ES2325323T3 - Mezcla de polvo sinterizable para la formacion rapida de prototipos. - Google Patents
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Abstract
Mezcla de polvo sinterizable para la formación rápida de prototipos, que comprende una matriz polimérica en forma de polvo, en el que dicha mezcla comprende un material de refuerzo en forma de fibras, y en el que dichas fibras son de tipo cortadas y/o molidas, presentando dichas fibras cortadas una longitud entre 3 y 6 mm y presentando dichas fibras molidas una longitud entre 150 y 450 µm.
Description
Mezcla de polvo sinterizable para la formación
rápida de prototipos.
La presente invención se refiere a una mezcla de
polvo sinterizable para la formación rápida de prototipos,
particularmente para procesos SLS (láser selectivo que
sinteriza).
Tal como es conocido, la formación rápida de
prototipos es una técnica que se ha desarrollado bastante
recientemente y permite obtener automáticamente el prototipo de un
componente mecánico a partir de su correspondiente dibujo por
ordenador, independientemente de su geometría, en poco tiempo y con
un coste relativamente bajo.
El prototipo resultante puede utilizarse como
sustitución del componente real durante ensayos, por ejemplo de
tipo fotoelástico, para determinar las características mecánicas de
dicho componente.
También es conocido que existen diferentes
tecnologías para la formación rápida de prototipos, que en cualquier
caso implican sobreponer una serie de capas de material, las cuales
se acoplan entre sí para obtener un modelo, posiblemente un modelo
a escala, del componente real.
Estas tecnologías se diferencian en la manera en
la cual se aplican las capas de material durante la construcción
del prototipo; en particular, cada tecnología se basa en un
principio físico distinto, que determina la naturaleza y el estado
de agregación final de los materiales utilizados.
El procedimiento para la formación rápida de
prototipos se organiza en varias etapas: inicialmente, debe
diseñarse el componente que se está estudiando con la ayuda de un
sistema tridimensional de modelado de sólidos o superficies, para
obtener un modelo tridimensional por ordenador, el cual se convierte
después a un formato que pueda leerlo la máquina de formación
rápida de prototipos, generalmente en formato STL (litografia
estereográfica).
Esta conversión consiste en aproximar la
superficie del modelo por medio de una pluralidad de triángulos
yuxtapuestos, que se disponen adyacentes entre sí para cubrir toda
la citada superficie.
El modelo en formato STL se secciona a través
del software que gestiona la máquina de formación rápida de
prototipos con una pluralidad de planos paralelos que se encuentran
separados con un espesor apropiado.
Cada plano es una de las capas de material que
la máquina superpone posteriormente; las capas contiguas ya quedan
unidas entre sí durante la construcción del prototipo.
Finalmente, es posible someter el prototipo
resultante a operaciones de limpieza y acabado o a otros tipos de
tratamiento.
Una de las tecnologías de formación rápida de
prototipos conocidas está constituida por ejemplo por el método
denominado SLS (Sinterizado Selectivo por Láser), que se basa en la
consolidación de los polvos mediante un proceso de sinterización
obtenido empleando un láser.
La máquina utilizada realizar este método está
constituida substancialmente por una plataforma que puede
desplazarse verticalmente en la cual se deposita el polvo, quedando
retenido dicho polvo en el interior de la máquina a una temperatura
que se encuentra justo por debajo de su punto de fusión, para así
constituir una capa de grosor uniforme, la cual es alcanzada por el
láser solamente en la zona que coincide con la correspondiente
sección transversal del modelo a proporcionar, provocando que
sinterice.
La plataforma se desplaza entonces hacia abajo
una distancia que corresponde al grosor del material que se ha
depositado, y en la anterior se superpone una nueva capa de polvo y
se sinteriza tal como se ha descrito anteriormente, para
solidificarse y adherirse a la capa subyacente.
El proceso se repite hasta que se obtiene el
modelo completo.
El material que se utiliza actualmente en
procesos de formación rápida de prototipos y en particular en el
método SLS está constituido generalmente por una mezcla de polvos de
tipo poliamida, opcionalmente con la adición de polvos de
diferentes tipos que tienen un efecto de refuerzo.
De los documentos WO 2005/090448 A1 y
WO2005/090449 A1, que fueron publicados tras la prioridad de la
presente solicitud, se conoce un proceso para producir un material,
en forma de polvo o granular, para utilizarse para la formación
rápida de prototipos basada en la técnica SLS, en el que la
composición de este material incluye fibras de refuerzo que se
proporcionan para reforzar la estructura de las partes del prototipo
obtenido a través de esta técnica.
Aunque estas mezclas de polvos sinterizables
permiten obtener modelos de calidad más que satisfactoria, éstos no
están libres de inconvenientes, incluyendo el hecho de que los
modelos resultantes presentan módulos de elasticidad limitados y
bajas resistencias finales a tracción.
El objetivo de la presente invención es disponer
una mezcla de polvos sinterizables para la formación rápida de
prototipos que permita optimizar las características de resistencia
mecánica de los modelos obtenidos con ésta.
A la vista de este propósito y otros objetivos
que serán más claros en lo sucesivo, de acuerdo con la presente
invención se dispone una mezcla de polvos sinterizables para la
formación rápida de prototipos que comprende una matriz de polvo
polímerico, un material de refuerzo en forma de fibras y todas las
otras características que se definen en la reivindicación
independiente principal.
La matriz polimérica es preferiblemente de tipo
poliamida y puede comprender por ejemplo nailon.
Dicho material de refuerzo puede ser de tipo
polímérico, constituido preferiblemente por fibras de tipo aramida,
de tipo inorgánico, constituido preferiblemente por fibras de vidrio
y/o carbono, o de tipo polimérico e inorgánico.
La expresión "fibras de aramida" se utiliza
para designar fibras hechas de poliamidas aromáticos con un
contenido de grupo aromático de más de un 85%.
Las fibras de tipo aramida pueden está
constituidas por ejemplo por fibras de
poli-parafenilenetereftalamida conocidas bajo
nombre comercial Kevlar, y suministradas por la firma DuPont.
Las fibras que constituyen el material de
refuerzo pueden ser de tipo cortadas o molidas.
Convencionalmente, las fibras cortadas son
fibras con una longitud entre 3 y 6 mm y las fibras molidas son
fibras con una longitud entre 100 y 450 \mum.
La mezcla también puede comprender material de
tipo substancialmente vidrioso en forma de microesferas, aluminio
en polvo y grafito en polvo.
La matriz polimérica, el material de refuerzo en
forma de fibras, el material vidrioso en forma de microesferas,
aluminio en polvo y el grafito en polvo están presentes en las
siguientes cantidades, que son independientes entre sí y se
expresan como porcentajes del peso total de la mezcla:
matriz polimérica, entre un 20% y un 99%;
material de refuerzo en forma de fibras, entre un 1% y un 80%;
material vidrioso en forma de microesferas, entre un 0% y un 70%;
aluminio en polvo, entre un 0% y un 70%; grafito en polvo, entre un
0% y un 40%.
La matriz polimérica, el material de refuerzo en
forma de fibras, el material vidrioso en forma de microesferas, el
aluminio en polvo y el grafito en polvo están presentes
preferiblemente en las siguientes cantidades, que son
independientes entre sí y se expresan como porcentajes del peso
total de la mezcla:
matriz polimérica, entre un 50% y un 90%;
material de refuerzo en forma de fibras, entre un 10% y un 50%;
material vidrioso en forma de microesferas, entre un 15% y un 25%;
aluminio en polvo, entre un 10% y un 25%; grafito en polvo, entre
un 0% y un 10%.
Según los métodos convencionales de
funcionamiento y en función de las cantidades a producir, la mezcla
de acuerdo con la invención puede prepararse mediante un mezclador
mecánico (por ejemplo, mezcladores interiores en los cuales se
introducen las cantidades apropiadas de distintos componentes) o
mediante un mezclado neumático (por ejemplo, introduciendo aire
hacia silos que contienen los distintos componentes); por supuesto
no se excluyen realizaciones alternativas.
La mezcla resultante queda lista para su uso y
por lo tanto puede alimentar máquinas de formación rápida de
prototipos convencionales, en particular máquinas para llevar a cabo
el procedimiento SLS.
Convenientemente, dicha mezcla puede aplicarse
en todos los campos convencionales de uso de formación rápida de
prototipos, como por ejemplo la fabricación de piezas de vehículos,
aparatos electrodomésticos eléctricos, elementos de diseño u
otros.
Ventajosamente, a través de pruebas de
laboratorio se ha encontrado que los modelos provistos de la mezcla
de acuerdo con la invención presentan una mayor resistencia mecánica
que los prototipos obtenidos con materiales convencionales, tanto a
temperatura ambiente como a altas temperaturas.
Además, se han observado incrementos
significativos en el módulo de elasticidad y en la resistencia final
a la tracción del material.
La resistencia final a la tracción del material
obtenido sinterizando la mezcla de acuerdo con la presente
invención de hecho es de un orden de magnitud del
55-60 MPa, mientras que la resistencia final a la
tracción de los materiales convencionalmente utilizados en la
formación rápida de prototipos es de un orden de magnitud de
40-48 Mpa.
\vskip1.000000\baselineskip
Los siguientes ejemplos se dan solamente como
ilustración de la presente invención y no deben entenderse como una
limitación de su alcance tal como se define por las reivindicaciones
que se acompañan.
Ejemplo
1
A partir de los siguientes componentes puede
obtenerse una primera mezcla de polvos sinterizables para la
formación rápida de prototipos:
- matriz polimérica
- 60%
- material de refuerzo en forma de fibras
- 30%
- material vidrioso en forma de microesferas
- 10%
- aluminio en polvo
- 0%
- grafito en polvo
- 0%
Ejemplo
2
A partir de los siguientes componentes puede
obtenerse una segunda mezcla de polvos sinterizables para la
formación rápida de prototipos:
- matriz polimérica
- 50%
- material de refuerzo en forma de fibras
- 20%
- material vidrioso en forma de microesferas
- 15%
- aluminio en polvo
- 10%
- grafito en polvo
- 5%
Los expertos en la materia comprenderán
fácilmente que pueden prepararse otras mezclas de polvos
sinterizables, en base a la descripción de la invención que se ha
expuesto anteriormente, toda lo cual puede considerarse, sin
embargo, comprendida dentro del alcance de las reivindicaciones.
Las descripciones de la solicitud de patente
italiana número MO2004A000227 de la cual reivindica prioridad la
presente solicitud quedan incorporadas aquí por referencia.
Claims (23)
1. Mezcla de polvo sinterizable para la
formación rápida de prototipos, que comprende una matriz polimérica
en forma de polvo, en el que dicha mezcla comprende un material de
refuerzo en forma de fibras, y en el que dichas fibras son de tipo
cortadas y/o molidas, presentando dichas fibras cortadas una
longitud entre 3 y 6 mm y presentando dichas fibras molidas una
longitud entre 150 y 450 \mum.
2. Mezcla según la reivindicación 1,
caracterizada por el hecho de que dicho material de refuerzo
es de tipo substancialmente polimérico y/o inorgánico.
3. Mezcla según la reivindicación 2,
caracterizada por el hecho de que dicho material de refuerzo
polimérico es de tipo aramida.
4. Mezcla según la reivindicación 2,
caracterizada por el hecho de que dicho material de refuerzo
inorgánico comprende por lo menos vidrio o carbono o ambos.
5. Mezcla según la reivindicación 3,
caracterizada por el hecho de que dicho material de refuerzo
polimérico de aramida comprende por lo menos Kevlar.
6. Mezcla según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho que
dicha matriz polimérica es de tipo substancialmente de
poliamida.
7. Mezcla según la reivindicación 6,
caracterizada por el hecho de que dicha matriz polimérica de
poliamida comprende nailon.
8. Mezcla según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de
que comprende material de tipo substancialmente vidrioso en forma
de microesferas.
9. Mezcla según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de
que comprende aluminio en polvo.
10. Mezcla según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de
que comprende grafito en polvo.
11. Mezcla según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de
que la citada matriz polimérica está presente en cantidades
comprendidas entre un 20% y un 99% en peso.
12. Mezcla según la reivindicación 11,
caracterizada por el hecho de que la citada matriz polimérica
está presente en cantidades comprendidas entre un 50% y un 90% en
peso.
13. Mezcla según una o más de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de
que dicho material está presente en cantidades comprendidas entre
un 1% y un 80% en peso.
14. Mezcla según la reivindicación 13,
caracterizada por el hecho de que dicho material de refuerzo
está presente en cantidades comprendidas entre un 10% y un 50% en
peso.
15. Mezcla según la reivindicación 8,
caracterizada por el hecho de que dicho material vidrioso en
forma de microesferas está presente en cantidades comprendidas
entre un 0% y un 70% en peso.
16. Mezcla según la reivindicación 15,
caracterizada por el hecho de que dicho material de tipo
vidrioso en forma de microesferas está presente en cantidades
comprendidas entre un 15% y un 25% en peso.
17. Mezcla según la reivindicación 9,
caracterizada por el hecho de que dicho aluminio en polvo
está presente en cantidades comprendidas entre un 0% y un 70% en
peso.
18. Mezcla según la reivindicación 17,
caracterizada por el hecho de que dicho aluminio en polvo
está presente en cantidades comprendidas entre un 10% y un 25% en
peso.
19. Mezcla según la reivindicación 10,
caracterizada por el hecho de que dicho grafito en polvo está
presente en cantidades comprendidas entre un 0% y un 40% en
peso.
20. Mezcla según la reivindicación 19,
caracterizada por el hecho de que dicho grafito en polvo está
presente en cantidades comprendidas entre un 0% y un 10% en
peso.
\newpage
21. Mezcla según la reivindicación 1, que
incluye además material vidrioso en forma de microesferas,
caracterizada por el hecho de que dicha matriz polimérica,
dicho material de refuerzo en forma de fibras y dicho material
vidrioso en forma de microesferas están presentes en las siguientes
cantidades, en peso:
- matriz polimérica
- 60%
- material de refuerzo en forma de fibras
- 30%
- material vidrioso en forma de microesferas
- 10%
22. Mezcla según la reivindicación 1, que
incluye además material vidrioso en forma de microesferas, aluminio
en polvo y grafito en polvo, caracterizada por el hecho de
que dicha matriz polimérica, dicho material de refuerzo en forma de
fibras, dicho material vidrioso en forma de microesferas, dicho
aluminio en polvo y dicho grafito en polvo están presentes en las
siguientes cantidades, en peso:
- matriz polimérica
- 50%
- material de refuerzo en forma de fibras
- 20%
- material vidrioso en forma de microesferas
- 15%
- aluminio en polvo
- 10%
- grafito en polvo
- 5%
23. Proceso para la preparación de una mezcla de
polvos sinterizables para la formación rápida de prototipos, en el
que dicha mezcla se prepara mezclando entre sí una matriz polimérica
en forma de polvo y un material de refuerzo en forma de fibras, y
en el que dichas fibras son de tipo cortadas y/o molidas,
presentando dichas fibras cortadas una longitud entre 3 y 6 mm y
presentando dichas fibras molidas una longitud entre 150 y 450
\mum.
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