтернативы или дополнения, спиральный подающий шнек приводят во вращение относительно камеры таким образом, что он отводит присутствующие в материале для печати газовые включения по меньшей мере из радиально наружной краевой зоны области выпуска в отводящий транспортер, прежде чем такие газовые включения попали бы внутрь области выпуска. Спиральный подающий шнек, таким образом, транспортирует материал для печати, который в значительной степени свободен от газа, внутрь области выпуска, а оттуда - к выходному отверстию камеры.
В качестве еще одного решения вышеупомянутой задачи предложено 3D-печатное изделие, которое может быть получено с помощью 3D-принтера с головкой 3D-принтера, имеющей один или несколько предшествующих аспектов устройства, и/или с помощью способа, имеющего один или несколько предшествующих аспектов способа.
Такое печатное изделие или компонент, изготовленные с помощью 3D-принтера с головкой 3D-принтера, имеющей один или несколько предшествующих аспектов устройства, и/или с помощью способа, имеющего один или несколько предшествующих аспектов способа, можно четко отличить от обычного печатного изделия или компонента. Благодаря уменьшению/предотвращению выделения газа из выходного отверстия камеры, полученное таким образом печатное изделие имеет значительно меньше или вовсе не содержит (релевантных) газовых включений, в отличие от печатного изделия, изготовленного традиционным способом.
В печатном изделии или компоненте, изготовленном традиционным способом, например, в разрезе компонента четко различимо газовое включение между отдельными слоями материала для печати. Также в печатном изделии или компоненте, изготовленном традиционным способом, четко различимы пропуски вдоль слоя материала для печати. Также на полученном печатном изделии непосредственно различимо выделение газа из выходного отверстия камеры. Такое выделение газа из выходного отверстия камеры в печатное изделие приводит либо к впадине/выемке на поверхности печатного изделия, либо к тому, что выделение газа приводит к образованию открытого или закрытого газового кармана, в качестве дефекта материала, внутри печатного изделия. В конечном счете, такое выделение газа приводит к значительному снижению прочности готового печатного изделия.
Такое снижение прочности можно также выявить, например, с помощью неразрушающего исследования материала, такого как ультразвуковое исследование. Последующее устранение таких выявленных дефектов в готовом печатном изделии возможно только с большими затратами.
Следует отметить, что, хотя в настоящем документе раскрываются числовые диапазоны и числовые значения, все числовые значения между раскрытыми значениями и любым числовым поддиапазоном в пределах указанных диапазонов также считаются раскрытыми. Далее отмечается, что, хотя здесь и указывается число для отношения между различными размерами описанных здесь компонентов, любые конкретные компоненты описываемого здесь типа не обязательно должны удовлетворять всем отношениям между различными размерами, указанными в данном документе.
Краткое описание чертежей
Дальнейшие цели, признаки, преимущества и возможности применения вытекают из следующего описания нескольких примеров осуществления и связанных с ними чертежей. Все описанные и/или графически изображенные признаки, по отдельности или в любой комбинации, составляют объект, раскрытый в настоящем документе, независимо от того, как они сгруппированы в формуле изобретения или подчинены друг другу.
На фиг. 1 показан схематический вид сбоку в разрезе головки 3D-принтера, воплощающей предложенное в настоящем документе решение.
На фиг. 2 показан схематический вид сверху торцевой стороны спирального подающего шнека в направлении стрелок А на фиг. 1.
На фиг. 3 показан схематический вид 3D-принтера, имеющего головку 3D-принтера, воплощающего предложенное в настоящем документе решение.
На фиг. 4 показана фотография фрагмента печатного изделия, изготовленного традиционным способом печати.
На фиг. 5 показана фотография фрагмента печатного изделия, изготовленного с помощью представленной в настоящем документе головки 3D-принтера в соответствии с представленным в настоящем документе способом печати.
Осуществление изобретения
Головка 3D-принтера 100, показанная на фиг. 1, имеет чашеобразную камеру 110, которая может быть закрыта крышкой 112. Крышка 112 имеет впуск 114, позволяющий подавать жидкий или твердый материал DM для печати в камеру 110. В качестве материала для печати для головки 100 принтера можно использовать гранулированный, порошкообразный или жидкий пластик или компоненты двух- или многокомпонентных систем пластмасс, а также низкоплавкие металлы или металлические сплавы. В проиллюстрированном варианте чашеобразная камера 110 и крышка 112 изготовлены из стали. Тем не менее, также могут быть использованы другие материалы. На одной из поверхностей 116 (на фиг. 1 - нижняя поверхность), камера 110 имеет выходное отверстие 120, выполненное в виде сопла, для материала для печати. Внутри камеры 110 расположен спиральный подающий шнек 130. Этот спиральный подающий шнек 130 служит для подачи к выходному отверстию 120 материала DM для печати, который проходит через впуск 114 в камеру 110. Для этого в проиллюстрированном варианте спиральный подающий шнек 130 соединен с приводом 132. Привод 132, посредством (электронного) управляющего устройства 200, выполнен с возможностью вращения спирального подающего шнека 130 относительно камеры 110 таким образом, чтобы спиральный подающий шнек 130, точнее, его нижняя торцевая сторона 134 на фиг. 1, вращалась на расстоянии от поверхности 116 камеры 110. Это расстояние составляет всего лишь от нескольких сотен мкм до нескольких (примерно от 2 до 5) мм в зависимости от типа материала DM для печати, его вязкости и возможных добавок (частиц или волокон из текстильного материала, стекла, углерода, металла и т.п.). Для того, чтобы расплавить материал DM для печати и повлиять на его вязкость, при условии, что он введен в камеру 110 в качестве гранул или порошка, используется нагревательная спираль 138, расположенная на дне камеры 110, мощность нагрева которой также регулируется управляющим устройством 200. Для этого определяется температура материала DM для печати в камере и подается сигнал на управляющее устройство 200 способом, не описанным более подробно.
Спиральный подающий шнек 130 имеет по меньшей мере один подводящий транспортер 136 для подачи жидкого/сжиженного материала DM для печати между расположенной радиально снаружи областью 140 впуска и расположенной радиально внутри областью 142 выпуска в сторону последней, когда привод 132 вращает спиральный подающий шнек 130 относительно камеры 110 вокруг центральной продольной оси М спирального подающего шнека 130. Кроме того, спиральный подающий шнек 130 содержит отводящий транспортер 144, который транспортирует материал DM для печати с присутствующим в нем газом G от радиально внутренней краевой зоны 146 подводящего транспортера 136, когда привод 132 вращает спиральный подающий шнек 130 относительно камеры 110 вокруг центральной продольной оси М спирального подающего шнека 130.
Присутствующие в материале DM для печати газовые включения G, таким образом, транспортируются по меньшей мере из радиально внутренней краевой зоны 146 подводящего транспортера 136, по отводящему транспортеру 144, прежде чем такие газовые включения G попадут внутрь области 142 выпуска. Спиральный подающий шнек 130, таким образом, транспортирует материал DM для печати, который в значительной степени свободен от газа, внутрь области 142 выпуска, а оттуда - к выходному отверстию 120 камеры.
Как показано на фигуре, спиральный подающий шнек 130 имеет приблизительно круглую торцевую сторону 134, которая обращена к поверхности 116 камеры 110 с выходным отверстием 120. Торцевая сторона 134 имеет центр Z, который расположен приблизительно на одной оси (совмещен) с выходным отверстием 120 на поверхности 116 камеры 110. Торцевая сторона 134 спирального подающего шнека 130 расположена приблизительно параллельно поверхности 116 камеры 110. Расположенная радиально внутри область 142 выпуска спирального подающего шнека 130 вращается на расстоянии от выходного отверстия 120 камеры 110, причем центр Z торцевой стороны 134 и выходное отверстие 120 камеры 110 расположены на одной оси друг за другом.
Подводящий транспортер 136 расположен перед областью 140 впуска в подводящий транспортер 136. Эта область 140 впуска образована боковым вырезом, имеющим форму приблизительно сектора круга на виде сверху торцевой стороны (см. фиг. 2). Со стороны области 140 впуска, удаленной от входа 128 подводящего транспортера 136, спиральный подающий шнек 130 имеет концевую стенку 150, разграничивающую подводящий транспортер 136 и отводящий транспортер 144. Расположенный снаружи конец 152 стенки 150 опережает расположенный внутри конец 154 стенки 150, на виде сверху торцевой стороны, в направлении DR вращения спирального подающего шнека 130. Эта стенка 150 направляет материал DM для печати, проводимый в подводящем транспортере 136, по пути, имеющему форму спирального участка, в область 142 выпуска, расположенную в центре Z спирального подающего шнека 130. Эта стенка 150 проходит на такую длину, что она выступает внутрь относительно отводящего транспортера 144 к центру Z. Стенка 150 также направляет материал DM для печати в поперечном направлении по отношению к отводящему транспортеру 144, под ним и/или в него, что изображено стрелками Р1 и Р2.
Расположенная радиально внутри область 142 выпуска спирального подающего шнека 130 ограничена окружающей ее кольцевой стенкой 148, ориентированной по меньшей мере приблизительно соосно центральной продольной оси М спирального подающего шнека 130. Кольцевая стенка 148 имеет отверстие 160 в месте, в котором стенка 150 от подводящего транспортера 136 доходит до области 142 выпуска. Таким образом, материал DM для печати может пройти от подводящего транспортера 136, мимо отводящего транспортера 144, через отверстие 160, в область 142 выпуска, расположенную в центре спирального подающего шнека 130, когда спиральный подающий шнек 130 вращается относительно камеры 110 в направлении DR вращения.
На торцевой стороне 134, обращенной к выходному отверстию 120, спиральный подающий шнек 130 по своей окружности имеет буртик 164, ориентированный по меньшей мере приблизительно соосно центральной продольной оси М, и ограничивающий подводящий транспортер 136 радиально наружу. Как показано на фиг. 1, буртик 164, кольцевая стенка 148 и стенка 150 на торцевой стороне 134 спирального подающего шнека 130 проходят примерно на одинаковую длину в направлении поверхности 116 камеры 110. Для этого буртик 164 имеет свободный нижний край 166, который ограничивает торцевую сторону 134 спирального подающего шнека 130 по направлению к поверхности 116 камеры 110, имеющей выходное отверстие 120.
Кроме того, подводящий транспортер 136 имеет верхнюю поверхность 168, проходящую по меньшей мере частично вокруг центральной продольной оси М. Эта верхняя поверхность 168 подводящего транспортера 136 ограничивает подводящий транспортер 136 на его стороне, удаленной от поверхности 116 камеры 110. Подводящий транспортер 136 на его стороне, обращенной к поверхности 116 камеры 110, открыт по направлению к поверхности 116 камеры 110. Верхняя поверхность 168 подводящего транспортера 136 ориентирована под углом примерно 120° к центральной продольной оси М спирального подающего шнека 130, поднимаясь к центру в форме конического участка. В другом варианте верхняя поверхность 168 подводящего транспортера 136 ориентирована под углом примерно 90° к центральной продольной оси М спирального подающего шнека 130. Верхняя поверхность 168 также может иметь форму, которая постепенно поднимается по направлению к центральной продольной оси М спирального подающего шнека 130.
Отводящий транспортер 144 имеет верхнюю поверхность 170, которая расположена на большем расстоянии от торцевой стороны 134 спирального подающего шнека 130, чем верхняя поверхность 168 подводящего транспортера 136. Кроме того, отводящий транспортер 144 в спиральном подающем шнеке 130 расположен радиально дальше внутрь, чем подводящий транспортер 136. Отводящий транспортер 144, с одной стороны, и область 142 выпуска, с другой стороны, имеют такие размеры и выполнены таким образом, что отводящий транспортер 144 обеспечивает меньшее сопротивление потоку материала DM для печати, чем область 142 выпуска. Сопротивление потоку области 142 выпуска также определяется размерами отверстия 160, причем его величина достаточно мала, чтобы при вращении спирального подающего шнека 130 относительно камеры 110 в область 142 выпуска по направлению к выходному отверстию 120 проходило достаточное количество материала DM для печати. Если давление в материале DM для печати между спиральным подающим шнеком 130 и поверхностью 116 камеры 110 становится слишком большим, и поэтому слишком большое количество материала DM для печати выталкивается через выходное отверстие 120, то спиральный подающий шнек 130 приподнимается с поверхности 116 камеры 110 в направлении, противоположном напряжению пружины 190.
Подводящий транспортер 136 имеет форму участка кольца и окружает отводящий транспортер 144, который также имеет форму участка кольца, в окружном направлении спирального подающего шнека 130. Отводящий транспортер 144 окружает приблизительно кругообразный центр спирального подающего шнека 130 с находящейся там областью 142 выпуска. В показанном варианте отводящий транспортер 144 проходит от отверстия 160 до входа 128 подводящего транспортера 136, где он выходит в область впуска для транспортировки материала DM для печати и заключенного в нем газа G из радиально внутренней краевой зоны 146 подводящего транспортера 136 через отводящий транспортер 144. При этом материал DM для печати и заключенный в нем газ G движутся в направлении, противоположном направлению движения материала DM для печати в подводящем транспортере 136. В одном варианте, также показанном на фигуре, отводящий транспортер 144 вдоль его протяжения имеет несколько отверстий 176 в верхней поверхности 170, через которые материал DM для печати и заключенный в нем газ G могут выходить из отводящего транспортера 144. Это эффективно предотвращает попадание материала DM для печати с заключенным в нем газом G в область 142 выпуска и в выходное отверстие 120.
В головке 100 3D-принтера только небольшое количество материала DM для печати выходит из выходного отверстия 120 во время печати. Вместе с материалом DM для печати в подводящий транспортер 136 спирального подающего шнека 130 также попадают: газ G в виде воздуха, инертный газ, введенный в головку 100 3D-принтера, водяной пар, выходящий из материала DM для печати, пластификаторы, мономеры и продукты окисления. В подводящий транспортер 136 спирального подающего шнека 130 поступает большее количество материала DM для печати, чем выходит из выходного отверстия 120. Предложенная здесь конструкция отводящего транспортера 144, с одной стороны, позволяет выгружать по меньшей мере часть избыточного количества материала DM для печати до того, как он попадет в область 142 выпуска. Когда спиральный подающий шнек 130 поднимется с поверхности 116 камеры 110 контролируемым образом, другая часть избыточного количества материала DM для печати может выйти радиально наружу из подводящего транспортера 136. С другой стороны, благодаря предложенной здесь конструкции отводящего транспортера 144, взаимодействующего с другими компонентами спирального подающего шнека 130 в камере 110 также эффективным образом обеспечивается воспрепятствование проникновению газа G, заключенного в материале DM для печати, в область 142 выпуска. Вместо этого он вместе с материалом DM для печати, поданный на отводящий транспортер 144, снова отводится от спирального подающего шнека 130. Так как верхняя поверхность отводящего транспортера 144 находится на большем расстоянии от поверхности 116, чем верхняя поверхность подводящего транспортера 136, то газ G, заключенный в материале DM для печати, на своем пути внутрь может подниматься от подводящего транспортера 136 в область 142 выпуска в отводящий транспортер 144. В этом месте заключенный газ G транспортируется противотоком к отверстиям 170 в верхней поверхности отводящего транспортера 144 или к его концу в области впуска подводящего транспортера 136. Таким образом, заключенный газ G не может влиять на контролируемый выход материала DM для печати через выходное отверстие 120. В результате своей конструкции, за счет эффективного отведения газовых включений, спиральный подающий шнек 130 теряет лишь минимальную производительность подачи и, в частности, эти газовые включения G в материале DM для печати не попадают в выходное отверстие 120 и, таким образом, не загрязняют печатное изделие DE.
3D-принтер с предложенной в настоящем документе головкой 100 3D-принтера перемещает головку 3D-принтера, как показано на фиг. 3, относительно плоской базирующей детали 300 для печатного изделия DE по меньшей мере вдоль одной геометрической оси х, у, z. Для этого 3D-принтер оснащен управляющим устройством 200, который с помощью соответствующих осевых приводов Х-A, Y-A, Z-A перемещает головку 100 3D-принтера и базирующую деталь 300 относительно друг друга, а также приводит в действие привод 132 для спирального подающего шнека 130 в камере 100 для контролируемой подачи материала для печати из выходного отверстия 120 на базирующую деталь 300. Таким образом, 3D-печатное изделие можно получить с помощью 3D-принтера, имеющего головку 3D-принтера и использующего раскрытую здесь процедуру.
Такое печатное изделие или компонент, изготовленные с помощью 3D-принтера с головкой 3D-принтера, имеющей один или несколько предшествующих аспектов устройства, и/или с помощью способа, имеющего один или несколько предшествующих аспектов способа, четко отличается от изготовленного традиционным способом печатного изделия или компонента, что ясно видно на фиг. 4 и 5. Оба образца имеют структуру из поликарбоната, причем в печатном изделии, изготовленном традиционным способом (см. фиг. 4), присутствует большое количество газовых включений AG, расположенных снаружи, и газовых включений IG, расположенных внутри. Это практически не относится к печатному изделию (фиг. 5), которое было изготовлено с помощью 3D-принтера с головкой 3D-принтера, имеющей один или несколько предшествующих аспектов устройства, и/или с помощью способа, имеющего один или несколько предшествующих аспектов способа. Благодаря уменьшению/предотвращению выделения газа из выходного отверстия камеры, полученное таким образом печатное изделие (фиг. 5) имеет значительно меньше или вовсе не имеет (релевантных) газовых включений.
Вышеописанные варианты способа и устройства служат исключительно для лучшего понимания структуры, способа функционирования и свойств предлагаемого решения, они не ограничивают раскрытие до указанных вариантов осуществления. Фигуры являются схематичными, причем важные свойства и эффекты иногда иллюстрируются со значительным увеличением для того, чтобы прояснить функции, принципы действия, технические конфигурации и прочие признаки. При этом каждый способ функционирования, каждый принцип, каждая техническая конфигурация и каждый признак, раскрытый на фигурах или в тексте, могут свободно и произвольно сочетаться с любым из пунктов формулы, любым признаком в тексте и на других фигурах или с другими способами функционирования, принципами, техническими конфигурациями и признаками, содержащимися в этом раскрытии или вытекающими из него, таким образом, что могут быть перечислены все мыслимые комбинации описанного решения. Кроме того, охватываются комбинации любого отдельного утверждения в тексте, т.е. в любом разделе описания или в формуле изобретения, а также комбинации различных вариантов в тексте, в формуле изобретения и на фигурах. Хотя детали устройств и способов, раскрытых выше, описаны в сочетании друг с другом, необходимо также отметить, что они также независимы друг от друга, а также свободно комбинируются друг с другом. Показанные на фигурах соотношения отдельных частей и их участков между собой, а также их размеры и пропорции не следует истолковывать ограничивающим образом. Скорее, отдельные размеры и пропорции также могут отличаться от показанных. Кроме того, формула изобретения не ограничивает раскрытие и, таким образом, возможность комбинирования любых заявленных признаков друг с другом. Все указанные признаки также явным образом раскрыты в настоящем документе, по отдельности и в сочетании с любыми другими признаками.
Список ссылочных обозначений
100 головка 3D-принтера
110 чашеобразная камера
112 крышка
114 впуск
DM жидкий или твердый материал для печати
116 поверхность
120 выходное отверстие
128 вход
130 спиральный подающий шнек
132 привод
134 торцевая сторона
136 подводящий транспортер
138 нагревательная спираль
140 область впуска
142 область выпуска
144 отводящий транспортер
146 радиально внутренняя краевая зона
150 стенка
152 расположенный снаружи конец стенки 150
154 расположенный внутри конец стенки 150
148 кольцевая стенка
160 отверстие
164 буртик
166 свободный край
168 верхняя поверхность подводящего транспортера 136
170 верхняя поверхность отводящего транспортера 144
190 пружина
200 управляющее устройство
Х-А, Y-A, Z-A приводы осей
300 базирующая деталь
DM материал для печати
G газовые включения
М центральная продольная ось спирального подающего шнека 130
DR направление вращения спирального подающего шнека 130
Z центр спирального подающего шнека 130
Р1 и Р2 стрелки
DE печатное изделие
AG расположенное снаружи газовое включение
IG расположенное внутри газовое включение