ES2575587B1 - Sistema de fabricación aditiva por lotes - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un sistema de fabricación aditiva por lotes donde el material de aportación con el que se crean los objetos está previamente calculado en función de cada objeto que se desee fabricar. Es decir, se proveen contenedores, o cápsulas, que contienen tanto la cantidad de material de aportación, como la información o datos necesarios para que se pueda fabricar una cantidad determinada, o lote, de objetos predefinidos mediante máquinas de fabricación aditiva sin necesidad de intervención humana durante el proceso.
Description
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DESCRIPCION
Sistema de fabrication aditiva por lotes Objeto de la invention
La invention se refiere a un sistema de fabrication aditiva por lotes.
Se entiende como sistema de fabrication aditiva a todo aparato capaz de generar objetos depositando material de aportacion en capas superpuestas una sobre otra hasta conseguir lograr flsicamente la geometrla del objeto que se desea crear.
En el sistema de fabrication aditiva por lotes que se describe en el presente documento, el material de aportacion con el que se crean los objetos esta previamente calculado en funcion de cada objeto que se desee fabricar. Es decir, se proveen contenedores , o capsulas en lo sucesivo, que contienen tanto la cantidad de material de aportacion, como la information o datos necesarios para que se pueda fabricar una cantidad determinada, o lote en lo sucesivo, de objetos predefinidos mediante maquinas de fabrication aditiva sin necesidad de intervention humana durante el proceso.
Antecedentes de la invention
En el actual estado de la tecnica existen multiples sistemas de fabrication aditiva que permiten crear objetos depositando material de aportacion por capas hasta conseguir la geometrla deseada.
Existen multiples formas de proveer el material de aportacion, pero la tecnica mas extendida en la actualidad consiste en disponer de dicho material de aportacion en forma de filamento o hilo enrollado en grandes bobinas. Para fabricar cualquier objeto se introduce un extremo de dicho hilo en un extrusor caliente que lo derrite y lo expulsa en pequenas cantidades por una boquilla que se mueve horizontalmente describiendo trayectorias que definen la geometrla de cada capa o section del objeto que se desea crear. Cuando se termina una capa, la boquilla asciende una pequena altura preestablecida y comienza a describir otra capa horizontal sobre la anterior depositando mas material de aportacion. El proceso se repite hasta concluir la creation del objeto. Una vez fabricado el objeto, se extrae el filamento de material de aportacion del extrusor y se almacena o desecha el material sobrante.
Los materiales de aportacion mas extendidos en la actualidad son plasticos (ABS, PLA, metacrilato, etc.), gomas flexibles, metales y ceramicas.
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Algunos ejemplos de sistemas de fabrication aditiva pueden observarse en los documentos ES2444021 A1, donde se funde metal o ceramica para fabricar objetos superponiendo capas del material extruido por una boquilla, el documento ES 2469093 T3, donde se aporta material en laminas que se funde y dosifica describiendo la geometrla que se desea fabricar, o el documento US14209372A1, donde el material de aportacion es principalmente plastico en forma de filamento que se funde y se deposita en capas que se solidifican una sobre otra a temperatura ambiente.
Pese a que el objetivo que se persigue mediante estas tecnologlas es el mismo, todos los sistemas de fabrication aditiva presentes en el actual estado de la tecnica comparten un problema de dimensionado del material de aportacion con el que se fabrican los objetos:
- En todos los sistemas de fabrication aditiva actuales se proporciona mas material de aportacion del necesario para crear el objeto que se desea fabricar en cada instante. Lo mas habitual es proveerlo en grandes rollos o bobinas de material de aportacion en forma de filamento o hilo de un unico color o propiedades mecanicas. Esto hace que el usuario deba almacenar el sobrante para un futuro uso y, en caso de querer crear objetos de diferentes colores o materiales, debera disponer de gran cantidad de bobinas de colores o propiedades diferentes.
- Es muy diflcil saber si una vez que se ha consumido parte de una bobina de material de aportacion tras fabricar uno o varios objetos, habra material suficiente en dicha bobina para fabricar un nuevo objeto, ya que se desconoce la cantidad exacta de material restante. Esto podrla provocar que los objetos que se deseen fabricar posteriormente queden incompletos por falta de material de aportacion en la bobina, o incluso que el material restante deba ser desechado para evitar esta situation.
Es decir, todos los sistemas de fabrication aditiva presentes en el actual estado del arte comparten un problema de dimensionado y gestion del material de aportacion.
Por otro lado, todos los sistemas actuales de fabrication aditiva requieren que el usuario que lo utiliza posea una serie de conocimientos que impiden que cualquier persona no experta pueda acceder al uso de esta tecnologla y, por tanto, no sea accesible para un publico masivo:
- El usuario debe poseer conocimientos de modelado tridimensional por computador para ser capaz de definir los objetos que desee fabricar. Ademas, debe poseer conocimientos para cortar o seccionar digitalmente cada modelo tridimensional de
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forma que pueda quedar definido por capas finitas y poder proceder asl a su posterior fabrication aditiva.
- El usuario tambien debe contar con experiencia en sistemas de fabricacion aditiva, ya que en todos los sistemas de fabricacion aditiva actuales deben programarse parametros de fabricacion diferentes para cada tipo de objeto que se desee fabricar y en funcion del tipo de material de aportacion que se empleara. Aspectos como la configuration de temperaturas de fusion del material de aportacion y velocidades de movimiento de la boquilla del extrusor en funcion del tamano y el material del objeto que se desee crear, son fundamentales para conseguir una perfecta consecution de la geometrla deseada que se desee fabricar.
Es decir, con los sistemas de fabricacion aditiva actuales, tan solo una pequena minorla de usuarios con experiencia previa y conocimientos muy especlficos pueden acceder a esta tecnologla, haciendo imposible que sea accesible a un publico masivo inexperto.
Description de la invention
El objeto de la invencion consiste en un sistema de fabricacion aditiva por lotes en el que, para cada objeto que se desee crear, se provee una capsula que contiene la cantidad idonea del material de aportacion y la information necesaria para que una maquina de fabricacion aditiva pueda generar una cantidad finita de objetos predefinidos sin necesidad de intervention humana durante el proceso. De esta manera, cualquier persona inexperta es capaz de fabricar objetos mediante esta tecnologla.
La invencion se caracteriza fundamentalmente porque:
- Comprende capsulas, al menos una para cada objeto o lote de objetos que se desee fabricar en cada instante, que contiene la cantidad de material de aportacion idonea, previamente calculada para cada objeto, y la informacion (instrucciones de configuracion y ejecucion de la fabricacion) para permitir que mediante una maquina de fabricacion aditiva sea posible crear flsicamente dichos objetos.
- Comprende un mecanismo que inserta el extremo del filamento del material de aportacion automaticamente en el extrusor de una maquina de fabricacion
aditiva, permitiendo que una vez que el usuario conecta cada capsula a la
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maquina de fabrication aditiva no sea necesaria mas intervention humana durante la fabrication.
Description de los dibujos
Para comprender mejor el objeto de la presente invention, se representa en los pianos del presente documento una forma preferente de realization practica, susceptible a cualquier futura modification que no desvirtue su fundamento, a modo de ejemplo ilustrativo y no limitativo.
La figura 1. - Muestra un diagrama de bloques a modo de representation general de realizacion practica preferente de la invencion.
La figura 2. - Muestra un ejemplo constructivo de una capsula para el sistema de fabrication aditiva por lotes.
La figura 3. - Muestra una vista explosionada de la capsula de la figura 2.
La figura 4. - Muestra un ejemplo de filamento de material de aportacion multicolor.
Realization practica preferente de la invention
Como puede observarse en el diseno de realization practica preferente reflejado en la figura 1, la invention consiste en un sistema de fabrication aditiva por lotes que comprende principalmente una capsula (1) para cada objeto o lote de objetos que se desea fabricar, y una maquina de fabrication aditiva (2).
Cada capsula (1) comprende un compartimento (3) que permite alojar el material de aportacion en su interior, un medio de almacenamiento de informacion (4) y un conector electrico macho (5).
La maquina de fabrication aditiva (2) comprende un bastidor o estructura (10), un extrusor (11) de material de aportacion que lo dosifica mediante una boquilla (17), una zona o area diafana de fabrication (12), un accionamiento (9), un conjunto de rodillos (13), (14), (15) y (16), un conector electrico hembra (7), una unidad de control central (8), un lector de codigos (26), un dispositivo de comunicacion (27), que puede ser inalambrico del tipo de un receptor de internet inalambrico (Wifi), y un medio de almacenamiento externo (28). En la imagen, tambien se muestra un objeto o lote de objetos (25) fabricado mediante la maquina de fabrication aditiva (2).
En la figura 2 se muestra un ejemplo constructivo de una capsula (1) para el presente sistema de fabrication aditiva por lotes. Dicha capsula (1) comprende un
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compartimento (3) que permite alojar el material de aportacion en su interior, y que posee una ranura (20) que sirve para poder extraer el material de aportacion de su interior cuando la capsula esta ensamblada, simplemente tirando del extremo (6) del filamento del material de aportacion. Comprende tambien un medio de almacenamiento de information (4) que contiene en su interior todos los datos necesarios para que la maquina de fabrication aditiva (2) sea capaz de generar un lote del objeto u objetos (25) que se deseen crear, un conector electrico macho (5) y una tapa (18) que posee ademas un sistema o codigo de identification (19) que permite distinguir una capsula de otra.
En la figura 3 se observa una vista explosionada de una capsula (1), donde se aprecia el material de aportacion (21) en forma de filamento o hilo que se aloja dentro del compartimento (3).
En la figura 4 se representa un ejemplo de una bobina o rollo de filamento de material de aportacion que permite crear objetos de varios colores o materiales. Se puede apreciar que el filamento esta compuesto por varios tramos o bandas (6), (21), (22), (23) y (24) de diferentes colores o propiedades mecanicas. De este modo, se consigue poder crear capas de material extruido con varios colores o propiedades mecanicas empleando un unico extrusor y un unico rollo o bobina de material de aportacion (21) dependiendo de la banda de color que se este expulsando por la boquilla en cada instante.
A continuation se describe resumidamente el funcionamiento de la invention en su modo de fabricacion preferente.
La idea fundamental reside en disponer de al menos una capsula (1) especlfica para cada objeto o lote de objetos (25) que se deseen fabricar en un instante, que contiene todo lo necesario (material de aportacion e instrucciones en lenguaje maquina) para su creation mediante una maquina de fabricacion aditiva (2) sin necesidad de intervention humana durante el proceso. Una vez fabricado el objeto o lote finito de objetos (25), la capsula (1) puede ser desechada o puede reutilizarse insertando nuevamente en su interior la misma cantidad de material de aportacion (21) que contenla inicialmente.
Cada capsula (1) posee todo lo necesario para fabricar un objeto o lote de objetos (25) predefinidos gracias a que:
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- El medio de almacenamiento de information (4) contiene los datos necesarios para la fabrication del objeto o lote de objetos (25) que se desean fabricar, es decir, contiene los parametros de configuration para la maquina de fabricacion aditiva (tales como temperaturas de fusion de material de aportacion o la velocidad de traslacion de la boquilla durante la extrusion de material de aportacion), el modelo tridimensional digital del objeto predefinido que se desea fabricar y las instrucciones en lenguaje maquina de ejecucion o fabricacion, es decir, las coordenadas espaciales (por ejemplo, segun una referencia de ejes cartesianos) a las que debe trasladarse el extrusor en cada instante de tiempo, o la cantidad de material de aportacion que debe dosificarse en cada instante para lograr generar correctamente la geometrla deseada. Este medio de almacenamiento es preferentemente digital, del tipo de una memoria flash, pero tambien puede ser de tipo analogico, basado por ejemplo en bandas magneticas.
Para poder transmitir toda la informacion a la maquina de fabricacion aditiva (2), se dispone de un conector electrico macho (5) que permite conectar la capsula (1) al conector electrico hembra (7), que esta a su vez comunicado electricamente con la unidad de control central (8) de la maquina de fabricacion aditiva (2). Esta trasmision de informacion entre el medio de almacenamiento (4) y la unidad de control central (8) tambien podrla realizarse sustituyendo las conexiones electricas (5) y (7) por un sistema de comunicacion inalambrico o sin contacto flsico, como por ejemplo wifi, radio AM/FM, bluetooth, un sistema optico (del tipo opto acoplador) o por pulsos de induccion magnetica.
- El compartimento (3), preferentemente de plastico, permite alojar en su interior el material de aportacion (21) con el que se fabricara el objeto o lote finito de objetos (25). Dicho material de aportacion estara previamente calculado para que cada capsula contenga la cantidad idonea de material para cada objeto o lote de objetos (25) que se desean fabricar, de forma que no tenga por que producirse sobrante ni carencia del mismo a la hora de fabricar dicho objeto.
El filamento de material de aportacion (21) podra ser de un unico color y propiedades mecanicas, o estar formado por varias bandas (6), (21), (22), (23) y (24), cada una de ellas de un color y/o propiedades mecanicas diferentes. La longitud de cada banda estara previamente calculada en funcion de la cantidad de material de aportacion de cada color o propiedades mecanicas que sea necesaria en cada capa (o parte de cada capa) del objeto que se desea fabricar.
- La tapa (18), preferentemente de plastico, permite cerrar la cavidad definida por el compartimento (3) para retener en el interior el material de aportacion (21), y dispone a su vez de un sistema o codigo de identification (19), el cual es especlfico para cada
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capsula (1). De esta forma la maquina de fabrication aditiva (2) es capaz de diferenciar el contenido de cada capsula y saber que objeto permite fabricar cada una de ellas gracias a un lector de codigo (26) que identifica cada referencia (19) de cada capsula. Dicho lector de codigos (26) puede ser optico (para detectar codigos de barras, alfanumericos, o los actualmente populares codigos QR o BIDI), magnetico (para detectar codigos basados en bandas magneticas), etc.
Para fabricar un objeto o lote de objetos predefinidos (25) cualesquiera mediante una capsula (1), unicamente es necesario encajar los conectores (5) y (7), quedando dicha capsula (1) acoplada a la maquina de fabricacion aditiva (2). Instantaneamente, toda la information contenida en el medio de almacenamiento (4) puede ser transferida electricamente a la unidad central de control (8). La forma de la capsula (1) esta disenada de manera que el material de aportacion (21) puede ser extraldo de la capsula e insertado en el extrusor de forma automatica. Es decir, una vez conectada la capsula (1) en la maquina de fabricacion aditiva (2), la ranura (20) permite que el extremo (6) del filamento del material de aportacion (21) asome del compartimento (3) y quede en contacto con los rodillos (13) y (15). La siguiente action que hace la maquina de fabricacion aditiva (2) es enviar una senal electrica al accionamiento (9), que puede comprender uno o varios pequenos motores electricos, que hace girar los rodillos (13) y (14) de forma horaria, y los rodillos (15) y (16) de forma anti horaria. Con esta accion, los rodillos (13) y (15) aprisionan el extremo (6) del filamento y ejercen una fuerza que le obliga a salir del compartimento (3) y descender hacia los rodillos (14) y (16). Una vez que el extremo (6) los alcanza, estos hacen lo mismo que los dos rodillos anteriores y permiten que el extremo (6) continue descendiendo y se inserte en el extrusor (11).
Una vez que el extremo (6) esta en el interior del extrusor (11), comienza la fabricacion aditiva:
- El extrusor (11) derrite el material de aportacion (21) en su interior y lo expulsa en pequenas dosis a traves de la boquilla (17) a la vez que describe trayectorias y lo deposita sobre el area diafana de fabricacion (12) en capas superpuestas de material de aportacion. La temperatura de fusion del material, la cantidad de material que debe dosificarse en cada instante y las trayectorias que debe describir la boquilla (17) del extrusor (11) son parte de la informacion que esta contenida en el medio de almacenamiento (4).
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-Una vez que la fabrication del objeto o lote de objetos (25) que cada capsula (1) permite crear ha finalizado, se habra empleado todo el material de aportacion (21) que habla en el interior del compartimento (3). En este instante, el usuario puede retirar el objeto creado (25) del area diafana de fabrication (12) ya terminado y tambien puede desconectar la capsula (1) de los conectores (5) y (7), pudiendo esta ser desechada o reutilizada, simplemente retirando la tapa (18) e introduciendo nuevamente en el compartimento (3) exactamente la misma cantidad de material de aportacion que contenla inicialmente.
Cada capsula puede permitir fabricar varias veces el mismo objeto en distintos instantes de tiempo, por lo que en ese caso la capsula contendra el material de aportacion necesario para tal fin (por ejemplo, para fabricar cinco veces una esfera en distintos instantes de tiempo), y podra reutilizarse esa cantidad finita de veces para fabricar esas mismas veces el mismo objeto agotando asl el material de aportacion (21) del interior del compartimento (3).
Existe una variante o segundo modo de fabrication preferente, que consiste en no disponer del medio de almacenamiento (4), el conector electrico macho (5) de la capsula (1) ni el conector electrico (7) de la maquina de fabrication aditiva (2). En su lugar, toda la information necesaria para la fabrication de cada objeto o lote de objetos (25) esta contenida en una base de datos y asociada a cada codigo de identification (19) que posee cada capsula (1).
Dicha base de datos comprende gran cantidad de codigos de identification (19) diferentes, estando cada uno de ellos asociado a la information necesaria para poder generar un objeto o lote de objetos (25) predefinidos diferentes. Esta base de datos puede estar contenida dentro de la unidad de control central (8) de la maquina de fabrication aditiva (2) o en un medio de almacenamiento de information externo (28) que pueda:
- Conectarse mediante contacto flsico a la maquina de fabrication aditiva (2), del tipo de una memoria USB, CD-Rom o tarjeta de memoria digital.
- Comunicarse con la maquina de fabrication aditiva (2) remotamente a traves de un dispositivo de comunicacion (27). Un ejemplo de este tipo de medio de almacenamiento externo (28) podrla ser un ordenador o servidor que contiene
la base de datos y podrla enviar la information requerida en cada instante a la maquina de fabrication aditiva (2) a traves de internet mediante Wifi, radio, Bluetooth, etc.
El procedimiento en este segundo modo de fabrication preferente consiste en que una vez que el usuario deposita una capsula (1) sobre la maquina de fabrication aditiva (2), el lector de codigos (26) reconoce el codigo de identification (19) asociado a dicha capsula (1). Ese codigo se transmite por cable o inalambricamente a la unidad 5 de control central (8) y la maquina de fabrication aditiva (2) reconoce asl que objeto o lote de objetos (25) debe crear con la capsula (1) actualmente conectada, simplemente accediendo a la base de datos y escogiendo unicamente la information (parametros de configuration, modelo tridimensional digital, trayectorias de la boquilla, etc. ) asociada al codigo (19) de la capsula (1) actualmente conectada. El paso siguiente es 10 proceder a la fabrication aditiva de igual modo al que se ha descrito anteriormente en el modo de fabricacion preferente.
Por ultimo, cabe destacar que la maquina de fabrication aditiva (2) puede estar disenada de forma que permita tanto operar la forma convencional, es decir, empleando materiales de aportacion en la forma estandar que se ofrece actualmente 15 en el mercado (como por ejemplo grandes bobinas de filamento) y requiriendo que el usuario impute toda la information o datos necesarios para la fabrication, como mediante el sistema por lotes o capsulas (1) anteriormente descrito. Esta arquitectura permite que una misma maquina de fabrication aditiva (2) pueda ser usada tanto por usuarios inexpertos (que emplearan el sistema por lotes o capsulas), como por 20 usuarios avanzados con experiencia en este tipo de tecnologla.
Claims (11)
- 51015202530REIVINDICACIONES1. Sistema de fabrication aditiva por lotes caracterizado porque, comprende capsulas (1) que contienen la cantidad idonea de material de aportacion (21) y la information o datos necesarios para que mediante maquinas de fabrication aditiva (2) se puedan generar objetos (25) predefinidos, fabricados con dicho material de aportacion, sin necesidad de intervention humana durante el proceso.
- 2. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun revindication 1 caracterizado porque, cada capsula (1) comprende al menos un medio de almacenamiento de information (4), ya sea digital o analogico, que contiene tanto los parametros de configuration como las instrucciones de ejecucion o fabrication en lenguaje maquina, necesarias para que una maquina de fabrication aditiva (2) pueda generar objetos (25) predefinidos asociados a al menos una capsula (1).
- 3. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque, para poder transmitir la information desde el medio de almacenamiento (4) a la maquina de fabrication aditiva (2), se dispone de un conector electrico macho (5) que permite conectar la capsula (1) al conector electrico hembra (7), el cual se comunica electricamente con la unidad de control central (8) de la maquina de fabrication aditiva (2). Esta transmision de information tambien puede realizarse sustituyendo las conexiones electricas (5) y (7) por un sistema de comunicacion inalambrico o sin contacto flsico.
- 4. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun revindication 1 caracterizado porque, toda la information o datos necesarios para la fabrication de cada objeto o lote de objetos (25) estan contenidos en un medio de almacenamiento externo (28), que puede comunicarse mediante contacto flsico o inalambricamente con la maquina de fabrication aditiva (2), la cual recibe la information a traves de un dispositivo de comunicacion (27).
- 5. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun revindication 1 caracterizado porque, cada capsula (1) comprende al menos un sistema o codigo de identification (19) que permite que la maquina de fabrication aditiva (2) pueda distinguir una capsula de otra gracias a al menos un lector de codigos (26). Dicho codigo de identification (19) esta ademas asociado a toda la information o datos necesarios para la fabrication del objeto u objetos (25) que permite crear cada capsula (1).5101520253035
- 6. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun reivindicaciones 1 y 5 caracterizado porque, comprende una base de datos que contiene toda la information o datos necesarios para la fabrication de gran cantidad de objetos diferentes, estando cada objeto (25) asociado a un codigo de identification (19) que hace referencia a al menos una capsula (1) que posee el mismo codigo (19). La maquina de fabrication aditiva (2) emplea la information necesaria asociada al codigo de identification (19) de la capsula (1) que este conectada en ese instante para la fabrication de cada objeto (25). La base de datos puede estar comprendida en la unidad central de control (8) de cada maquina de fabrication aditiva (2) o en un medio de almacenamiento externo (28), que puede comunicarse por contacto flsico o transmitir la information de forma remota a traves de un dispositivo de comunicacion (27).
- 7. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun las reivindicaciones 1 a 6,caracterizado porque, el material de aportacion (21) puede ser extraldo de cadacapsula (1) e insertado en el extrusor (11) de la maquina de fabrication aditiva (2) automaticamente sin necesidad de intervention humana.
- 8. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun las reivindicaciones 1 a 7,caracterizado porque, el extremo (6) del material de aportacion (21) de cada capsula (1) asoma del compartimento (3) por una ranura (20) y queda ademas en contacto con un conjunto de rodillos ,(13), (14), (15) y (16) cuando la capsula (1) se conecta en una maquina de fabrication aditiva (2). Un accionamiento (9) hace girar los rodillos de forma que aprisionan entre ellos el extremo (6) del filamento y al rotar lo extraen del interior del compartimento (3) y lo conducen al interior del extrusor (11).
- 9. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun las reivindicaciones 1 a 8,caracterizado porque, el material de aportacion (21) comprende varias bandas (6), (21), (22),(23) y (24) de diferentes colores o propiedades mecanicas. La longitud de cada banda estara previamente calculada en funcion de la cantidad de material de aportacion de cada color o propiedades mecanicas que sea necesaria en cada capa o parte de cada capa de cada objeto o lote de objetos (25) que se desee fabricar.
- 10. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque, comprende maquinas de fabrication aditiva (2) que permiten operar tanto de forma convencional, empleando materiales de aportacion en su forma estandar y requiriendo que el usuario introduzca en la unidad central de control (8) toda la information o datos necesarios para la fabrication, como mediante capsulas (1).
- 11. Sistema de fabrication aditiva por lotes segun las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque, cada capsula (1) puede ser reutilizada una vez agotado el material de aportacion (21), introduciendo nuevamente en su interior material de aportacion.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2575587 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20170411 |