ES2871253T3

ES2871253T3 - Método y dispositivo para la fabricación de piezas moldeadas tridimensionales con tecnología de estructura de capas

Info

Publication number: ES2871253T3
Application number: ES16831889T
Authority: ES
Inventors: Daniel Günther; Christoph Scheck; Lisa Brüller; Ingo Ederer
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2036-12-19
Also published as: US20180369910A1; CN108367354B; EP3393762A1; EP3393762B1; CN116476379A; WO2017108019A9; DE102015016464A1; CN108367354A; DE102015016464B4; WO2017108019A1

Abstract

Método para la fabricación de componentes tridimensionales (004), en donde el material particulado se aplica por capas en un campo de construcción, se aplica un absorbente de forma selectiva, las zonas con absorbente se solidifican a través de una entrada de energía y los pasos se repiten hasta que se haya obtenido el o los</span> componentes tridimensionales; en donde el material particulado (003) se aplica mediante revestidor (021) y el absorbente se aplica selectivamente con un cabezal de impresión (022), el material particulado se solidifica mediante un medio de entrada de energía (026), caracterizado por que el revestidor consiste en un revestidor de cuchilla vibrante (021) que presenta una temperatura de 70°C a 155°C, el material particulado (003) se aplica generando un rodillo de material particulado (011) en la dirección del recubrimiento delante del revestidor (001), el</span> diámetro del rodillo de material particulado (006) es ajustable, y el material particulado se calienta o mantiene a una temperatura de 155°C a 180°C mediante medios de entrada de energía (010) durante la aplicación al campo de construcción.

Description

DESCRIPCIÓN

Método y dispositivo para la fabricación de piezas moldeadas tridimensionales con tecnología de estructura de capas

La presente invención hace referencia a un método y a un dispositivo para la fabricación de modelos tridimensionales mediante tecnología de estructura de capas.

En la patente europea EP 0431 924 B1 se describe un método para la fabricación de objetos tridimensionales a partir de datos informáticos. Allí, se aplica un material particulado en una capa fina a una plataforma y el mismo se imprime selectivamente con un material aglutinante mediante un cabezal de impresión. El área de partículas impresas con el aglutinante se adhiere y solidifica por la influencia del aglutinante y, eventualmente, de un endurecedor adicional. A continuación, la plataforma desciende a un grosor de capa en un cilindro de construcción y se le proporciona una nueva capa de material particulado, que también se imprime como se describió anteriormente. Los pasos mencionados se repiten hasta que se alcanza una determinada altura deseada del objeto. A partir de las áreas impresas y solidificadas se crea un objeto tridimensional.

Dicho objeto fabricado de material particulado solidificado se incrusta en el material particulado suelto después de su finalización y después se libera de él. Esto se realiza, por ejemplo, mediante un aspirador. Lo que queda son los objetos deseados, que después se liberan del polvo residual, por ejemplo, cepillándolos.

Otros procesos de creación rápida de prototipos basados en polvo (también conocidos como métodos de construcción de modelos capa por capa o como tecnología estructura de capas) funcionan de manera similar, como, por ejemplo, la sinterización selectiva por láser o la sinterización por haz de electrones, en cada uno de los cuales se aplica un material particulado suelto en capas y se solidifica selectivamente con la ayuda de una fuente de radiación física controlada.

A continuación, todos estos procesos están incluidos en el concepto "proceso de impresión tridimensional" o proceso de impresión 3-D.

La impresión 3D basada en materiales en polvo y la entrada de aglutinantes líquidos es el método más rápido entre las técnicas de estructura por capas.

Con este método se pueden procesar diferentes materiales en partículas, incluidos entre otros, materiales poliméricos. La desventaja en este, sin embargo, consiste en que el lecho de material particulado no puede exceder una cierta densidad aparente, generalmente 60% de la densidad de sólidos. Sin embargo, la resistencia de los componentes deseados depende en gran medida de la densidad alcanzada. A este respecto, para una mayor resistencia de los componentes sería necesario añadir un 40% o más del volumen de material particulado en forma de aglutinante líquido. Este no sólo es un proceso relativamente lento debido a la entrada de la gota individual, sino que también causa muchos problemas en el proceso, por ejemplo, a causa de la inevitable contracción de la cantidad de líquido durante la solidificación.

En otra forma de ejecución, que se conoce en el campo técnico con el término "High-Speed-Sintering" ("sinterización de alta velocidad"), la solidificación del material particulado se realiza mediante la introducción de radiación infrarroja. Allí, el material particulado se une físicamente mediante un proceso de fusión. En este caso, se utiliza la absorción comparativamente deficiente de radiación térmica en plásticos incoloros. La misma se puede incrementar muchas veces introduciendo un aceptor de infrarrojos (absorbente) en el plástico. La radiación IR se puede introducir a través de diferentes opciones, tales como una lámpara IR en forma de varilla que se mueve uniformemente sobre el campo de construcción. La selectividad se consigue mediante la impresión dirigida de la respectiva capa con un aceptor de IR.

En los puntos que se han impreso, la radiación IR se acopla mucho mejor al material particulado que en las áreas no impresas. Esto conduce a un calentamiento selectivo en la capa por encima del punto de fusión y, por tanto, a una solidificación selectiva. Este proceso se describe, por ejemplo, en las solicitudes EP1740367B1 y EP1648686B1 y a continuación se utiliza para el mismo la abreviatura HSS.

Se conocen diferentes materiales del proceso de sinterización por láser que también se pueden procesar con este método. Con mucho, el material más importante es la poliamida 12. Existen múltiples fabricantes de este material. Para los procesos de construcción por capas se consiguen excelentes resistencias.

El material se puede obtener como un polvo fino que se puede procesar directamente en esta calidad. Sin embargo, debido al proceso de fabricación, existen altos costes que pueden exceder los costes de la poliamida estándar alrededor de un factor de 20-30.

En la sinterización de alta velocidad según el estado del arte, el polvo, al igual que en la sinterización por láser, se lleva a una temperatura cercana al punto de fusión del material a procesar. El polvo "envejece" y sólo se puede utilizar de forma limitada en procesos posteriores. El resultado es una baja tasa de reciclaje, que tiene un impacto negativo en los costes del proceso.

De la solicitud US 20050263933 A1 se conoce, por ejemplo, llevar el polvo al espacio de proceso a 90°C y después calentarlo a temperaturas aún más altas en el espacio de proceso. Esto es particularmente necesario porque cuando se aplica una nueva capa de polvo fresco frío, la capa superior existente experimenta un choque térmico. Cuando la diferencia de temperatura es demasiado elevada, el polvo cristalizará y el componente se deformará. Por lo tanto, el polvo recién aplicado se debe llevar lo más rápido posible a la temperatura de proceso (justo por debajo del punto de fusión del respectivo polímero).

La precisión de los componentes está significativamente influenciada por el control del proceso. La homogeneidad de las variables como la densidad del lecho de polvo y la temperatura en el espacio de construcción es decisivo. Los métodos conocidos de sinterización de alta velocidad y de sinterización por láser implican un gran número de desventajas, que por un lado afectan a la tasa de reciclado y, por otro lado, a los costes del proceso y que, por tanto, incrementan los costes por unidad haciéndolas relativamente costosas. En particular, el envejecimiento del polvo es un problema significativo y la baja tasa de reciclaje asociada es un obstáculo importante para la difusión de este proceso. Hasta ahora, alrededor del 50% del polvo que parcialmente no se usaba tenía que ser reemplazado después de un proceso. Con precios de polvo de aproximadamente 80€/kg y volúmenes de construcción de varios cientos de litros, aquí se requieren altos costes financieros.

Un enfoque para resolver los problemas relacionados con el proceso y reducir así los costes consiste en utilizar polvos más económicos. Sin embargo, existen límites estrechos para este método, ya que la mayoría de los polvos no presentan una "ventana de sinterización" suficiente para ser procesados de manera segura. Esto significa que difícilmente se pueden encontrar variables de proceso estables para el polvo.

Otro enfoque consiste en limitar químicamente el envejecimiento del polvo. Por ejemplo, las máquinas enjuagadas con nitrógeno son comunes en la sinterización por láser. De esta manera se puede prevenir la oxidación del polvo. Sin embargo, el envejecimiento no puede limitarse por completo debido a la naturaleza del proceso, ya que parte de la reacción de solidificación se produce a través de una reacción posterior del polímero. Limitar dicha reacción posterior significaría restricciones de fuerza importantes.

Un problema de los procesos de sinterización de alta velocidad conocidos consiste en el establecimiento de condiciones de proceso ventajosas, tales como, por ejemplo, la ventana de temperatura en referencia a los materiales de partículas utilizados. El proceso de sinterización de alta velocidad combina una gran cantidad de parámetros de proceso y las máquinas de impresión 3D utilizadas aquí presentan una amplia variedad de características estructurales y de componentes, por lo cual es complejo ensamblar los componentes adecuados y establecer una secuencia de proceso ventajosa o mejorada que permita mejorar las condiciones del proceso. Con frecuencia resulta difícil determinar qué cambios de diseño constructivo son necesarios para lograr resultados de proceso aceptables y obtener piezas 3D de alta calidad o para optimizar el proceso.

Además, la implementación de una máquina de sinterización mediante tecnología de inyección en un espacio de construcción caliente requiere complejos mecanismos de enfriamiento para el cabezal de impresión. Cuando la temperatura es demasiado alta, el cabezal de impresión se daña. Por ello, no es posible un funcionamiento permanente en un espacio de construcción caliente.

Además, la construcción del eje se presenta muy compleja, especialmente en máquinas de sinterización con tecnología de inyección, debido a la separación requerida del espacio de construcción caliente.

Además, lo que todas las máquinas de sinterización tienen en común es que el aislamiento y la división necesarios del espacio de construcción son generalmente complejos y costosos.

Cabe mencionar en este sentido que, debido a las pérdidas de calor, la pérdida de energía en la cámara de proceso no sólo conduce a costes de energía adicionales. El tiempo que se tarda en alcanzar la temperatura del proceso en el espacio de construcción, en el cual se puede comenzar el proceso de impresión, reduce en gran medida el rendimiento efectivo de los componentes. Con las máquinas de sinterización disponibles comercialmente, el proceso de calentamiento puede tardar varias horas. Debido a que las partes de la máquina continúan calentándose durante el proceso de impresión, la temperatura de la cámara de proceso debe controlarse mediante un sistema de control complejo, ya que de lo contrario se producen diferentes propiedades de los componentes durante el proceso de impresión por los cambios en las condiciones ambientales. Las tecnologías de inyección utilizadas en el proceso también provocan falta de homogeneidad en las propiedades del cuerpo moldeado debido al cambio dependiente de la temperatura en las propiedades reológicas del fluido absorbente.

Las desventajas del estado de la técnica mencionadas anteriormente tienen un efecto general negativo sobre la escalabilidad del proceso. Los costes de fabricación de las máquinas más grandes aumentan en tal caso considerablemente. Además, a partir de un determinado tamaño resulta muy difícil lograr una distribución homogénea de la temperatura en el espacio del proceso debido a la convección y a la conducción de calor, lo que limita el tamaño de la máquina.

Por tanto, un objeto de la presente invención consistía en proporcionar medios constructivos que permitieran un proceso de HSS mejorado o al menos disminuir o evitar completamente las desventajas del estado del arte.

Otro objeto de la presente invención consistía en proporcionar condiciones de proceso mejoradas en el proceso de HSS o conseguir resultados de proceso mejorados mediante una selección específica de componentes del dispositivo y/o el establecimiento de condiciones de proceso.

Otro problema y otra desventaja en la fabricación de piezas moldeadas en 3D con HSS son los gradientes de temperatura que se presentan sobre la superficie del componente a fabricar y el material de construcción que rodea el componente hasta las áreas de borde de la plataforma de construcción. Esto va acompañado de desventajas que interfieren con el proceso en sí o causan desventajas de calidad, como ondulaciones, deformaciones, inexactitud de la pieza moldeada o mayores deshechos.

En particular, una aplicación uniforme y de temperatura controlada del material de construcción del polvo representa un desafío en los métodos del estado del arte.

Durante el proceso de HSS, la temperatura de la superficie del polvo a granel asciende y desciende selectivamente y, al final del proceso de construcción, la pieza moldeada terminada se enfría por completo.

Idealmente, la temperatura en la pieza moldeada a construir debería ser lo más constante posible a un valor apenas por encima de la temperatura de solidificación y fluctuar sólo en la zona de construcción dentro de un rango acotado de temperatura que exceda el punto de fusión del polvo. A causa de la radiación y la conducción de calor en el material particulado circundante, el borde de la pieza de moldeo se enfría más rápidamente que las áreas internas y se presentan diferencias de temperatura indeseables en la pieza moldeada con las desventajas mencionadas anteriormente.

Otro objeto de la presente invención consistía en proporcionar un método que permitiera una distribución de temperatura constante, controlable y/o sustancialmente uniforme en la pieza moldeada 3D a fabricar y/o conseguir el material de construcción que rodea dicha pieza moldeada durante el proceso de construcción y/o evitar o al menos reducir gradientes de temperatura excesivamente altos y desfavorables sobre la superficie de construcción.

De las solicitudes DE102006055050A1, DE102006023485A1, DE102013206458A1 y DE102005022308B4 se conoce una cuchilla para la aplicación del polvo para el proceso de sinterización, que está diseñada como un revestidor rotativo. Este se guía sobre la superficie del polvo en un movimiento de pivote (comparable a un limpiaparabrisas) y empuja el material particulado frente a él en una especie de rodillo atrapapolvo. Se ha demostrado nuevamente como problemático que el espacio de construcción deba mantenerse a una temperatura alta para que el polvo pueda precalentarse sin enfriarse y el rodillo para aplicar polvo, que el revestidor lleva delante de sí, no se enfríe demasiado durante la aplicación de material.

En el caso del rodillo para aplicar polvo, también ha resultado problemático que el movimiento de rotación a lo largo del radio conduzca a una mayor velocidad de recubrimiento provocando así diferencias en la calidad de los cuerpos moldeados en función de la posición.

Por lo general, el rodillo para aplicar polvo se vuelve más pequeño durante el barrido, de modo que la disipación de calor del lado del rodillo grande (en dirección al centro de rotación) es mayor. El rodillo para aplicar polvo también puede volverse más pequeño a lo largo de la hoja. Estas diferencias de temperatura, dependiendo de la posición del cuerpo moldeado, conducen a diferencias en la calidad de los cuerpos moldeados fabricados.

Por lo expuesto, otro objeto de la presente invención consiste en adaptar las propiedades del rodillo para aplicar polvo de tal manera que no provoque diferencias de calidad en el componente a fabricar.

Breve compendio de la revelación

En un aspecto, la presente invención hace referencia a un método para la fabricación de componentes tridimensionales, en donde el material particulado se aplica por capas en un campo de construcción, se aplica un absorbente de forma selectiva, las zonas con absorbente se solidifican a través de una entrada de energía y los pasos se repiten hasta que se haya obtenido el o los componentes tridimensionales; en donde el material particulado se aplica mediante un revestidor y el absorbente se aplica selectivamente con un cabezal de impresión, el material particulado se solidifica mediante un medio de entrada de energía; en donde el revestidor consiste en un revestidor de hoja oscilante que presenta una temperatura de 70° C a 155° C, el material particulado se aplica produciendo un rodillo de material particulado en la dirección del recubrimiento delante del revestidor, el diámetro del rodillo de material particulado es ajustable, y el material particulado se calienta o mantiene a una temperatura de 155°C a 180°C mediante medios de entrada de energía durante la aplicación al campo de construcción.

En otro aspecto, la revelación hace referencia a un dispositivo para la ejecución de un proceso de impresión 3D, que comprende: a. un campo de construcción, b. un revestidor de hoja oscilante con elemento calefactor, c. un cabezal de impresión, d. uno o más medios de entrada de energía; en donde sobre o junto al revestidor se coloca un medio de entrada de energía que puede moverse junto con él y preferentemente un medio de guía para el ajuste de la temperatura del espacio de construcción mediante el conducto de flujo de aire a través del espacio de construcción. Breve descripción del dibujo

Los ejemplos de ejecución de la presente invención están representados en el dibujo. En los dibujos se muestra:

La Figura 1: un dispositivo para la aplicación de material particulado según el estado de la técnica con un revestidor de hoja,

a) instantánea al comienzo del proceso de recubrimiento;

b) hacia el final del proceso de recubrimiento. En b) se puede observar el rodillo para aplicar polvo claramente más pequeño.

La Figura 2: un dispositivo de aplicación de material particulado según el estado del arte, diseñado mediante un revestidor de rodillo.

La Figura 3: una representación esquemática de la curva de temperatura resultante sobre la superficie del material particulado cuando se utiliza un dispositivo de revestimiento según el estado del arte, vista de la superficie del material particulado desde arriba y cuerpo moldeado resultante en una vista lateral.

La Figura 4: una representación esquemática en detalle del dispositivo según una forma de realización preferida de la invención del revestidor de hoja oscilante, a) durante la aplicación de material particulado, b) durante el llenado, c) realización detallada del movimiento del material particulado durante el proceso de recubrimiento.

La Figura 5: otra forma de realización preferida de un dispositivo para la producción generativa de cuerpos moldeados con material particulado de temperatura controlada.

La Figura 6: una representación esquemática detallada del conducto de aire de un dispositivo con un espacio de construcción frío según una forma de realización preferida de la invención.

La Figura 7: una representación esquemática detallada de un posible diseño constructivo de una unidad de radiador superior con la trayectoria del haz resultante, la intensidad de radiación resultante y la curva de temperatura subsiguiente en la superficie del polvo.

La Figura 8: una representación esquemática de un sistema para el control de la temperatura del fluido absorbente, de acuerdo con otra forma de realización de la presente invención.

La Figura 9: una representación esquemática de un espacio de construcción con informaciones de temperatura para una forma de realización preferida de la invención.

La Figura 10: una representación esquemática del conducto de aire en el espacio de construcción según una forma de ejecución preferida.

La Figura 11: una representación de un dispositivo según la invención con la potencia de un radiador de sinterización, a) durante la sinterización y b) durante el recubrimiento.

Descripción detallada de la revelación

Conforme a la invención, un objeto en el que se basa la solicitud se resuelve porque se combinan ventajosamente de manera selectiva componentes constructivos y parámetros de proceso, lo que conduce a resultados ventajosos del método.

Conforme a la invención, otros objetos en los que se basa la solicitud se resuelven porque en un método para la fabricación de componentes tridimensionales en el cual el material particulado se aplica por capas en un campo de construcción, selectivamente se aplica un absorbente, las zonas con absorbente se solidifican y los pasos se repiten hasta que se haya obtenido el o los componentes tridimensionales, el material particulado se aplica mediante revestidor con control de temperatura. Además, está previsto que el absorbente se aplique selectivamente con un cabezal de impresión y que el material particulado se solidifique selectivamente mediante medios de entrada de energía. El revestidor consiste en este caso en un revestidor de hoja oscilante que se ajusta a una temperatura de 70°C a 155°C. El material particulado se aplica generando un rodillo de material particulado en la dirección del recubrimiento delante del revestidor; en donde el diámetro del rodillo de material particulado es ajustable. Cuando se aplica al campo de construcción, el material particulado se calienta a una temperatura de entre 155° C y 180° C mediante un medio de entrada de energía.

A continuación se explican con más detalle algunos términos de la invención.

En el sentido de la invención, "Pieza moldeada 3D", "cuerpo moldeado" o "componente" son todos objetos tridimensionales fabricados mediante el método conforme a la invención y/o el dispositivo conforme a la invención que presenten estabilidad dimensional.

"Espacio de construcción" hace referencia a la ubicación geométrica en la cual el lecho de material particulado crece durante el proceso de construcción a través del recubrimiento repetido con material particulado o por el cual pasa el lecho en el caso de principios continuos. En general, el espacio de construcción está limitado por una base, la plataforma de construcción, por paredes y una superficie superior abierta, el nivel de construcción. En el caso de los principios continuos, suele haber una cinta transportadora y paredes laterales limitadoras. El espacio de construcción también puede estar diseñado mediante una así denominada como caja de trabajo, que representa una unidad que se puede retraer y extender en el dispositivo y que permite la fabricación por lotes; en donde una vez completo el proceso, una caja de trabajo sale y una nueva caja de trabajo ingresa, aumentando así el volumen de producción y por lo tanto el rendimiento del dispositivo.

La "fase de calentamiento" caracteriza el calentamiento del dispositivo al comienzo del método. La fase de calentamiento se completa cuando la temperatura real del dispositivo alcanza un valor estable.

La "fase de enfriamiento" se refiere al tiempo que se requiere para enfriar el material particulado de modo que los componentes contenidos en el mismo no experimenten ninguna deformación plástica apreciable cuando se retiran del espacio de construcción.

Como "materiales particulados" o "materiales de construcción en partículas" o "materiales de construcción" se pueden utilizar todos los materiales conocidos para la impresión 3D en polvo, particularmente, polímeros, cerámicas y metales. El material particulado consiste preferentemente un polvo seco que fluye libremente, pero también se puede utilizar un polvo cohesivo resistente al corte o un líquido cargado de partículas. En este documento, material particulado y polvo se utilizan como sinónimos.

La "aplicación de material particulado" es el proceso en el que se produce una capa definida de polvo. Esto se puede realizar en la plataforma de construcción o en un plano inclinado con respecto a una cinta transportadora en el caso de principios continuos. La aplicación de material particulado también se denomina a continuación "revestimiento" o "recubrimiento".

De acuerdo con la invención, la "aplicación selectiva de líquido" se puede realizar después de cada aplicación de material particulado o, dependiendo de los requisitos del cuerpo moldeado y para optimizar la fabricación del cuerpo moldeado, también se puede realizar de forma irregular, por ejemplo, varias veces en referencia a una aplicación de material particulado. Allí, a través del cuerpo deseado se imprime una vista en sección.

Cualquier dispositivo de impresión 3D conocido que contenga los componentes requeridos puede utilizarse como "dispositivo" para realizar el método conforme a la invención. Los componentes habituales incluyen revestidor, campo de construcción, medios para mover el campo de construcción u otros componentes en procesos continuos, dispositivos de dosificación y medios de calentamiento y radiación y otros componentes conocidos por el experto, que por lo tanto no se detallan aquí.

En el sentido de esta invención, el "absorbente" consiste en un medio que puede ser procesado con un cabezal de impresión a chorro de tinta o con otro dispositivo que funcione como una matriz y promueva la absorción de radiación para el calentamiento local del material de construcción. El absorbente también puede ser particulado, como, por ejemplo, tóner negro. Los absorbentes se pueden aplicar de manera uniforme o selectiva en diferentes cantidades. El absorbente se puede aplicar, por ejemplo, como una mezcla de absorbentes con diferentes máximos de absorción o como diferentes absorbentes independientes entre sí, por ejemplo, uno tras otro, de manera alternada o en una secuencia predeterminada. Cuando se aplica en diferentes cantidades, se puede controlar así la resistencia en el material de construcción y conseguir selectivamente diferentes resistencias, por ejemplo, en la pieza moldeada que se va a fabricar y el revestimiento que la rodea. El rango de resistencia se extiende desde una resistencia como en el propio componente hasta una resistencia que es sólo insignificantemente más alta que la del material de construcción sin una impresión de absorbente. De esta manera resulta posible regular la temperatura en el campo de construcción/ espacio de construcción y, si se desea, retirar fácilmente el revestimiento, que se utiliza para regular la temperatura alrededor del componente fabricado.

La "Absorción" se refiere a la absorción de energía térmica de la radiación a través del material de construcción. La absorción depende del tipo de polvo y de la longitud de onda de la radiación.

A continuación, "medios de entrada de energía" significa una fuente para la introducción de energía en el espacio de construcción y/o en el material particulado y/o en las áreas impresas con absorbente. Esto puede consistir, por ejemplo, en una fuente de energía para el control de la temperatura o para el calentamiento del material particulado, incluso antes de la introducción del absorbente. Sin embargo, también podría tratarse de la irradiación del campo de construcción con fuentes de radiación fijas o móviles. Cuando la fuente de radiación se utiliza para solidificar después de la introducción del absorbente, el absorbente está preferentemente adaptado al tipo de radiación y preferentemente optimizado. Esto debería conducir a diferentes grados de calentamiento del polvo "activado" y no "activado". “Activado” significa que la impresión del absorbente aumenta la temperatura en estas áreas en comparación con las otras áreas del espacio de construcción y con las áreas de material particulado no impresas con absorbente.

En este documento, "calentamiento IR" significa específicamente una irradiación del área de construcción con un radiador por infrarrojo. El radiador también puede ser estático o se puede mover sobre el campo de construcción con una unidad móvil. Mediante el uso del absorbente, el calentamiento por infrarrojos en el campo de construcción conduce a aumentos de temperatura de diferentes intensidades.

Un "radiador IR" es una fuente de radiación infrarroja. Por lo general, se utilizan alambres incandescentes en carcasas de cuarzo o de cerámica para generar la radiación. Dependiendo de los materiales utilizados, existen diferentes longitudes de onda de radiación. La longitud de onda de este tipo de radiadores también depende de la potencia.

En el sentido de la presente invención, una "lámpara superior" o "radiador superior" es una fuente de radiación que se fija encima del campo de construcción. Dicha fuente es estacionaria pero su potencia de radiación se puede regular.

Una "lámpara de sinterización" es el medio de entrada de energía que puede calentar el polvo de proceso (material de construcción particulado) por encima de su temperatura de sinterización. La lámpara puede estar fija. En realizaciones preferidas, se mueve sobre el campo de construcción.

"Sinterización" o "fusión" es el término para la coalescencia parcial de las partículas en el polvo. En este sistema, la sinterización está relacionada con la acumulación de resistencia.

El concepto "ventana de sinterización" hace referencia a la diferencia de temperatura entre el punto de fusión que se produce cuando el polvo se calienta por primera vez y el punto de solidificación que se produce cuando el polvo se enfría posteriormente.

La "temperatura de sinterización" es la temperatura a partir de la cual el polvo se funde y se une por primera vez. Por debajo de la "temperatura de recristalización", el polvo una vez ya fundido se solidifica nuevamente y se contrae significativamente.

"Tasa de reciclaje" hace referencia a la relación entre la cantidad de material particulado que se puede usar para una nueva ejecución del proceso después de completar el proceso de construcción y la cantidad total de material particulado que se requiere para una ejecución del proceso. Los materiales particulados, cuyas propiedades se modifican debido al proceso de construcción, requieren en algunos casos una adición de una proporción de material particulado no utilizado en el proceso. Un ejemplo típico de ello es la poliamida 12, que se daña térmicamente de forma irreversible cuando se calienta cerca del punto de fusión.

La "densidad de relleno" describe el llenado del espacio geométrico con sólidos. El mismo depende de la naturaleza del material particulado y del dispositivo de aplicación y es una variable de salida importante para el proceso de sinterización.

El término "contracción" hace referencia al proceso de acotamiento geométrico de una dimensión de un cuerpo geométrico como resultado de un proceso físico. Por ejemplo, la sinterización de polvos que no están envueltos idealmente es un proceso que provoca contracción en relación con el volumen inicial. A una contracción se puede asignar una dirección.

La "deformación" ocurre cuando el cuerpo experimenta una contracción desigual durante un proceso físico. Dicha deformación puede ser reversible o irreversible. La deformación suele estar relacionada con la geometría general del componente.

El material de construcción siempre se aplica en una "capa definida" o en un "grosor de capa", que se ajusta individualmente en función del material de construcción y las condiciones del proceso. El grosor alcanza, por ejemplo, de 0,05 a 0,5 mm, preferentemente de 0,1 a 0,3 mm.

El "control de temperatura" hace referencia al ajuste de una temperatura deseada en el espacio de construcción, que puede mantenerse constante o variar cíclicamente. De manera preferida, una temperatura base se ajusta en un valor seleccionado. “ Controlar la temperatura” también indica un ajuste de temperatura deseado del material particulado aplicado o del material particulado en el revestidor.

En el sentido de la invención, por "campo de construcción" se entiende la zona del dispositivo sobre la cual se aplica el material particulado.

El "revestidor" se utiliza para la aplicación de material particulado sobre el campo de la construcción. De acuerdo con la presente invención, en este caso se trata de un revestidor de hoja oscilante. Los revestidores de hoja oscilante se conocen en general del estado del arte. Qué hoja se utiliza, con qué ángulo, radio, velocidad, amplitud, etc. se selecciona de acuerdo con el material particulado utilizado y se puede ajustar especialmente.

El "rodillo de material particulado" es el material particulado que se aplica al campo de construcción en la dirección del recubrimiento delante del revestidor y que se conforma por el movimiento del revestidor como un rodillo de material particulado que avanza delante del revestidor.

El "diámetro del rodillo de partículas" en el sentido de la revelación consiste en la mayor dimensión medida en la dirección de aplicación del rodillo, que se genera delante del revestidor (revestidor) y que preferentemente conforma un semicírculo a un cuarto de círculo. La dimensión puede valer entre 2 y 10 mm, preferentemente entre 2 y 4 mm y de manera muy preferida 4 mm. Este diámetro se ajusta a las otras condiciones del proceso y se modifica o ajusta en función del material particulado, los aditivos del material de partículas, el diámetro medio de partículas, la distribución del diámetro de partículas, la fluidez del material particulado.

En el sentido de la revelación, el "medio de guía para la guía del flujo de aire" hace referencia a cualquier medio adecuado para conducir un flujo de aire en el dispositivo de una manera dirigida hacia y/o a través del espacio de construcción, esto incluye, por ejemplo, láminas, mangueras, piezas moldeadas de plástico, piezas moldeadas de metal, etc.

Según la presente invención, por "unidades de construcción" se entienden todas aquellas unidades necesarias para la construcción de la pieza moldeada y que están dispuestas al menos parcialmente encima del campo de construcción. Estas son, por ejemplo, el revestidor, la impresora, eventualmente también los medios de entrada de energía, etc. De acuerdo con la presente invención, en su mayoría se trata de unidades que deben disponerse a una distancia definida de la capa de material particulado que se va a aplicar.

En el sentido de la presente invención, un "medio reflector" es un componente que refleja radiación, por ejemplo, una chapa o una lámina, que dirige localmente la radiación de los medios de entrada de energía utilizados y, por lo tanto, permite una irradiación uniforme de ciertas superficies evitando las pérdidas de calor en forma de radiación no deseada.

A continuación se describen diferentes aspectos de la invención.

La presente invención hace referencia a un método para la fabricación de componentes tridimensionales; en donde el material particulado se aplica por capas en un campo de construcción, se aplica un absorbente de forma selectiva, las zonas con absorbente se solidifican a través de una entrada de energía y los pasos se repiten hasta que se haya obtenido el o los componentes tridimensionales; en donde el material particulado se aplica mediante revestidor y el absorbente se aplica selectivamente con un cabezal de impresión, el material particulado se solidifica mediante un medio de entrada de energía, caracterizado por que el revestidor consiste en un revestidor de hoja oscilante que presenta una temperatura de 70° C a 155° C, el material particulado se aplica generando un rodillo de material particulado en la dirección del recubrimiento delante del revestidor, el diámetro del rodillo de material particulado es ajustable, y el material particulado se calienta o mantiene a una temperatura de 155° C a 180° C mediante medios de entrada de energía durante la aplicación al campo de construcción.

Con el método conforme a la invención se ha encontrado una combinación particularmente ventajosa de diferentes condiciones de proceso, que sorprendentemente conduce a resultados de proceso muy ventajosos y permite la fabricación de piezas moldeadas en 3D de alta calidad en el proceso HSS.

Preferentemente, antes de cada aplicación de material particulado, el campo de construcción se reduce a una distancia definida. También es posible que las unidades estructurales, es decir, las unidades que están necesariamente dispuestas a una distancia definida del campo de construcción para la construcción del material particulado se eleven a una distancia definida; en donde dicha distancia definida corresponde preferentemente al grosor de capa del material particulado aplicado.

Se utiliza un absorbente adecuado para las otras condiciones del método; en donde el absorbente es un líquido, que es preferentemente una tinta a base de aceite que contiene partículas de carbono. Un ejemplo de una tinta adecuada es la SunChemical Jetstream PC07774 B.

De manera preferida, en el método conforme a la invención se utiliza un material de construcción en partículas con un tamaño de grano promedio de 50 - 60 mm, preferentemente de 55 mm, con una temperatura de fusión de 180° C - 190° C, preferentemente de 186° C y/o con una temperatura de recristalización de 140° C -150° C, preferentemente de 145° C. Ejemplos de este tipo de materiales de construcción son: la poliamida 12, PA2200® o Duraform PA®.

El ciclo de la aplicación de la capa se selecciona de acuerdo con los otros parámetros del proceso y un ciclo completo de una aplicación de la capa dura, por ejemplo, de 20 a 40 segundos. Por un "ciclo completo de una aplicación de capa" se entiende la secuencia en la cual el revestidor y la unidad de impresión se deslizan respectivamente sobre la superficie completa del campo de construcción.

La temperatura base se establece ventajosamente en 145° C a 186 ° C, preferentemente 160° C a 180° C y/o la temperatura de sinterización se ajusta en 175° C a 220° C, preferentemente en 190° C a 210° C.

De acuerdo con una forma de ejecución preferida, el absorbente es un líquido, preferentemente una tinta a base de aceite que contiene partículas de carbono, por ejemplo, SunChemical Jetstream PC07774 B; en donde el absorbente comprende preferentemente componentes absorbentes de radiación, plastificantes para el material particulado y/o una o más sustancias para interrumpir la recristalización.

El revestidor presenta en este caso preferentemente una o múltiples hojas oscilantes y un depósito de material particulado. Allí, la temperatura en el depósito de material particulado del revestidor se ajusta en 70° C a 155° C, preferentemente en 80° C a 155° C, de manera aún más preferida en 130° C a 155° C. La temperatura del material particulado en el revestidor se puede controlar mediante elementos calentadores en o sobre el revestidor.

La temperatura del material particulado durante la aplicación debe ser preferentemente de 80° C a 160° C, preferentemente de 130° C a 155° C.

Según una forma de realización preferida de la invención, el diámetro del rodillo de material particulado vale de 1 a 8 mm, preferentemente de 2 a 6 mm, incluso más preferentemente de 3 a 5 mm.

También puede resultar ventajoso que las dimensiones del rodillo de material particulado se mantengan esencialmente constantes durante la aplicación del material particulado. De manera incluso más preferida, la temperatura en el rodillo de material particulado se mantiene constante durante la aplicación del material particulado. Preferentemente, se utiliza un medio de entrada de energía sobre o en el área del revestidor, que ventajosamente también puede ser móvil.

La entrada de energía se puede realizar con un medio de entrada de energía situado encima del campo de construcción y/o con un medio de entrada de energía móvil dispuesto detrás del revestidor. De acuerdo con una forma de ejecución preferida, la entrada de energía se realiza mediante medios de entrada de energía después de la aplicación del material particulado.

En este caso, los medios de entrada de energía pueden ser, por ejemplo, un radiador superior y/o una lámpara infrarroja.

Según una forma de ejecución particularmente preferida de la invención, el radiador superior se ajusta de modo que prevalezca una temperatura de 30° C a 180°C en el espacio de construcción. Las condiciones de temperatura se regulan preferentemente de tal manera que en el material particulado aplicado se ajuste una temperatura de 160° C a 190° C, preferentemente de 180° C a 190° C.

Preferentemente, en el método conforme a la invención se aplica material particulado mediante recubrimiento, después se aplica selectivamente absorbente mediante uno o más cabezales de impresión, la entrada de energía se realiza mediante medios de entrada de energía móviles y controlables, preferentemente de forma inmediata después de la aplicación del material particulado y/o del absorbente; el medio de entrada de energía se desliza sobre el campo de construcción después del recubrimiento, y/o antes de la aplicación del material particulado se realiza una pre-exposición mediante medio de entrada de energía, y eventualmente, la entrada de energía se realiza adicionalmente mediante otro medio de entrada de energía situado encima del campo de construcción; en donde este otro medio es controlable o está operativo durante todo el método.

De acuerdo con una forma de realización particularmente preferida de la invención, para el ajuste de una temperatura deseada en el espacio de construcción, se conduce un flujo de gas, preferentemente un flujo de aire, a través del espacio de aire del espacio de construcción.

El flujo de aire puede ser conducido al espacio de construcción desde arriba y/o lateralmente a través de medios de guía, esencialmente puede ser conducido sobre el campo de construcción o circular sobre él y salir nuevamente del espacio de construcción hacia arriba y/o hacia los laterales.

La temperatura en el espacio de construcción debería ajustarse preferentemente entre 30° C y 60° C, preferentemente entre 30° C y 40° C. Se podría decir que se desea generar un espacio de construcción frío. Estos aspectos del espacio de construcción frío también se pueden utilizar en el conocido proceso de sinterización por láser. Para ello, el especialista realizará las modificaciones en el método que conoce de sinterización por láser y en las características necesarias del dispositivo que conoce. En correspondencia, se utilizará una lámpara láser para solidificar el material particulado.

Esto se puede lograr, por ejemplo, cuando en el espacio de construcción se proporcionan conductos de aire. En una forma de realización, se consideraría una aspiración constante, controlada por flujo (anemómetro) y el control de la aspiración (por ejemplo, MKFVA320 de la fábrica Fuchs Umwelttechnik). Además, el espacio de construcción frío podría obtenerse o reforzarse proporcionando un conducto de aire claramente definido en la cámara de proceso. Las láminas del radiador superior también pueden servir como protección contra la convección.

El precalentamiento controlado y dirigido del material particulado en el revestidor, en donde la cantidad de material particulado es pequeña y constante, puede evitar un calentamiento innecesario del espacio de construcción.

La superficie del polvo también se puede calentar mediante una disposición especial de los radiadores superiores; en donde se utilizan reflectores adaptados y calculados. El resultado es una disipación de calor significativamente menor en el espacio de construcción.

La irradiación de la superficie de polvo con radiadores de sinterización se puede optimizar considerando los reflectores, la longitud de onda correcta o los radiadores monocromáticos, la sincronización precisa del control de la máquina (= minimizando el tiempo en el que el radiador de sinterización está activo).

Cuando se utiliza una calefacción del campo de construcción (base y paredes) en la caja de trabajo, el tiempo de precalentamiento de las paredes metálicas es menor que el aire en el espacio de construcción. Las paredes de la cámara de proceso se pueden diseñar geométricamente de tal manera que el equilibrio de radiación (ley de radiación de Kirchhoff) conduzca a una pérdida mínima de calor en la superficie del polvo.

Cuando el sistema de recubrimiento está diseñado en dos ejes móviles separados, respectivamente uno para la aplicación de material particulado (eje de recubrimiento) y otro para absorbedor (eje del cabezal de impresión), entonces el tiempo de recubrimiento de los radiadores superiores también es acotado, lo que a su vez mantiene reducidas las pérdidas de calor por calentamiento de los elementos de la máquina (sistema de ejes). Debido al menor tiempo de cobertura de los radiadores superiores, ventajosamente el campo de construcción no se enfría tanto y entonces no resulta necesario calentarlo nuevamente tanto utilizando energía. Esto da como resultado una ventaja en términos de rentabilidad de la máquina y del método.

En otro aspecto, la presente invención hace referencia a un dispositivo para la ejecución de un método según la invención.

En otro aspecto, la presente invención hace referencia a un dispositivo para la ejecución de un proceso de impresión 3D, que comprende: a. un campo de construcción, b. un revestidor de hoja oscilante con elemento calefactor, c. un cabezal de impresión, d. uno o más medios de entrada de energía; en donde sobre o junto al revestidor se coloca un medio de entrada de energía que puede moverse junto con él y preferentemente se proporcionan medios de guía para el ajuste de la temperatura del espacio de construcción mediante el conducto de flujo de aire a través del espacio de construcción.

De acuerdo con la presente invención, se utiliza un revestidor de hoja vibrante en un proceso de sinterización de construcción por capas. Opcionalmente, el depósito de polvo que se arrastra está realizado con calentamiento por resistencia regulada, de modo que la temperatura del polvo se pueda controlar inmediatamente antes de la aplicación.

De manera preferida, en el revestidor sólo se encuentra una pequeña cantidad de polvo y el revestidor se llena aproximadamente cada 10 capas desde un gran depósito de polvo estacionario que no necesita que ser calentado. El ritmo de llenado se puede modificar. Por ejemplo, el llenado también sería posible después de cada capa, por ejemplo, de tal modo que la cantidad de polvo en el contenedor de polvo arrastrado por el revestidor permanezca igual para cada capa y, por tanto, no se produzcan fluctuaciones de temperatura dentro de la capa aplicada al espacio de construcción.

El revestidor presenta una ranura a través de la cual sale polvo tan pronto como la hoja oscilante vibra. El tamaño de dicha ranura se puede modificar con herramientas sencillas para que no sea necesario reemplazar piezas de la máquina cuando se utilizan diferentes materiales de partículas.

En este caso, dos medios de entrada de energía pueden estar colocados de forma fija y/o móvil sobre el campo de construcción Preferentemente un medio de entrada de energía está posicionado de forma móvil sobre o junto al revestidor de hoja oscilante.

Un medio de entrada de energía puede ser, por ejemplo, un radiador superior, preferentemente un elemento calefactor cerámico superior, y un medio de entrada de energía puede ser, por ejemplo, un radiador por infrarrojos. Preferentemente, uno o varios medios reflectores pueden estar colocados encima del campo de construcción y de los medios de entrada de energía.

La carrera del revestidor de hoja oscilante se puede generar preferentemente mediante un eje excéntrico y/o la carrera puede ser de 0,05 - 0,3 mm, preferentemente de 0,15 mm, y/o la frecuencia de oscilación alcanzar entre 30 Hz y 150 Hz y/o la frecuencia de oscilación se puede controlar electrónicamente. Preferentemente se trata de 50 a 80 Hz.

Cuando la frecuencia de oscilación del revestidor se ajusta electrónicamente, la cantidad de salida de polvo se puede influenciar de manera dirigida durante el proceso de recubrimiento. En una aproximación óptima resulta una relación lineal entre la salida de polvo y la frecuencia. De esta manera, cuando se cambia a un material particulado que difiere en las propiedades reológicas, se puede realizar una adaptación a través de un software de ajuste previo, sin necesidad de intervenir mecánicamente.

La siguiente tabla muestra ejemplos de valores para las frecuencias de oscilación preferidas:

Además, la posición angular de la salida de polvo del revestidor se puede cambiar, lo que significa que el polvo se puede comprimir en diferentes grados cuando se aplica la capa (es posible el efecto de fuerza hacia abajo). De esta forma se puede influir en la densidad de llenado de los cuerpos moldeados fabricados.

En un método y un dispositivo de acuerdo con la invención, el material particulado que sale de la ranura del revestidor, el rodillo para aplicar polvo permanece constante en su cantidad durante la aplicación de la capa (y en el caso de un depósito calentado, también en la temperatura). Como resultado, la disipación de calor desde la superficie del campo de construcción más caliente hasta el rodillo para aplicar polvo generalmente más frío permanece constante durante el proceso de recubrimiento. En comparación con el estado del arte, por lo tanto, no se presenta una curva de temperatura sobre la superficie de polvo debido a la aplicación de la capa. Esto también da como resultado propiedades físicas y geométricas idénticas para los cuerpos moldeados que se crearán, independientemente de su posición en el campo de construcción.

A causa del tamaño constante del rodillo para aplicar polvo, la fuerza que actúa sobre la superficie de polvo del volumen de construcción también permanece constante durante la aplicación de la capa.

Cuando el tamaño de la ranura y la frecuencia de vibración están coordinados, la cantidad de polvo que sale durante el proceso de recubrimiento se puede mantener lo más baja posible (= rodillo para aplicar polvo pequeño). De esta manera, el área de contacto con la cantidad de polvo ya aplicada de capas anteriores se puede minimizar de manera dirigida. La disipación de calor lejos del volumen de construcción y las fuerzas de corte se pueden mantener bajas. Esto hace que el proceso de aplicación de la capa sea menos propenso a errores, aumenta la unión entre las capas individuales, lo que conduce a una mejor resistencia del cuerpo moldeado (por ejemplo, aumento del alargamiento de rotura en un factor de 1,5).

Dado que el material particulado sólo sale tan pronto como el revestidor se pone en vibración y esto se puede conmutar eléctricamente, el material particulado se puede aplicar de manera específica sólo allí donde se desee. Cuando se producen errores durante el recubrimiento, por ejemplo, cuando una parte de la superficie no está cubierta con material particulado, esto se compensa automáticamente cuando se aplica la siguiente capa sin la intervención de un mecanismo de control, ya que la cantidad del material particulado del rodillo para aplicar polvo inicialmente disminuye, aunque sólo mientras la ranura ya no se cubre y, por lo tanto, el material particulado continúa saliendo del contenedor arrastrado. Debido a que ambos procesos están en equilibrio, la aplicación de capas se estabiliza automáticamente en caso de falla.

La generación de la carrera del revestidor de hoja oscilante se puede generar aquí de manera eléctrica, electrodinámica, electrostática, neumática, hidráulica y/o con un motor lineal.

De manera particularmente preferida, la generación de la carrera del revestidor de hoja oscilante se genera con un actuador electromagnético y/o el mismo está diseñado como bobina móvil y/o se regula a una carrera y frecuencia constantes mediante un análisis de corriente-tensión que depende de la frecuencia y/o a través de un sensor de aceleración y/o la carrera y la frecuencia están diseñadas para ser ajustables electrónicamente.

Con los parámetros del método mostrados anteriormente en la combinación representada, resultó sorprendentemente posible obtener resultados del método muy ventajosos.

Con el método y el dispositivo conforme a la invención, los problemas o desventajas expuestos con anterioridad al menos se reducen o se evitan por completo. Los costes de construcción y materiales se pueden reducir y los componentes sensibles (cabezal de impresión, sensores, etc.) se pueden proteger.

Además, se minimizan los costes para garantizar la seguridad de la máquina. Los costes de construcción y de materiales se mantienen reducidos.

Por otro lado, las condiciones de impresión se mantienen estables durante todo el proceso de construcción.

Un enfriamiento del líquido absorbente es posible sin que se presente condensación en la unidad de dosificación del cabezal de impresión ya que el líquido absorbente se puede mantener a una temperatura baja constante. Esto permite un proceso de procesamiento estable (viscosidad, estabilidad química).

La tinta puede se puede mantener contante a una temperatura relativa baja (aprox. 40° C a 50° C). De esta manera se obtienen propiedades de componentes constantes, porque las propiedades reológicas de una tinta dependen de la temperatura. A mayores temperaturas, por ejemplo, la cantidad de tinta aplicada puede aumentar o la calidad de impresión disminuye.

Como resultado de los acotados tiempos de calentamiento de la máquina que ahora son posibles, las propiedades de los componentes también permanecen aproximadamente iguales durante todo el trabajo de impresión.

El material de construcción puede presentar cualquier forma y medio adecuados que se puedan aplicar con el dispositivo. El dispositivo utilizado para el método se puede adaptar a los materiales de construcción con medios adecuados y estructuralmente con medios conocidos. El material de construcción se utiliza preferentemente como polvo o dispersión.

A continuación se describen otros aspectos de la invención.

El método según el estado de la técnica consiste en las etapas de producción de capas, impresión, exposición a la radiación y descenso. El primer paso es análogo a la conformación de capas en la conocida impresión 3D en base a polvo. El polvo se coloca frente a una hoja, se aplica a una plataforma de construcción y se alisa con la hoja. La posición de la plataforma de construcción en dos procesos de recubrimiento sucesivos determina el grosor de la capa.

A continuación, la capa se imprime. En el proceso mencionado aquí, los líquidos se aplican con un cabezal de impresión por chorro de tinta. Una parte del líquido es un absorbente que, cuando se expone a la radiación, hace que el polvo se caliente localmente. Alternativamente, el absorbente también puede ser un polvo, preferentemente un tóner de carbono, que se aplica selectivamente de una manera adecuada.

De esta manera, la capa impresa se barre entonces con una fuente de radiación, calentándose así selectivamente. La fuente de radiación calienta todo el polvo. Pero sobre todo en las zonas activadas la temperatura aumenta hasta tal punto que las partículas empiezan a sinterizarse y a unirse.

Después de este paso, el campo de construcción se reduce en un grosor de capa. Después se repiten todos los pasos mencionados anteriormente o, si es necesario, los elementos de revestimiento se elevan hasta que se haya creado el componente deseado.

La presente invención se explica con más detalle a continuación con la ayuda de ejemplos que representan formas de realización preferidas.

En la figura 1 está representado un dispositivo para la aplicación de material particulado con una revestidor de hoja (001) según el estado del arte. Al comienzo del proceso de revestimiento, véase la figura 1a, el revestidor de hojas se encuentra en el borde del campo de construcción sobre una plataforma de construcción (005) para aplicar material particulado (003) a partir del cual se conformará un cuerpo moldeado. Delante del revestidor de hoja (001) se conforma un rodillo para aplicar polvo (006). En la Figura 1b está representado el proceso de recubrimiento hacia el final de un ciclo de recubrimiento. Allí, se puede observar claramente que el rodillo para aplicar polvo (006) se ha vuelto más pequeño.

En la figura 2 está representado otro dispositivo según el estado de la técnica para aplicar material particulado (003). En este caso, en lugar del revestidor de hojas se utiliza un rodillo revestidor (002).

La figura 3 muestra una representación de la curva de temperatura sobre la superficie del material particulado cuando se utiliza un dispositivo de revestimiento según el estado del arte. Allí, también hay una vista de la superficie del material particulado (009) desde arriba y, más lejos, los cuerpos moldeados resultantes (004) se muestran en una vista lateral. Se puede concluir que a temperaturas más bajas el resultado son cuerpos moldeados con un conjunto de capas deficiente (008), mientras que a temperaturas más elevadas los cuerpos moldeados presentan un conjunto de capas alto (007).

En la figura 1 se muestra una representación esquemática detallada del dispositivo según una forma de realización preferida de la invención del revestidor de hoja oscilante. El ejemplo que se muestra se trata de un dispositivo para el recubrimiento de material particulado por mediante un revestidor de hoja oscilante calentado.

En la figura 4 a) está representado esquemáticamente un dispositivo para recubrimiento de material particulado. El dibujo muestra un revestidor de hoja oscilante durante la aplicación del material particulado. El mismo se caracteriza en esencia estructuralmente por presentar un contenedor que contiene el material particulado (003) a aplicar, el cual se pone en vibración mediante el movimiento giratorio de un excéntrico (013) con una carrera en milímetros entre 0,02 y 0,3, preferentemente entre 0,05 a 0,2, con especial preferencia entre 0,07 y 0,15. La articulación giratoria (014) marca el centro de rotación del movimiento de oscilación. El material particulado arrastrado (003) se pone en vibración, lo que aumenta considerablemente la fluidez. El material particulado (003) sale así del contenedor de almacenamiento hasta que el polvo que ha salido cubre la ranura (012) mediante el rodillo para aplicar polvo resultante (011). Cuando el revestidor se mueve ahora en la dirección de la flecha sobre la plataforma de construcción descendida (005), la distancia entre el revestidor y la superficie de polvo (009) se llena con material particulado (003) del rodillo para aplicar polvo (011) arrastrado. La cantidad de material particulado (003) del rodillo para aplicar polvo (011) disminuye así hasta que la ranura (012) ya no se cubre y, por lo tanto, el material particulado (003) continúa saliendo del recipiente que se arrastra. Dado que ambos procesos están en equilibrio, el tamaño del rodillo para aplicar polvo (011) siempre permanece constante. Además, a través de una calefacción por resistencia eléctrica (010) el suministro de material particulado (003) se mantiene a una temperatura elevada constante, preferentemente entre 80° C y 180° C, de manera particularmente preferida entre 90° C y 170° C, de manera particularmente preferida entre 130° C y 150° C. A causa del flujo de salida constante del contenedor de partículas y, por lo tanto, del tamaño constante del rodillo para aplicar polvo durante el proceso de recubrimiento, la disipación de calor es siempre constante debido a la diferencia de temperatura con respecto a la superficie del material particulado (009). De esta manera, no es necesaria la adición de un fluidificante al material particulado, como el que se agrega frecuentemente según el estado del arte, lo cual mejora el manejo y la estabilidad del proceso de recubrimiento, ya que así se reducen considerablemente los errores en la dosificación del material, por ejemplo, debido a aglutinaciones.

La figura 4 b) muestra un dispositivo para el llenado del revestidor de material particulado mediante nivel de llenado (015) . Allí, el llenado del depósito de partículas del revestidor de hoja oscilante está esbozado esquemáticamente. El mismo se trata del asá denominado como llenado de nivel (015). El material particulado (016) sin control de temperatura del depósito, que se encuentra preferentemente en la misma posición en el dispositivo que en la posición de reposo del revestidor de hojas oscilantes, fluye hacia el contenedor arrastrado por el revestidor hasta que el mismo está completamente lleno. El llenado tiene lugar preferentemente durante la aplicación del absorbente mediante el eje del cabezal de impresión, de modo que así no se pierde tiempo. La ventaja del llenado de nivel consiste en que siempre se agrega la misma cantidad de material particulado. Así, el tiempo de permanencia del material particulado en el contenedor arrastrado permanece constante sin ningún esfuerzo de control, lo que, debido a una tasa de calentamiento constante del contenedor, conduce a una temperatura del material particulado que se mantiene constante en el tiempo. El tamaño del contenedor en el revestidor que arrastra consigo el material particulado (003) se selecciona preferentemente de modo que dicho material pueda recibir múltiples capas. Asimismo, la tasa de recarga en la posición de reposo se debe seleccionar preferentemente más alta que la salida de material debido a la tasa de dosificación del revestidor, de modo que esté garantizado que el tiempo de permanencia del material particulado en el revestidor sea suficiente para llevarlo homogéneamente a la temperatura deseada.

En la Figura 4c) se muestra una realización detallada del movimiento del material particulado durante el proceso de recubrimiento. Sobre la superficie del espacio de construcción (018) se aplica una nueva capa de material particulado (019) con la ayuda de una hoja niveladora (020).

Un dispositivo para la fabricación de componentes tridimensionales (004) en una cámara de proceso en frío (023) se muestra esquemáticamente de forma simplificada en la figura 5. El control de temperatura requerido de la superficie del material particulado (003) se realiza mediante los siguientes elementos: Una calefacción por resistencia controlada (025) asegura una temperatura temporal y espacialmente constante de 170° C dentro del material particulado aplicado (003), por ejemplo, un PA12, preferentemente PA2200 o Duraform PA, incluida la parte del cuerpo moldeado (004) que ya ha sido producido. (024) indica esquemáticamente un aislamiento térmico. Un radiador superior (026) asegura la distribución homogénea de la temperatura superficial de 170° C del material particulado en términos de tiempo y espacio. La unidad de recubrimiento (021) está diseñada preferentemente mediante una calefacción por resistencia eléctrica para precalentar el material particulado arrastrado en un contenedor antes de la aplicación de la capa. El cabezal de impresión (022) se encuentra en posición de reposo fuera de la influencia de los elementos calefactores dentro de la cámara de proceso (023), que presenta una temperatura de 40° C.

La figura 6 muestra con mayor detalle un conducto de aire (028) en la cámara de proceso (23), así como reflectores o la protección contra convección (027), diseñados como parte de las unidades de radiadores superiores (026). Un pirómetro (029) mide la temperatura de la superficie del polvo por cada capa y regula la potencia de las lámparas superiores para que se pueda alcanzar una temperatura constante en ellas.

Un posible diseño constructivo de los reflectores de haz se muestra esquemáticamente en la figura 7. La trayectoria del haz está indicada con (030), al igual que la potencia resultante (033) sobre la superficie del polvo; en donde (032) indica el borde de esta, así como la curva de temperatura (034). La razón de ello es la validez del equilibrio de radiación de la radiación absorbida y emitida de acuerdo con la ley de Kirchhoff:

La figura 8 muestra esquemáticamente un sistema para controlar la temperatura del fluido absorbente. En el sistema descrito, el fluido absorbente circula continuamente durante un proceso de construcción de modo que se pueda conseguir una temperatura homogénea del fluido. El fluido se guía primero desde el depósito de fluido (040) a través de líneas de fluido (036) a través de un elemento calefactor de ciclo continuo (041), que puede garantizar una temperatura mínima del fluido desde el inicio de un proceso de construcción. A continuación, el absorbente se conduce al cabezal de impresión (039) y se aplica selectivamente al campo de construcción mediante un módulo de inyección (038). El fluido se calienta por las temperaturas en el cabezal de impresión y entonces se conduce posteriormente a través de una unidad de refrigeración (035). Después, el líquido se conduce nuevamente al depósito de líquido. Para controlar la temperatura del fluido, la misma se mide continuamente con sensores de temperatura (037) en la línea de alimentación hacia el cabezal de impresión y en la línea de retorno hacia el depósito de fluido.

En la figura 9 se muestran esquemáticamente las condiciones de temperatura de un dispositivo para la fabricación de componentes tridimensionales según la figura 5. En la figura 9a) se nombran los componentes individuales del dispositivo, la figura 9b) muestra una visión general de las temperaturas habituales de los componentes individuales durante un proceso de construcción. La función de los componentes individuales ya se ha descrito en la figura 5. En el contenedor de construcción del dispositivo hay material particulado suelto (003) y cuerpos moldeados, los cuales normalmente asumen temperaturas de 170° C durante un proceso de construcción. Durante la entrada de energía, la superficie de un cuerpo moldeado adopta brevemente mayores temperaturas, que rondan los 185° C. Después de la entrada de energía y después de que se haya producido una nueva capa, la temperatura del cuerpo moldeado humedecido con absorbente se iguala gradualmente a la del material particulado que lo rodea. La temperatura de la superficie del material particulado suelto se mide con un pirómetro (029) y, como el resto del material particulado suelto se encuentra en 170° C. La calefacción por resistencia para controlar la temperatura del contenedor de construcción (025) también presenta una temperatura de 170° C. El material particulado sin control de temperatura (016) en el contenedor de almacenamiento presenta una temperatura cercana a la temperatura ambiente, es decir, de alrededor de 20° C. El revestidor de hojas oscilantes con el radiador de sinterización (021) se calienta a una temperatura de 140° C, por ejemplo, mediante una calefacción por resistencia eléctrica (010). El material particulado en el revestidor adquiere así temperaturas que van desde aproximadamente 90° C en la parte superior del revestidor, más de 120° C en la parte central y hasta 140° C en el rodillo para aplicar polvo emergente (011). El cabezal de impresión (022) y la cámara de proceso presentan temperaturas de alrededor de 40° C durante el proceso de construcción. El aislamiento (024) en combinación con la calefacción por resistencia mantiene el contenedor de construcción a la temperatura deseada. El aire que entra a través del conducto de aire (028) se encuentra aproximadamente a temperatura ambiente, es decir, 20° C. Cuando el aire vuelve a salir del espacio de construcción, su temperatura ronda los 50° C.

La figura 10 representa con más detalle el conducto de aire (028) en un dispositivo para la fabricación de componentes tridimensionales. El flujo de aire se introduce desde arriba por ambos lados del dispositivo; en donde el mismo se mide con un anemómetro (042). El flujo de aire es guiado por medios de guía por encima de los medios de entrada de energía firmemente sujetos en la parte superior del dispositivo y descargado nuevamente hacia arriba en el centro del dispositivo, midiéndose a su vez el flujo de aire por medio de un anemómetro.

La figura 11 muestra un dispositivo según la invención con la potencia de un radiador de sinterización. En la figura 11a) está representada la potencia durante el proceso de sinterización. Allí el revestidor de hoja, en el cual se encuentra el radiador de sinterización, se mueve sobre una capa de polvo a la cual justo antes se aplicó absorbente. Para iniciar el proceso de sinterización y, por tanto, la solidificación de un cuerpo moldeado, el radiador de sinterización se opera a plena potencia (043). La figura 11b) muestra el rendimiento del radiador de sinterización durante el recubrimiento. Aquí, se aplica una nueva capa en la dirección del recubrimiento con un rodillo para aplicar polvo (011). El radiador de sinterización ubicado detrás del revestidor se opera con potencia reducida (044) para llevar el polvo recién aplicado inmediatamente a la temperatura de proceso.

Lista de símbolos de referencia:

001 Revestidor de hoja

002 Revestidor de rodillo

003 Material particulado

004 Cuerpo moldeado

005 Plataforma de construcción

006 Rodillo para aplicar polvo

007 Cuerpo moldeado con conjunto de capa alta

008 Cuerpo moldeado con conjunto de capa deficiente

009 Superficie del polvo

010 Calefacción por resistencia eléctrica

011 Rodillo para aplicar polvo

012 Ranura de dosificación

013 Excéntrico

014 Articulación giratoria

015 Nivel de llenado

016 Material particulado no templado

018 Superficie del espacio de construcción

019 Capa aplicada

020 Hoja niveladora

021 Revestidor de hoja oscilante con radiador de sinterización

022 Cabezal de impresión

023 Cámara de proceso

024 Aislamiento

025 Calefacción por resistencia eléctrica

026 Radiador superior

027 Placas reflectoras/ protección contra la convección

028 Conducto de aire

029 Pirómetro

030 trayectoria del haz

031 Convección

032 Límite del campo de construcción

033 Intensidad de radiación

034 Temperatura de la superficie del polvo

035 unidad de refrigeración

036 Línea de fluido

037 Sensor de temperatura

038 Módulo de inyección

039 Cabezal de impresión

040 Depósito para fluidos

041 Elemento calefactor de ciclo continuo

042 Anemómetro

043 Radiador de sinterización máxima potencia

044 Radiador de sinterización potencia reducida

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método para la fabricación de componentes tridimensionales (004), en donde el material particulado se aplica por capas en un campo de construcción, se aplica un absorbente de forma selectiva, las zonas con absorbente se solidifican a través de una entrada de energía y los pasos se repiten hasta que se haya obtenido el o los componentes tridimensionales; en donde el material particulado (003) se aplica mediante revestidor (021) y el absorbente se aplica selectivamente con un cabezal de impresión (022), el material particulado se solidifica mediante un medio de entrada de energía (026), caracterizado por que el revestidor consiste en un revestidor de cuchilla vibrante (021) que presenta una temperatura de 70°C a 155°C, el material particulado (003) se aplica generando un rodillo de material particulado (011) en la dirección del recubrimiento delante del revestidor (001), el diámetro del rodillo de material particulado (006) es ajustable, y el material particulado se calienta o mantiene a una temperatura de 155°C a 180°C mediante medios de entrada de energía (010) durante la aplicación al campo de construcción.

2. Método según la reivindicación 1, en donde, antes de cada aplicación de material particulado, el campo de construcción desciende a una distancia definida o las unidades estructurales se elevan a una distancia definida, dicha distancia definida corresponde preferentemente al grosor de capa del material particulado aplicado, preferentemente

en donde se utiliza un material particulado con un tamaño de grano promedio de 50 - 60 mm, preferentemente 55 mm, y/o con una temperatura de fusión de 180 - 190° C, preferentemente de 186° C, o/y con una temperatura de recristalización de 140 - 150 ° C, preferentemente de 145° C, más preferentemente se usa una poliamida 12, de manera incluso más preferida PA2200® o Duraform PA®; preferentemente

en donde el absorbente es un líquido, preferentemente una tinta a base de aceite que contiene partículas de carbono, por ejemplo, Sun Chemical IK821; en donde el absorbente comprende preferentemente componentes absorbentes de radiación, plastificantes para el material particulado y/o una o más sustancias para interrumpir la recristalización, preferentemente en donde el revestidor presenta una o múltiples cuchillas oscilantes y un depósito de material particulado, preferentemente

en donde la temperatura en el depósito de material particulado del revestidor se ajusta en 70° C a 155° C y/o en donde la temperatura del material particulado se ajusta en 80° C a 155° C durante la aplicación y/o

en donde el diámetro del rodillo de material particulado es de 1 a 8 mm, preferentemente de 2 a 6 mm, más preferentemente de 3 a 5 mm; preferentemente

en donde el rodillo de material particulado se mantiene esencialmente constante en sus dimensiones durante la aplicación del material particulado; preferentemente

en donde la temperatura en el rodillo de material particulado se mantiene constante durante la aplicación del material particulado; preferentemente

en donde sobre o en la zona del revestidor se utiliza un medio de entrada de energía, que es preferentemente móvil.

3. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la entrada de energía se realiza con un medio de entrada de energía situado encima del campo de construcción y/o un medio de entrada de energía móvil dispuesto detrás del revestidor.

4. Método según la reivindicación 3, en donde la entrada de energía se realiza mediante medios de entrada de energía después de la aplicación del material particulado.

5. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el medio de entrada de energía consiste en un radiador superior y/o en una lámpara IR, preferentemente

en donde el radiador superior se configura para generar una temperatura en el espacio de construcción y/o en el material particulado aplicado de 30° C a 180° C; preferentemente

en donde el radiador superior consiste en un elemento calefactor de cerámica.

6. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en donde se aplica material particulado mediante recubrimiento, después se aplica selectivamente absorbente mediante uno o más cabezales de impresión, la entrada de energía se realiza mediante medios de entrada de energía móviles y controlables, preferentemente de forma inmediata después de la aplicación del material particulado y/o del absorbente, el medio de entrada de energía se desliza sobre el campo de construcción después del recubrimiento, y/o antes de la aplicación del material particulado se realiza una preexposición mediante un medio de entrada de energía, y eventualmente, la entrada de energía se realiza adicionalmente mediante otro medio de entrada de energía situado encima del campo de construcción; en donde este otro medio de entrada de energía se puede controlar o está operativo durante todo el método.

7. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en donde para establecer una temperatura deseada en el espacio de construcción un flujo de gas, preferentemente un flujo de aire, se conduce a través del espacio de aire del espacio de construcción; preferentemente en donde el flujo de aire es guiado al espacio de construcción desde arriba y/o desde el lateral a través de medios de guía, esencialmente se guía sobre el campo de construcción o circula sobre él y sale del espacio de construcción hacia arriba y/o nuevamente por el lateral; preferentemente en donde la temperatura en el espacio de construcción se ajusta entre 30° C y 60° C, preferentemente entre 40° C y 50° C.

8. Dispositivo para la ejecución de un proceso de impresión 3D, que comprende: a. un campo de construcción (018) b. un revestidor de hoja oscilante (021) con elemento calefactor (010) c. un cabezal de impresión (022), d. uno o más medios de entrada de energía; en donde sobre o junto al revestidor de hoja oscilante con elemento calefactor se coloca un medio de entrada de energía para que pueda moverse junto con él y preferentemente un medio de guía para el ajuste de la temperatura del espacio de construcción mediante el conducto de flujo de aire (028) a través del espacio de construcción (23).

9. Dispositivo según la reivindicación 8, en donde dos medios de entrada de energía están colocados de forma fija y/o móvil sobre el campo de construcción, preferentemente un medio de entrada de energía está posicionado de forma móvil sobre o junto al revestidor de hoja oscilante; preferentemente

en donde un medio de entrada de energía es un radiador superior y un medio de entrada de energía es un radiador de infrarrojos; preferentemente

en donde uno o más medios reflectores están colocados encima del campo de construcción y de los medios de entrada de energía, preferentemente

en donde la carrera del revestidor de hoja oscilante se genera mediante un eje excéntrico y/o la carrera es de 0,05 -0,3 mm, preferentemente de 0,15 mm, y/o la frecuencia de oscilación alcanza entre 30 Hz y 150 Hz y/o la frecuencia de oscilación se puede controlar electrónicamente; preferentemente en donde la generación de la carrera del revestidor de hoja oscilante se genera de manera eléctrica, electrodinámica, electrostática, neumática, hidráulica y/o con un motor lineal; preferentemente en donde la generación de la carrera del revestidor de hoja oscilante se genera con un actuador electromagnético y/o el mismo está diseñado como bobina móvil y/o se regula a una carrera y frecuencia constantes mediante un análisis de corriente-tensión que depende de la frecuencia y/o a través de un sensor de aceleración y/o la carrera y la frecuencia se diseñan para ser ajustables electrónicamente.