ES2875797T3

ES2875797T3 - Método y aparato para fabricación aditiva con material en polvo

Info

Publication number: ES2875797T3
Application number: ES19172027T
Authority: ES
Inventors: Yehoshua Sheinman; Shai Hirsch; Almog Shahar; Uri Grach; Kirill Tanhilevich
Original assignee: Stratasys Ltd
Current assignee: Stratasys Ltd
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2017-04-09
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2037-04-09
Also published as: IL262276A; WO2017179052A1; EP3542926A1; IL262276B; EP3838442A1; IL287161A; KR20180133475A; EP3442727A1; IL287161B; US20210291273A1; EP3442727B1; EP3542926B1; ES2874097T3; CN109219490A; BR112018070980A2; CN113560568A; US20190232367A1; JP6920338B2; IL294177A; BR112018070980B1

Abstract

Un sistema (100) para construir un compacto verde tridimensional (15) en una bandeja de construcción, comprendiendo el sistema: una estación de impresión (30) que comprende: un cabezal de impresión (35) configurado para dispensar selectivamente una tinta solidificable en una bandeja de construcción (200) para formar un patrón de máscara; y una unidad de curado (33) configurada para curar el patrón de máscara que se forma en la bandeja de construcción (200) con luz UV; una estación de suministro de polvo (545) configurada para suministrar una capa de material en polvo (51) sobre el patrón de máscara curado; una estación de compactación de troquel (40) para compactar el material en polvo (51) y el patrón de máscara curado; y una zona de precisión (250) configurada para hacer avanzar repetidamente la bandeja de construcción (200) a cada una de la estación de impresión (30), la estación de suministro de polvo (545) y la estación de compactación de troquel (40) para construir una pluralidad de capas que juntas forman el compacto verde tridimensional (15).

Description

DESCRIPCIÓN

Método y aparato para fabricación aditiva con material en polvo

Solicitud(es) relacionada(s)

Esta solicitud reivindica el beneficio de prioridad bajo el artículo 35 USC §119(e) de la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos N.° 62/320.655 presentada el 11 de abril de 2016 y la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos N.° 62/473.605 presentada el 20 de marzo de 2017.

Campo y antecedentes de la invención

La presente invención, en algunas realizaciones de la misma, se refiere a la impresión tridimensional (3D) con capas de material en polvo y, más particularmente, pero no exclusivamente, a la impresión 3D de objetos metálicos con metal en polvo como material de construcción.

Se conocen varios procesos diferentes para fabricar objetos sólidos mediante impresión 3D con capas sucesivas de material en polvo. Algunas técnicas de impresión 3D conocidas aplican selectivamente un material aglutinante líquido basado en un modelo 3D del objeto, uniendo el material capa por capa para crear una estructura sólida. En algunos procesos, el objeto se calienta y/o sinteriza para fortalecer aún más la unión del material al final del proceso de construcción.

La sinterización selectiva por láser (SLS) utiliza un láser como fuente de potencia para sinterizar capas de material en polvo. El láser se controla para apuntar a puntos en el espacio definidos por un modelo 3D, uniendo el material capa por capa para crear una estructura sólida. La fusión selectiva por láser (SLM) es una técnica comparable que aplica la fusión completa del material en lugar de la sinterización. La SLM se aplica típicamente cuando la temperatura de fusión del polvo es uniforme, p. ej., cuando se utilizan polvos metálicos puros como material de construcción.

La patente de Estados Unidos N.° 4.247.508 titulada "PROCESO DE MOLDEO", describe un proceso de moldeo para formar un artículo 3D en capas. En una realización, unas capas planas de material se depositan secuencialmente. En cada capa, antes de la deposición de la siguiente capa, una parte de su área se solidifica para definir esa parte del artículo en esa capa. La solidificación selectiva de cada capa se puede lograr usando calor y una máscara seleccionada o usando un proceso de escaneo de calor controlado. En lugar de usar un láser para fusionar selectivamente cada capa, se puede emplear una máscara separada para cada capa y una fuente de calor. La máscara se coloca sobre su capa asociada y una fuente de calor ubicada encima de la máscara. El calor que pasa a través de la abertura de la máscara fusionará las partículas expuestas a través de la abertura de la máscara. Las partículas que no estén expuestas al calor directo no se fusionarán.

La patente de EE.UU. N.° 5.076.869 titulada "SISTEMAS DE MATERIALES MÚLTIPLES PARA SINTERIZACIÓN SELECTIVA DE HAZ" describe un método y un aparato para sinterizar selectivamente una capa de polvo para producir una pieza que comprende una pluralidad de capas sinterizadas. El aparato incluye un ordenador que controla un láser para dirigir la energía del láser sobre el polvo para producir una masa sinterizada. Para cada sección transversal, el objetivo del haz láser se escanea sobre una capa de polvo y el haz se enciende para sinterizar solo el polvo dentro de los límites de la sección transversal. Se aplica polvo y se sinterizan sucesivas capas hasta formar una pieza completa. Preferentemente, el polvo comprende una pluralidad de materiales que tienen diferentes temperaturas de disociación o unión. El polvo comprende preferentemente materiales mezclados o revestidos.

La publicación de patente internacional N.° WO2015/170330 titulada "MÉTODO Y APARATO PARA IMPRESIÓN 3D MEDIANTE SINTERIZACIÓN SELECTIVA" describe un método para formar un objeto mediante impresión 3D que incluye proporcionar una capa de polvo en una bandeja de construcción, realizar compactación de troquel en la capa, sinterizar la capa que se compacta por troquel mediante sinterización selectiva por láser o fusión selectiva por láser y repetir el suministro, la compactación por troquel y la sinterización por capa hasta completar el objeto tridimensional. La sinterización selectiva divulgada se realiza mediante un patrón de máscara que define un negativo de una parte de la capa a sinterizar.

La Publicación de la Solicitud de Patente de Estados Unidos N.° 20040018107 titulada, "Fabricación de piezas metálicas usando inhibición selectiva de sinterización (SIS)", divulga una técnica de inhibición selectiva de sinterización (SIS) para fabricar un objeto metálico denso tridimensional (3-D) a partir de un polvo metálico sin aglutinante. Se proporcionan varias capas de polvo metálico en un tanque de construcción. Para cada capa, unas regiones de la capa están inhibidas de la sinterización, p. ej., depositando un material inhibidor de la sinterización, como una lechada de cerámica, una sal metálica o partículas metálicas oxidantes en el polvo utilizando productos químicos o una fuente de calor concentrada. Cada capa puede compactarse antes de que se proporcione la siguiente capa. A continuación, se sinteriza un compacto final. Las secciones sinterizadas no deseadas se retiran del compacto en los límites formados por las regiones inhibidas de sinterización (no sinterizadas) y se extrae el objeto.

La Patente de Estados Unidos N.° 5.555.481 titulada, "Método de producción de piezas sólidas utilizando dos clases distintas de materiales", divulga un método para producir piezas a partir de dos clases distintas de materiales. El método incluye depositar un material de primera clase y un material de segunda clase sobre una superficie de deposición. El material de primera clase forma una forma tridimensional definida por la interfaz del material de primera clase y el material de segunda clase. El material de primera clase se unifica y el material de segunda clase se retira del mismo para formar una pieza tridimensional del material de primera clase. Preferentemente, los materiales de primera y segunda clase se depositan en capas.

Sumario de la invención

De acuerdo con un aspecto de algunas realizaciones de la presente divulgación, se proporciona un sistema y método para la impresión 3D con capas de polvo. El sistema y el método pueden aplicarse para formar un objeto metálico con metal en polvo como material de construcción. Opcionalmente, se pueden utilizar otros materiales en polvo como plásticos y cerámicas. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, una máscara para cada capa se imprime primero con una impresora tridimensional que deposita material solidificable, en concreto, una tinta solidificable, p. ej., un material fotopolimérico o una tinta de cambio de fase (p. ej., tinta térmica) y luego se forma una capa extendiendo una capa de polvo sobre la máscara después de curar la tinta solidificable para formar dicho patrón de máscara. Típicamente, la máscara traza un patrón de material solidificable. El objeto que se forma a partir de una pluralidad de capas está definido por el patrón de máscara que delinea un contorno del objeto con el material solidificable y separa el objeto del área circundante, p. ej., el área de soporte.

En algunas realizaciones ilustrativas, el objeto metálico impreso (también denominado "cuerpo verde") se forma dentro de un compacto verde (también denominado "bloque verde") y posteriormente se sinteriza en un horno al final del proceso de construcción de capas. En algunas realizaciones, el material solidificable que forma el patrón de máscara se quema, licua o evapora durante un proceso de calentamiento dedicado antes de la sinterización, y el objeto se extrae del compacto verde retirando las regiones de soporte circundantes (también denominadas áreas o secciones de soporte o apoyo). De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, el patrón de máscara aplicado por capa proporciona paredes divisorias formadas a partir del material solidificable que dividen las regiones de soporte que rodean el objeto en secciones que pueden separarse fácilmente del objeto al final del proceso de construcción de capas.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema para construir un compacto verde tridimensional de acuerdo con la reivindicación 1 de la presente invención.

Opcionalmente, el compacto verde tridimensional incluye un objeto que se está formando y una región de soporte. Opcionalmente, el material solidificable se selecciona del grupo que consiste en una tinta de cambio de fase, una tinta térmica, un material fotopolimérico, cera, o cualquier combinación de los mismos.

Opcionalmente, la tinta de cambio de fase está configurada para evaporarse sustancialmente a una temperatura superior a 300 °C.

Opcionalmente, el material en polvo es una aleación de aluminio.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo comprende una estación dispensadora de polvo y una estación de extensión de polvo.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo comprende: una tolva de polvo configurada para almacenar el material en polvo; una punta dispensadora configurada para dispensar el material en polvo; una bandeja dispensadora de polvo configurada para recibir el material en polvo de la punta dispensadora; y un accionador configurado para suministrar el material en polvo en la bandeja dispensadora de polvo a la bandeja de construcción.

Opcionalmente, la bandeja dispensadora de polvo incluye una pluralidad de canales configurados para recibir el material en polvo.

Opcionalmente, el sistema incluye un primer carril configurado para hacer avanzar la bandeja dispensadora de polvo de modo que la tolva dispensa polvo a cada uno de la pluralidad de canales de la bandeja dispensadora de polvo. Opcionalmente, el accionador está configurado para voltear simultáneamente la pluralidad de canales.

Opcionalmente, el accionador está configurado para abrir simultáneamente una abertura longitudinal ubicada en la parte inferior de cada uno de la pluralidad de canales.

Opcionalmente, el sistema incluye un segundo carril configurado para hacer avanzar la bandeja dispensadora de polvo de modo que la tolva dispensa polvo a lo largo de un canal en la bandeja dispensadora de polvo.

Opcionalmente, la tolva incluye un canal de barrena a través de la cual el material en polvo avanza de manera controlable hacia la punta dispensadora.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo incluye un rodillo y en donde el rodillo se acciona tanto para rotar como para moverse a través de la capa para extender el material en polvo.

Opcionalmente, el rodillo es un rodillo delantero.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo incluye una pluralidad de canalones configurados para recibir el exceso de material en polvo que cae de los bordes de la bandeja de construcción durante el movimiento del rodillo a través de la capa para extender el material en polvo.

Opcionalmente, la pluralidad de canalones incluye un primer par de canalones que se accionan para moverse junto con el rodillo durante la extensión del material en polvo.

Opcionalmente, el primer par de canalones se encuentra debajo de los extremos laterales del rodillo.

Opcionalmente, cada uno de los canalones del primer par de canalones tiene una longitud de al menos dos veces el diámetro del rodillo y se extiende a ambos lados de los extremos laterales del rodillo.

Opcionalmente, el polvo acumulado en dicho primer par de canalones se retira continuamente del espacio interno del canalón durante la extensión del material en polvo mediante una succión de aire.

Opcionalmente, la pluralidad de canalones incluye un segundo par de canalones colocados en un extremo delantero y un extremo trasero de la bandeja de construcción con respecto a una dirección de movimiento del rodillo a través de la bandeja de construcción.

Opcionalmente, el segundo par de canalones se acciona para moverse hacia y lejos de la bandeja de construcción. Opcionalmente, el segundo par de canalones se ubica al nivel del rodillo y se aplica una succión de aire para retirar el polvo acumulado en dichos canalones.

Opcionalmente, la succión de aire se aplica en el segundo par de canalones cuando se apaga la succión de aire aplicada en el primer par de canalones.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo está configurada para recircular el exceso de material en polvo a la tolva de polvo.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo incluye al menos un separador ciclónico configurado para retirar el aire del material en polvo recogido de la pluralidad de canalones.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo incluye una pluralidad de separadores ciclónicos que funcionan en serie.

Opcionalmente, el al menos un separador ciclónico incluye una tapa configurada para sellar una salida durante el funcionamiento del separador ciclónico.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo incluye una malla configurada para separar el material en polvo de los residuos antes de suministrar el material en polvo a la tolva de polvo.

Opcionalmente, la estación de compactación de troquel incluye paredes laterales que están configuradas para introducirse alrededor de la bandeja de construcción.

Opcionalmente, las paredes laterales están configuradas para introducirse alrededor de la bandeja de construcción basándose en el contacto de la capa con la estación de compactación.

Opcionalmente, el sistema para formar un objeto tridimensional puede comprender: un sistema para construir un compacto verde tridimensional como se describió anteriormente; y una estación de posprocesamiento seleccionada del grupo que consta de una segunda estación de compactación, una estación de calentamiento, una estación de sinterización y cualquier combinación de las mismas.

De acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un método para construir un compacto verde tridimensional de acuerdo con la reivindicación 9.

Opcionalmente, el compacto verde tridimensional incluye un objeto que se está formando y una región de soporte.

Opcionalmente, extender material en polvo comprende dispensar una pluralidad de filas de material en polvo sobre la superficie de construcción y extender la pluralidad de filas de material en polvo con un rodillo.

Opcionalmente, la pluralidad de filas de material en polvo se prepara fuera de línea antes de su dispensación en la bandeja de construcción.

Opcionalmente, la pluralidad de filas de material en polvo se coloca perpendicular a una dirección de extensión. Opcionalmente, la extensión incluye hacer rodar un rodillo sobre el material en polvo.

Opcionalmente, la dirección de extensión se invierte de una capa de polvo a la siguiente.

Opcionalmente, el posicionamiento de la pluralidad de filas de polvo varía de una capa de polvo a la siguiente. Opcionalmente, el método incluye recoger el exceso de material en polvo de la superficie de construcción basándose en la extensión y recirculación del exceso de material en polvo a una tolva de polvo.

Opcionalmente, la recogida y la recirculación se realizan en línea.

Opcionalmente, el método incluye succionar el exceso de polvo a al menos un separador ciclónico y separar el polvo del aire en el al menos un separador ciclónico.

Opcionalmente, el método incluye hacer funcionar una pluralidad de separadores ciclónicos en serie.

Opcionalmente, el método incluye filtrar el material en polvo del al menos un separador ciclónico con una malla y suministrar el material en polvo filtrado a través de la malla a una tolva de polvo, en donde la tolva de polvo proporciona el material en polvo para construir el compacto verde tridimensional.

Opcionalmente, el método incluye aplicar calor durante la compactación.

Opcionalmente, la compactación es compactación en troquel.

Opcionalmente, el patrón de máscara incluye un contorno del compacto verde por capa.

Opcionalmente, la impresión, formación y compactación se realizan a temperatura ambiente.

Opcionalmente, se forma una primera capa sobre una bandeja de construcción revestida con un material pegajoso. A menos que se defina de otro modo, todos los términos técnicos y/o científicos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que se entiende comúnmente por un experto en la materia al que pertenece la presente invención. Aunque en la práctica o la comprobación de realizaciones de la invención pueden usarse métodos y materiales similares o equivalentes a los descritos en el presente documento, a continuación se describen métodos y/o materiales a modo de ejemplo. En el caso de conflicto, la memoria descriptiva de la patente, incluidas las definiciones, regirá. Además, los materiales, métodos y ejemplos son meramente ilustrativos y no se pretende que sean necesariamente limitativos.

Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos

Algunas realizaciones de la invención se describen en el presente documento, únicamente a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos. Haciendo referencia específica ahora a los dibujos en detalle, se insiste en que los detalles mostrados son a modo de ejemplo y para fines de análisis ilustrativo de las realizaciones de la invención. En este sentido, la descripción tomada con los dibujos pone de manifiesto a los expertos en la materia cómo pueden practicarse las realizaciones de la invención.

En los dibujos:

la figura 1 es un dibujo esquemático simplificado de un sistema de impresión 3D ilustrativo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 2 es un diagrama de bloques simplificado de una impresora ilustrativa para imprimir capas de máscaras para definir el objeto de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

las figuras 3a y 3B son representaciones esquemáticas simplificadas de dos tipos de patrones de capa de máscara impresos en una bandeja de construcción de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 4 es un diagrama de bloques simplificado de una estación dispensadora de polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 5 es un diagrama de bloques simplificado de una estación de extensión de polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 6 es una vista en sección transversal esquemática simplificada de una capa de compacto verde que incluye un patrón de máscara impreso y un material en polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención; las figuras 7A y 7B son dibujos esquemáticos simplificados de un sistema de compactación ilustrativo en un estado liberado y comprimido, respectivamente, de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

las figuras 8A y 8B son dibujos esquemáticos simplificados de un mecanismo anti-pelado ilustrativo para un sistema de compactación en un estado de compactación y un estado de postcompactación, respectivamente, de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 9 es una representación esquemática simplificada de una capa después del proceso de compactación y antes del fresado de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 10 es una representación esquemática simplificada de tres capas impresas para formar un objeto de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 11 es un diagrama de flujo simplificado de un método ilustrativo para construir capas de un compacto verde mediante impresión 3D de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 12 es un diagrama de flujo simplificado de un método ilustrativo para formar un objeto basado en impresión 3D de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 13 es un dibujo esquemático simplificado de un ejemplo de proceso de construcción por capa de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 14 es un diagrama de bloques simplificado de un proceso de construcción de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 15 es una imagen de un sistema de impresión de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 16 es un dibujo de ejemplo de un dispensador de polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención;

la figura 17 es un dibujo de ejemplo de un rodillo, bandeja de construcción y canalones circundantes de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención; y

la figura 18 es un dibujo de ejemplo de un sistema de recirculación de polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención.

Descripción de realizaciones específicas de la invención

Como se usa en el presente documento, el término "material solidificable" se refiere a material que es un líquido o que puede licuarse para permitir su depósito y puede solidificarse cuando se deposita sobre una superficie de construcción. De acuerdo con la presente invención, el material solidificable es una tinta solidificable, que es líquida cuando se imprime en una superficie de construcción y puede solidificarse sobre ella. Los ejemplos no limitativos de tintas solidificables incluyen polímeros fotocurables (también denominados "material fotopolimérico"), tintas térmicas (también denominadas "tintas de cambio de fase"), un ejemplo de las cuales es cera, y cualquier combinación de las mismas. La tinta térmica y la tinta de cambio de fase como se usan en el presente documento son términos intercambiables y pueden definirse como un material que es sólido a temperatura ambiente (p. ej., aproximadamente 25 °C) con un punto de fusión de menos de 120 °C, viscosidad de menos de 0,05 P as (50 cPs) entre la temperatura del punto de fusión y 120 °C y que se evapora sustancialmente sin trazas de carbono a una temperatura por encima de 100 °C. Sustancialmente, ninguna traza de carbono se define como inferior al 5 % en peso o menos del 1 % en peso. En algunas realizaciones de ejemplo, la tinta térmica tiene una temperatura de fusión de entre 55-65 °C y una temperatura de trabajo de aproximadamente 65-75 °C, la viscosidad puede estar entre 0,015-0,017 Pas (15-17 cPs). De acuerdo con realizaciones de la presente invención, la tinta térmica está configurada para evaporarse en respuesta al calentamiento con pocas o ninguna traza de carbono.

Como se usa en el presente documento, los términos "compacto verde" y "bloque verde" se refieren indistintamente a un bloque formado por la compactación sucesiva de capas formadas al extender material en polvo sobre una máscara de material solidificable. Un compacto verde típicamente incluye en su volumen uno o más objetos que se están construyendo, también denominados "cuerpo(s) verde(s)", una región de soporte que rodea el cuerpo verde y material solidificable. El material solidificable define el contorno del cuerpo verde y puede usarse para dividir la región de soporte en subregiones que se retiran más fácilmente. Al referirse a una capa específica del compacto verde, el cuerpo verde aparece como un "área de modelo" (o "área de objeto") y la región de soporte aparece como una o más "áreas de soporte".

Como se usa en el presente documento, los términos "máscara" y "patrón de máscara" se refieren indistintamente a una estructura formada por la deposición de un material solidificable sobre una superficie de construcción (p. ej., bandeja de construcción, capa anterior). El patrón de máscara generalmente incluye uno o más elementos estructurales sólidos como líneas, puntos, esquinas, perímetros, o cualquier otra estructura geométrica que sea resultado de la solidificación del material solidificable. El material solidificable se solidifica de acuerdo con la presente invención después de la activación de un disparador externo, p. ej., luz ultravioleta.

Como se usa en el presente documento, el término "estación de impresión" o "estación de impresión 3D" incluye cualquier aparato adecuado para depositar uno o más materiales solidificables en una superficie de construcción. La estación de impresión puede incluir un cabezal de impresión, una extrusora y/o cualquier otro medio adecuado conocido en la técnica.

De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, se proporciona un sistema de impresión 3D y un método para construir un objeto para sinterizar usando un patrón de máscara formado con al menos un material solidificable que es una tinta solidificable de acuerdo con la presente invención, tal como una tinta de cambio de fase, una tinta térmica, un material fotopolimérico, cera o cualquier combinación de los mismos. Opcionalmente, la tinta térmica tiene un bajo contenido de carbono y está configurada para evaporarse en respuesta al calentamiento dejando poca o ninguna traza de carbono. En algunas realizaciones ilustrativas, el sistema y el método se aplica a la construcción de objetos con metales puros como el aluminio. Cabe señalar que el sistema y el método no están limitados para su uso con aluminio puro y también se pueden utilizar para la construcción con aleaciones metálicas, plásticos, cerámica y/o combinación de diferentes materiales.

De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, el sistema incluye una bandeja de construcción, una impresora 3D para imprimir un patrón de máscara, un dispensador de polvo con esparcidor para aplicar material en polvo sobre la máscara, una primera unidad de compactación para compactar las capas y opcionalmente una unidad de fresado (o molienda) para rebajar la superficie superior de cada una de las capas. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, un accionamiento lineal controlado puede hacer avanzar repetidamente la bandeja de construcción a cada una de la impresora 3D (también denominada "estación de impresión digital" o "estación de impresión"), estación dispensadora de polvo y estación de extensión de polvo (que se combinan en algunas realizaciones en una "estación de suministro de polvo") y la estación de compactación (también denominada "estación de compactación de proceso"), para construir la pluralidad de capas. Opcionalmente, la bandeja de construcción se reviste con un material pegajoso como pegamento antes de construir la primera capa.

En algunas realizaciones ilustrativas, el sistema incluye además una segunda estación de compactación y una estación de sinterización en horno para compactar y luego sinterizar las múltiples capas al final del proceso de construcción de capas, respectivamente. En algunas realizaciones, la máscara se quema durante una primera fase en el proceso de sinterización (en condiciones específicas y ambiente de gas) y luego se fusionan las múltiples capas. En algunas otras realizaciones de ejemplo, la máscara se forma a partir de tinta térmica y la tinta térmica está configurada para evaporarse en lugar de quemarse en un proceso de calentamiento dedicado antes de la sinterización o durante la sinterización. Después del proceso de calentamiento dedicado o después de la sinterización, el objeto se separa del material circundante.

De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, un dispensador de polvo extiende una pluralidad de filas de material en polvo por capa. En algunas realizaciones de ejemplo, las filas se colocan en la bandeja de construcción de modo que queden paralelas al esparcidor, p. ej., en paralelo con un eje de rotación del esparcidor y perpendicular al movimiento lineal del rodillo a través de la bandeja de construcción. Opcionalmente, se extienden 2-20 filas de polvo por capa. En algunas realizaciones de ejemplo, las filas se extienden fuera de línea sobre una bandeja de extensión que comprende una pluralidad de canales y luego se transfieren a la bandeja de construcción (por ejemplo, abriendo o volteando simultáneamente la pluralidad de canales). La dispensación de una pluralidad de filas sobre la bandeja de construcción puede configurarse para ayudar al esparcidor a extender el polvo de manera más uniforme sobre la bandeja de construcción y también puede mantener una altura constante para la capa a través de la bandeja de construcción. El esparcidor es típicamente un rodillo con un diámetro definido que se acciona para rotar mientras se mueve a través de la bandeja de construcción para extender el polvo. Durante la extensión, el exceso de polvo puede acumularse en canalones colocados alrededor de la bandeja de construcción.

De acuerdo con algunas realizaciones de ejemplo, el polvo recogido en los canalones se mezcla en un recipiente, p. ej., una tolva que incluye un suministro de polvo para construir las capas siguientes. Se puede aplicar succión para recoger el material en los canalones y hacer avanzar el material a través de un sistema de recirculación de polvo. En algunas realizaciones de ejemplo, se dispensa una cantidad excesiva de polvo por capa en la bandeja de construcción para facilitar la extensión de una capa uniforme de polvo. Opcionalmente, la cantidad de polvo que se dispensa es de 2 a 5 veces mayor que la cantidad utilizada por capa. Durante la extensión, una parte relativamente grande del polvo que se dispensa por capa se empuja hacia los canalones y se hace circular de regreso a la tolva. Opcionalmente, el polvo recirculado se mezcla activamente con el suministro de polvo en la tolva.

En algunas realizaciones de ejemplo, los canalones están colocados en cada uno de los cuatro lados de la bandeja de construcción. En algunas realizaciones de ejemplo, los canalones delanteros y traseros (en relación con la dirección de movimiento del rodillo) tienen un pequeño rango de movimiento que les permite moverse hacia la bandeja de construcción para recoger el polvo y alejarse de la bandeja de construcción para permitir que la bandeja de construcción se mueva en la dirección vertical y dirección lateral y avanzar a la siguiente estación. Opcionalmente, entre el 50 %-80 % del polvo que se dispensa se recoge en los canalones y se recicla. El sistema de recirculación de polvo facilita un uso más eficiente del polvo y evita la acumulación innecesaria de polvo.

En algunas realizaciones de ejemplo, el sistema de recirculación de polvo incluye canalones para recoger el exceso de polvo, una bomba de vacío para transportar el exceso de polvo, uno o más separadores ciclónicos para recoger el polvo del aire, una malla para separar cualquier residuo del polvo recolectado y un vibrador para facilitar el filtrado a través de la malla. En algunos ejemplos, el sistema de recirculación de polvo incluye una serie de separadores ciclónicos. Opcionalmente, la serie facilita la recolección de partículas de polvo de diferentes tamaños y pesos con una alta eficiencia, p. ej., para polvos no homogéneos. En algunas realizaciones de ejemplo, la salida en la parte inferior de cada uno de los separadores ciclónicos se sella durante el funcionamiento del separador ciclónico. Opcionalmente, el sello se libera en todos los separadores ciclónicos una vez que se completa la actividad de separación y luego el polvo se dispensa en una malla que filtra el polvo de cualquier residuo o polvo aglomerado que pueda haber sido recolectado. Opcionalmente, la malla es accionada por un vibrador. El polvo filtrado a través de la malla puede luego introducirse en la tolva y mezclarse con el polvo en la tolva.

De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, la impresora 3D es una impresora 3D de chorro de tinta, p. ej., una impresora PolyJet™ proporcionada por Stratasys Ltd., Israel. En realizaciones específicas, el patrón de máscara impreso por la impresora 3D traza un perímetro de cada patrón de capa y, opcionalmente, también incluye líneas radiales que se extienden desde puntos a lo largo del perímetro hacia los bordes de la bandeja de construcción. Las líneas radiales del material de tinta pueden facilitar la separación del objeto dentro del perímetro trazado de los patrones de capa del material de construcción fuera del perímetro de las máscaras que no es parte del objeto. Durante el proceso de construcción de capas, el material de construcción puede servir como soporte para construir superficies de pendiente negativa del objeto o volúmenes huecos incluidos en el objeto. En algunas realizaciones ilustrativas, la impresora 3D incluye cabezales de impresión de chorro de tinta ensamblados en un bloque de impresión de escaneo que se mueve sobre la bandeja de construcción para escanear la capa durante la impresión, mientras la bandeja de construcción permanece estacionaria. De manera alternativa, se puede usar una zona de precisión para hacer avanzar la bandeja de construcción en la dirección de escaneo mientras que el bloque del cabezal de impresión de chorro de tinta permanece estacionario en esa dirección y móvil en la dirección ortogonal o completamente estacionario. En algunas realizaciones, el patrón de máscara completo de la capa específica se puede imprimir en una sola pasada.

En algunas realizaciones ilustrativas, la unidad de compactación es una unidad de compactación de troquel que incluye paredes que rodean la bandeja de construcción y la capa de polvo se extiende sobre ella y mantiene la huella de las capas. En un ejemplo, la huella de la bandeja puede estar entre 20 x 20 cm y 25 x 25 cm. Opcionalmente, la unidad de compactación incluye una prensa hidráulica y funciona a temperatura ambiente. La prensa hidráulica puede presionar cada capa con hasta 300 MPa de presión, p. ej., en un caso de uso de polvo de aluminio al6061. En la mayoría de los casos, la presión de compactación por capa puede ser inferior a 300 MPa, p. ej., menos de 100 MPa. La densidad (medida en gr/cm3) del polvo es típicamente menor que la densidad del material forjado ya que el volumen del polvo contiene aire. La calidad de la compactación se puede medir por la densidad relativa, definida por la densidad del polvo compactado dividida por la densidad del material forjado (en %). La presión de extensión ejercida por el rodillo puede aumentar la densidad de una capa desde aproximadamente un 50 % hasta un 60 %, y la presión de compactación por capa puede aumentar la densidad de una capa hasta aproximadamente un 70-90 %. Opcionalmente, un espesor de capa medio antes de la compactación puede estar entre 100 y 300 pm.

Durante la compactación, el material solidificable que forma el patrón de máscara puede estar sujeto a deformaciones cerca de la superficie superior de la capa. Una unidad de fresado (o molienda) proporciona opcionalmente la retirada de la parte de la capa que puede estar sujeta a deformación. Opcionalmente, el 10 % -50 % de la capa se retira mediante la unidad de fresado (o molienda). Opcionalmente, se retiran 20-50 pm de la capa. Opcionalmente, se define un espesor de la capa de modo que después de la compactación y el fresado (o molienda) opcional, la capa tendrá un espesor predefinido deseado. Luego, se puede imprimir una máscara adicional en la capa existente después del fresado (o molienda) para continuar el proceso de construcción de capas. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, todo el proceso de construcción de capas se puede realizar a temperatura ambiente. La capacidad de funcionar a temperatura ambiente se asocia típicamente con un menor coste de funcionamiento y también con un menor coste del sistema. El funcionamiento a altas temperaturas típicamente requiere más medidas de seguridad que típicamente se asocian con costes más altos.

De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, el conjunto de capas que forman el compacto verde se puede volver a compactar en una segunda estación de compactación a mayor presión y temperatura y también durante más tiempo, una vez finalizado el proceso de construcción de capas. De manera alternativa, la segunda estación de compactación no es necesaria.

Se sabe que la construcción con aluminio es ventajosa debido a su peso ligero, conducción de calor y electricidad, y su relativa resistencia a la corrosión. Típicamente, la temperatura de fusión del aluminio es relativamente baja. Uno de los desafíos de la construcción con polvo de aluminio es que las partículas de aluminio del polvo tienden a formar un revestimiento de óxido de aluminio, p. ej., alúmina. El revestimiento de óxido de aluminio introduce una barrera entre las partículas de aluminio que interfiere con la unión de las partículas durante la sinterización. El resultado final suele ser un objeto con resistencia reducida debido a la mala unión entre los elementos en polvo.

En algunas realizaciones ilustrativas, la resistencia de compactación aplicada en el proceso de compactación se define para proporcionar una deformación permanente de la capa de polvo, p. ej., presionar las partículas de polvo más allá de su estado elástico y hasta su estado plástico. Típicamente, la densidad y, por tanto, la resistencia mecánica del objeto se mejora mediante la compactación. La compactación también promueve la unión durante la sinterización al romper la capa de alúmina para exponer el aluminio y permitir el acoplamiento directo entre las partículas de aluminio del material en polvo. Opcionalmente, la compactación aumenta la conductividad térmica de la capa de polvo y permite una sinterización más uniforme. Opcionalmente, la compactación mejora la unión entre capas y evita la separación de capas que puede ocurrir después de la sinterización. En algunas realizaciones de ejemplo, la compactación por capa da como resultado un compacto verde en forma de bloque que incluye uno o más cuerpos verdes (es decir, objetos que se están formando) opcionalmente separados por un material solidificable depositado por la impresora 3D, como tinta de cambio de fase sólida o material fotopolimérico (es decir, el patrón de máscara).

En algunas realizaciones ilustrativas, la segunda estación de compactación compacta el conjunto a una presión de 150-350 MPa a una temperatura de hasta 430 °C durante entre 1-6 minutos. Opcionalmente, esta segunda estación de compactación es también una estación de compactación de troquel que mantiene la precisión del eje Z. Aunque el objeto definido está solo dentro de los perímetros del patrón de máscara, el material en polvo adicional que forma las capas rectangulares se mantiene y se usa para soportar la forma del objeto durante la compactación de troquel. Opcionalmente, es la segunda estación de compactación la que finaliza la compactación del compacto verde.

La sinterización en horno se aplica típicamente después de una fase de compactación final, pero también se puede aplicar directamente después de que se haya producido la capa final del compacto verde. Las temperaturas y la duración de la sinterización dependen típicamente del material en polvo utilizado y, opcionalmente, del tamaño del objeto. En algunas realizaciones ilustrativas, el material en polvo es aluminio. La primera fase del proceso de sinterización en horno puede ser de 300 a 400 °C durante un período de 20 a 180 minutos. El ambiente del horno puede ser inerte (nitrógeno) o aireado en esta fase. En algunas realizaciones, donde el material solidificable que forma la máscara incluye un material fotopolimérico, se puede configurar una primera fase durante el proceso de sinterización para quemar el material fotopolimérico. El polímero se quema utilizando sus moléculas de oxígeno estructurales y no necesita suministro externo de oxígeno. La sinterización a temperaturas más altas se puede realizar típicamente en un entorno de nitrógeno. Opcionalmente, el objeto puede estar entre 570 °C y 630 °C durante 60 a 180 minutos, para polvo de aluminio. Para polvo de acero inoxidable, por ejemplo, la temperatura puede alcanzar los 1250 °C. Opcionalmente, el horno es capaz de cambiar la temperatura a una velocidad de 2-20 °C/min. Típicamente, la sinterización se realiza en una pluralidad de fases, cada fase a una temperatura definida y durante un período definido. Opcionalmente, el bloque se enfría después de la primera fase, y el objeto se extrae y se completa la sinterización.

En algunas realizaciones de ejemplo, el sistema de impresión 3D descrito en el presente documento permite imprimir a una velocidad mejorada. Por ejemplo, el tiempo de impresión por capa puede ser de entre 25-35 segundos y un tiempo de construcción estimado para el cuerpo verde, es decir, objeto que se está imprimiendo, incluyendo aproximadamente 400 capas puede ser, por ejemplo, 4 horas. Un bloque que es un compacto verde que se construye en la bandeja de construcción puede incluir una pluralidad de cuerpos verdes incrustados, p. ej., 1-15 objetos. Una huella de ejemplo del bloque puede ser de 20x20 cm.

Antes de explicar al menos una realización de la invención en detalle, debe entenderse que la invención no está necesariamente limitada en su aplicación a los detalles de construcción y la disposición de los componentes y/o métodos establecidos en la siguiente descripción y/o ilustrados en los dibujos y/o los ejemplos. La invención es capaz de otras realizaciones o de ponerse en práctica o llevarse a cabo de diversas maneras.

En referencia ahora a los dibujos, la figura 1 muestra un diagrama de bloques simplificado de un sistema de impresión 3D ilustrativo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, un sistema de impresión 3D 100 está integrado en una plataforma de trabajo 500. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, la plataforma de trabajo 500 incluye una zona de precisión 250 en la que se hace avanzar una bandeja de construcción 200 a través de una pluralidad de estaciones para imprimir un compacto verde 15 una capa a la vez. Típicamente, la zona de precisión 250 es una zona lineal, p. ej., una zona X-Z que proporciona movimiento a lo largo de un solo eje, p. ej., un eje X mientras se construye una capa y también se proporciona movimiento en la dirección vertical (eje Z) para ajustar la altura de la bandeja 200, p. ej., bajar la bandeja 200 a medida que se agrega cada nueva capa.

De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, la plataforma de trabajo 500 incluye una estación de plataforma de impresión 30, para imprimir un patrón de máscara, una estación dispensadora de polvo 10 para dispensar una capa de polvo en la bandeja 200, una estación de extensión de polvo 20 para extender una capa de polvo dispensado sobre el patrón de máscara impreso, una estación de compactación 40 para compactar la capa de polvo, y una estación de fresado 50 para rebajar la superficie superior de una capa actual antes de imprimir otra capa. Típicamente para cada capa, la bandeja de impresión 200 avanza a cada una de las estaciones y luego repite el proceso hasta que se han impreso todas las capas. En algunas realizaciones ilustrativas, la bandeja 200 avanza en una dirección con una parada en la estación de plataforma de impresión 30 y luego invierte la dirección con paradas en la estación dispensadora de polvo 10, estación de extensión de polvo 20, estación de compactación 40 y estación de fresado 50. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, un controlador 300 controla el funcionamiento del sistema de impresión 3D 100 y coordina el funcionamiento de cada una de las estaciones con el posicionamiento y/o movimiento de la bandeja 200 en la zona de precisión 250. Típicamente, el controlador 300 incluye y/o está asociado con memoria y capacidad de procesamiento.

De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, al final del proceso de construcción de capas, el compacto verde 15 se puede hacer avanzar o colocar en una segunda estación de compactación 60 para la compactación final y luego a la estación de sinterización 70 para sinterizar. De manera alternativa, la primera estación de compactación 40 completa la compactación durante el proceso de construcción de capas o al final del proceso de construcción de capas. En algunas realizaciones específicas, durante el proceso de sinterización, la máscara construida por la estación de impresión 30 se quema y el compacto verde 15 solidifica. La combustión de la máscara permite que el compacto verde 15 definido dentro de los perímetros de la máscara se separe de la parte de las capas fuera de los perímetros.

Opcionalmente, la fuente de gas 510 inerte es fuente de nitrógeno. Típicamente, la estación de sinterización 70 y, opcionalmente, la segunda estación de compactación 60 son estaciones independientes que están separadas de la plataforma de trabajo 500. Opcionalmente, el compacto verde 15 se coloca manualmente en la estación de sinterización 70 y, opcionalmente, en la segunda estación de compactación 60 y no mediante la zona de precisión 250.

Opcionalmente, cada una de la segunda estación de compactación 60 y la estación de sinterización 70 tienen un controlador separado para hacer funcionar la respectiva estación.

Ahora se hace referencia a la figura 2 que muestra un dibujo esquemático simplificado de un sistema de impresión 3D ilustrativo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, la estación de plataforma de impresión 30 incluye un cabezal de impresión de chorro de tinta directo 35 que deposita material fotopolimérico 32 basándose en los datos de máscara 39 generados. Típicamente, el patrón de máscara está definido por los datos de máscara 39 que típicamente se almacenan en la memoria. Típicamente, los datos de máscara se generan mediante un programa de software de diseño asistido por ordenador (CAD) o similar.

En algunas realizaciones ilustrativas, el cabezal de impresión 35 está estacionario y el controlador 37 de impresora junto con el controlador 300 del sistema controlan la sincronización para depositar el material 32 a medida que la bandeja 200 avanza bajo el cabezal de impresión 35. De acuerdo con la presente invención, una unidad de curado 33 cura el material depositado a medida que la bandeja 200 avanza por debajo del cabezal de impresión 35. Opcionalmente, el cabezal de impresión 35 y la unidad de curado 33 están montados en una zona de eje Y y se mueven en una dirección perpendicular a la bandeja 200. De manera alternativa, la bandeja 200 está estacionaria durante la impresión y el cabezal de impresión 35 y la unidad de curado 33 están soportados por una zona X, Y o XY para mover el cabezal de impresión 35 en una o más direcciones. Típicamente, el cabezal de impresión 35 incluye una serie de boquillas a través de las cuales se deposita material de forma selectiva.

Ahora se hace referencia a la figura 3A que muestra una representación esquemática simplificada de un patrón de capa de máscara impreso en una bandeja de construcción de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, el cabezal de impresión 35 imprime un contorno 150 del objeto que se está formando en cada capa con un material solidificable, tal como material fotopolimérico o tinta de cambio de fase. Típicamente, la primera capa de máscara está impresa en la bandeja de construcción 200 u otra superficie de construcción. En algunas realizaciones ilustrativas, el cabezal de impresión imprime adicionalmente rayos 155 que se extienden desde el contorno 150 hacia los bordes de la bandeja de construcción 200 o hacia los canalones 255 en los bordes de la bandeja de construcción 200. En algunas realizaciones ilustrativas, los rayos 155 introducen cortes en el polvo fuera del contorno 150 para que el área exterior del contorno 150 (es decir, el área de apoyo) pueda separarse fácilmente del objeto dentro del área del contorno después de que las capas de construcción se solidifiquen al final del proceso de construcción. Típicamente, las partes desenmascaradas/sin patrón se llenan con el material en polvo que se utiliza para construir el objeto.

En referencia ahora a la figura 3B, en algunas realizaciones ilustrativas, el material solidificable puede estar modelado para ocupar total o parcialmente las áreas de soporte 157 en oposición a los rayos 155 fuera del contorno 150 para llenar partes de la capa que no se convertirán en parte del objeto. Opcionalmente, las áreas de soporte están formadas por una combinación de estructuras de material solidificable y material en polvo.

En algunas realizaciones ilustrativas, el volumen de material en polvo usado para formar las capas puede conservarse imprimiendo una parte del área fuera del contorno 150 con material solidificable. En algunas realizaciones ilustrativas, la cantidad de material solidificable impreso fuera del contorno 150 depende del tipo de soporte que el material solidificable proporciona alrededor del objeto.

Ahora se hace referencia a la figura 4 que muestra un diagrama de bloques simplificado de una estación dispensadora de polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. Típicamente, la estación dispensadora de polvo 10 incluye un recipiente 12 que almacena polvo 51, una barrena 14 para extraer una cantidad y/o volumen definido de polvo 51 a través de un tubo 16 y sobre la bandeja 200. En algunas realizaciones ilustrativas, el volumen definido se ajusta en el transcurso del proceso de construcción en función de la retroalimentación del sistema 100 y/o controlador 300. Opcionalmente, el polvo 51 se dispensa mientras la bandeja 200 está en movimiento, de modo que el polvo 51 se extiende sobre una longitud de la bandeja 200. En algunas realizaciones ilustrativas, la estación dispensadora de polvo 10 está adaptada para suministrar polvo de aluminio. En otras realizaciones ilustrativas, otros metales, aleaciones y/o materiales son almacenados y suministrados por la estación dispensadora de polvo 10. Opcionalmente, el recipiente 12 incluye una pluralidad de componentes que se mezclan. Opcionalmente, el recipiente 12 incluye un mecanismo para mezclar los contenidos almacenados.

Ahora se hace referencia a la figura 5 que muestra un diagrama de bloques simplificado de una estación dispensadora de polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. Típicamente, la estación de extensión 20 incluye un rodillo motorizado 25 montado de forma giratoria sobre un eje 24. En algunas realizaciones ilustrativas, un motor lineal 22 se acopla al eje 24 y se mueve a través de la capa para extender una capa uniforme de polvo. En algunas realizaciones ilustrativas, se ajusta la altura de la mesa 200, p. ej., se mueve hacia arriba/hacia abajo con una zona Z para obtener un espesor de capa definido. En algunas realizaciones ilustrativas, una capa de polvo de aproximadamente 150 pm de espesor, p. ej., un espesor de 100 pm a 300 pm se extiende con el rodillo 25. Típicamente, la capa de polvo se extiende sobre la capa de máscara y tiene una altura por encima de la capa de máscara antes de la compactación. Típicamente, después de la compactación, la altura de la capa de polvo se reduce a la altura de la capa de máscara. En algunas realizaciones ilustrativas, se controla el espesor de una capa después de la compactación y se ajusta la altura de la bandeja 200 para alterar el espesor de una capa actual para compensar las desviaciones o variaciones en el espesor de las capas de una o más capas anteriores. Opcionalmente, un mecanismo de recirculación de polvo está conectado al recipiente 12 para recoger el polvo no extendido y devolverlo al recipiente 12.

En algunas realizaciones ilustrativas, el rodillo 25 se extiende sustancialmente sobre una longitud completa de la bandeja 200 y solo se requiere una pasada del rodillo para extender el polvo.

Opcionalmente, el rodillo 25 se hace funcionar mientras la bandeja 200 está en movimiento. Opcionalmente, el rodillo 25 se mantiene a una altura por encima de la bandeja 200 y se baja con un elevador en Z según se requiera para la extensión.

Ahora se hace referencia a la figura 6 que muestra una vista en sección transversal esquemática simplificada de una capa de compacto verde que incluye un patrón de máscara impreso y material en polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, se forma una capa 300 imprimiendo primero un patrón de máscara 150 y luego extendiendo polvo 51 sobre el patrón de máscara. La capa 300 se define típicamente de modo que el polvo 51 alcance la misma altura que la altura de la máscara 150.

En algunas realizaciones de ejemplo, se extiende una capa de pegamento u otro material pegajoso sobre la bandeja 200 antes de construir sobre la bandeja 200, p. ej., antes de imprimir la primera máscara 150. La capa de pegamento puede tener un espesor de 1 a 10 pm. En algunas realizaciones de ejemplo, la capa delgada de pegamento estabiliza las capas de la bandeja y también permite separar las capas de la bandeja de construcción al final del proceso de construcción de capas. En algunas realizaciones de ejemplo, el espesor de la capa de pegamento, así como sus propiedades mecánicas, se seleccionan para facilitar la perforación del polvo a través de la capa de pegamento. La perforación puede ayudar a estabilizar la(s) primera(s) capa(s) en la bandeja de construcción.

A continuación se hace referencia a las figuras 7A y 7B que muestran dibujos esquemáticos simplificados de una estación de compactación de troquel ilustrativa mostrada en un estado liberado y comprimido, respectivamente, de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención.

De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, se compacta una capa 300 después de extender la capa de polvo sobre la capa de máscara. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, ya que el proceso de compactación se realiza por capa, la estación de compactación genera un troquel por capa.

De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, la estación de compactación incluye un pistón 42 que es operativo para proporcionar la presión de compactación para compactar una capa 300. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, durante la compactación, el pistón 42 se eleva a través de un orificio 49 y opcionalmente empuja el vástago 42A en la plataforma de trabajo 500 o la zona de precisión 250 y eleva la bandeja de construcción 200 hacia la superficie 45 colocada sobre la bandeja 200. Opcionalmente, la adición de la varilla 42A reduce la distancia que se requiere que el pistón 42 se mueva para lograr la compactación.

Opcionalmente, una vez que la capa 300 hace contacto con la superficie 45, las paredes 43 se cierran alrededor de la capa 300 para mantener una huella constante de la capa 300 durante la compactación.

En algunas realizaciones ilustrativas, la bandeja 200 está sujeta a una o más guías lineales 41 que se desplazan a lo largo de cojinetes lineales 46 cuando el pistón 42 eleva y/o baja la bandeja 200.

Opcionalmente, la bandeja 200 se levanta contra uno o más resortes de compresión 47. En algunas realizaciones ilustrativas, la fuerza gravitacional y los resortes 47 permiten bajar el pistón 42 después de compactar la capa 300.

De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, se aplica una presión de hasta 250 MPa o 300 MPa para compactar una capa de polvo y máscara. Típicamente, la presión aplicada permite retirar el aire y llevar el polvo de la capa 300 más allá de su estado elástico de modo que se logre la deformación permanente de la capa. Opcionalmente, la compactación proporciona un aumento de la densidad relativa de la capa de aproximadamente un 70 % a un 75 %. Para varias aleaciones, la densidad relativa puede alcanzar hasta el 90 %. Opcionalmente, la compactación reduce el espesor de una capa hasta en un 25 %. Opcionalmente, se aplica una presión de compactación de aproximadamente 50 - 90 MPa. Opcionalmente, la compactación se realiza a temperatura ambiente.

En algunas realizaciones ilustrativas, la superficie superior 45 se calienta, p. ej., se precalienta con un elemento de calentamiento 44 durante la compactación y se realiza la compactación de troquel en caliente. Al calentar la superficie 45, la capa 300 puede alcanzar su estado plástico y/o de deformación permanente aplicando menos presión sobre la capa. Opcionalmente, en el caso de polvo de aluminio, la superficie superior 45 se calienta a una temperatura de 150 °C, p. ej., 150° - 200 °C. Típicamente, existe una compensación entre la temperatura y la presión de compactación. El aumento de la temperatura durante la compactación puede permitir alcanzar la deformación plástica a una presión más baja. Por otro lado, la reducción de la temperatura de la superficie superior 45 puede reducir la eficiencia energética de la compactación ya que puede requerirse una presión más alta.

Típicamente, la presión y la temperatura aplicadas se definen en función del material en polvo y el espesor de la capa 300.

En algunas realizaciones ilustrativas, p. ej., cuando se utiliza polvo de aluminio, la compactación es operativa para romper la capa de óxido, p. ej., la alúmina en las partículas en polvo. Típicamente, exponer el aluminio promueve el acoplamiento directo entre las partículas de aluminio del material en polvo y mejora la unión de las partículas durante la sinterización.

En algunas realizaciones ilustrativas, el patrón de máscara 150 puede deformarse durante la compactación. Típicamente, la deformación ocurrirá cerca de la superficie 45 donde se expone el patrón de máscara 150. El polvo 51 contenido por las paredes 43 que rodean la capa proporciona típicamente soporte para el patrón de máscara 150 por debajo de la superficie superior de modo que no se produce deformación debajo de la superficie superior de la capa.

De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, la altura del objeto, p. ej., altura de una o más capas del objeto a medida que se construye, se detecta, determina y/o percibe en la estación de compactación. Opcionalmente, se detecta una altura de la bandeja 200 mientras se presiona contra la superficie 45. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, el controlador 300 (figura 1) supervisa la altura y/o el cambio de altura y proporciona entrada a la estación dispensadora de polvo y/o la zona Z de la bandeja 200 cuando se requieren ajustes en los espesores de capa para compensar una desviación desde una altura deseada y/o cambio de altura. En algunas realizaciones ilustrativas, el controlador 300 usa una o más tablas de búsqueda almacenadas en memoria o fórmulas matemáticas para controlar los ajustes en los espesores de capa.

En algunas realizaciones ilustrativas, una o más estaciones a lo largo de una ruta de la zona de precisión 250 se soportan en carriles que se extienden a lo largo de la ruta y/o por uno o más puentes, p. ej., puente colocado sobre la plataforma de trabajo 500. En algunas realizaciones ilustrativas, la estación de compactación 40 incluye un pistón 42 colocado debajo de la plataforma de trabajo 500 que se opera para elevar la bandeja 200 con la varilla 42A hacia una superficie de aplanamiento 45 colocada sobre la bandeja 200 u otra superficie como se describe con más detalle a continuación en el presente documento.

A continuación se hace referencia a las figuras 8A y 8B que muestran dibujos esquemáticos simplificados de un mecanismo anti-pelado ilustrativo para un sistema de compactación mostrado en un estado de compactación y un estado de postcompactación respectivamente, ambos de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, una hoja y/o película 149 se une a los lados de 45 sin apretar. Durante la compactación, una hoja 149 se presiona entre la superficie de 45 y la capa 300. Al final del proceso de compactación, la bandeja de construcción 200 se mueve hacia abajo, y la capa se separa suavemente de la hoja, y evitando que se pele la capa, se coloca entre la capa 300 y la superficie de contacto 45 del troquel 48 durante la compactación. Opcionalmente, la hoja tiene un espesor de entre 0,1 y 0,4 mm, p. ej., 0,3 mm. Opcionalmente, la hoja es una hoja de acero inoxidable 302; 301 o 316L. Típicamente, la hoja 149 protege la superficie 45 de la acumulación de polvo y también evita el pelado sustancial de la capa 300 durante la separación de la superficie 45. El presente inventor ha descubierto que este desprendimiento gradual de la hoja evita el pelado y/o la pérdida de material de la capa 300 sobre la hoja 149.

Ahora se hace referencia a la figura 9 que muestra una representación esquemática simplificada de una capa después del proceso de compactación y antes del fresado (o molienda) de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, una parte superior 301 de la capa 300 puede incluir deformación en la máscara 150 debido a la compactación. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, la capa 300 se fresa (o muele) para retirar la superficie superior 301, incluida la deformación. La parte que se retira se indica esquemáticamente con la línea 410. Una capa puede tener un espesor de aproximadamente 50-180 |jm después del proceso de compactación y antes del fresado (o molienda). El fresado (o molienda) puede rebajar entre 10 y 50 jm de la capa 300. En algunas realizaciones ilustrativas, la capa 300 puede definirse para que tenga un espesor de aproximadamente 25-120 jm después del proceso de compactación y fresado.

Ahora se hace referencia a la figura 10 que muestra una representación esquemática simplificada de tres capas impresas para formar un objeto de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, el patrón de máscara 150 puede formar típicamente un límite o contorno continuo con un patrón de máscara 150 tocando otro patrón de máscara a medida que se agregan capas adicionales 300. Este límite continuo formado a partir de patrones de máscara apilados 150 define un contorno 3D del objeto que se está formando y secciones dentro de las áreas de soporte fuera del objeto al final del proceso de formación del compacto verde.

Ahora se hace referencia a la figura 11 que es un diagrama de flujo simplificado de un método ilustrativo para construir un objeto mediante impresión 3D de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención, el método incluye imprimir un patrón de máscara por capa que define un límite de un objeto o cuerpo verde que se está formando y también extensiones que luego facilitan la separación del objeto del material circundante (bloque 305). Después de imprimir la máscara, el método incluye además dispensar la capa de polvo sobre una bandeja de construcción (bloque 310) y extender la capa de polvo sobre el patrón de máscara para obtener una capa uniforme de polvo (bloque 320). Tal etapa se realiza de acuerdo con la presente invención después de curar el material solidificable con, opcionalmente, luz UV para formar un patrón de máscara. En algunas realizaciones ilustrativas, el polvo es aluminio. Opcionalmente, se utilizan otros metales o, alternativamente, material cerámico como material de construcción, p. ej., el polvo. Opcionalmente, el polvo es una mezcla de una pluralidad de materiales. En algunas realizaciones ilustrativas, cada capa se compacta (bloque 330) y luego la superficie superior de la capa compactada se fresa opcionalmente (bloque 340) para retirar cualquier deformación formada en la superficie superior de la máscara debido a la compactación. Típicamente, la compactación permite retirar el aire de la capa impresa.

Opcionalmente, la compactación también permite romper un revestimiento de oxidación que se forma típicamente sobre las partículas del polvo metálico, p. ej., polvo de aluminio. Típicamente, estas etapas se repiten hasta que se hayan impreso todas las capas.

De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, los procesos de construcción de capas como se describe en la figura 11 pueden realizarse en una zona automatizada y a temperatura ambiente. Debido a las condiciones de temperatura ambiente, no es necesario proporcionar un flujo positivo de gas inerte o agregar precauciones adicionales que típicamente pueden ser necesarias cuando se trabaja a altas temperaturas o en un entorno de gas inerte. Típicamente, proporcionar un flujo positivo de gas inerte o agregar precauciones contra la combustión se asocia con un mayor coste. Las posibles ventajas del proceso de construcción de capas como se describe en el presente documento incluyen un funcionamiento más seguro y un coste más bajo.

Ahora se hace referencia a la figura 12 que muestra un diagrama de flujo simplificado de un método ilustrativo para formar un objeto basado en impresión 3D de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, una vez que se completa el proceso de construcción de capas, las capas construidas que forman un compacto verde se retiran de la zona automatizada (bloque 405) y se compactan de nuevo opcionalmente a una presión más alta, temperatura y/o mayor duración (bloque 410). En algunas realizaciones ilustrativas, la compactación final de todo el cuerpo verde se realiza a una presión de entre 150-300 MPa, en caso de aluminio, p. ej., 250 MPa o una temperatura inferior a 430 °C. Opcionalmente, las capas se compactan durante un período de tiempo prolongado, p. ej., 2-6 minutos. Típicamente, la compactación es compactación de troquel de modo que solo se compacta el eje Z durante el proceso. Después de la compactación, típicamente se aplica la sinterización (bloque 415). En algunas realizaciones ilustrativas, la sinterización se aplica en una pluralidad de fases. Opcionalmente en una primera fase, las capas construidas se calientan a una temperatura relativamente baja, p. ej., por debajo de 400 °C durante una primera duración, p. ej., 20-180 minutos. En el caso del uso de polvo de aluminio y algunos otros metales como el acero inoxidable, esta etapa puede requerir un entorno inerte de nitrógeno. En algunas realizaciones, el patrón de máscara se quema en esta fase, principalmente debido al oxígeno contenido en el polímero. En una segunda fase se puede elevar la temperatura, p. ej., 450 °C y esta temperatura puede mantenerse durante una segunda duración, p. ej., 0-30 minutos. La elevación y el enfriamiento pueden realizarse a una velocidad definida, p. ej., 10 °C/min. En una tercera fase, la temperatura puede volver a subir, p. ej., 570-630 °C (en el caso de polvo de aluminio, dependiendo de la aleación en uso) y esta temperatura puede mantenerse durante una tercera duración, p. ej., 60-120 minutos. En el caso del polvo de aluminio, todas estas etapas pueden procesarse en un entorno inerte. Después de sinterizar y enfriar, el objeto se puede extraer del bloque de capas. Pueden ser necesarias otras etapas de posprocesamiento (es decir, etapas realizadas después de la construcción del compacto verde) para mejorar la densidad del objeto impreso.

Un aspecto de algunas realizaciones ilustrativas de la presente invención proporciona un sistema para construir un objeto tridimensional que comprende: una estación de impresión digital configurada para imprimir una máscara en una superficie de construcción, en donde la máscara está formada por al menos uno de material fotopolimérico y material de cera que está configurado para quemarse durante la sinterización; una estación de suministro de polvo configurada para aplicar una capa de material en polvo sobre el patrón de máscara; una estación de compactación de proceso para compactar por capa de material en polvo, en donde la estación de compactación incluye un troquel para recibir la capa; una zona configurada para hacer avanzar repetidamente la bandeja de construcción a cada una de la estación de impresión digital, la estación de suministro de polvo y la estación de compactación del proceso para construir una pluralidad de capas que juntas forman el objeto tridimensional; y una estación de sinterización configurada para sinterizar la pluralidad de capas.

Opcionalmente, la estación de compactación del proceso incluye un elemento de calentamiento para calentar una superficie del troquel que interactúa con la capa.

Opcionalmente, la estación de compactación del proceso puede funcionar para aplicar hasta 300 MPa de presión sobre la capa.

Opcionalmente, la estación de compactación del proceso incluye paredes laterales que están configuradas para introducirse alrededor de la bandeja de construcción en función del contacto de la capa con la estación de compactación. Las paredes laterales están bloqueadas en su lugar de modo que tengan un movimiento mínimo, p. ej., menos de 0,1 mm bajo las fuerzas de reacción desarrolladas en el bloque de polvo durante la compactación.

Opcionalmente, en donde la estación de compactación del proceso incluye un mecanismo anti-pelado, incluyendo el mecanismo anti-pelado una hoja colocada entre el troquel.

Opcionalmente, el sistema incluye una estación de fresado o molienda, en donde la estación de fresado o molienda está configurada para retirar una superficie de la capa después de la compactación, en donde la zona está configurada para hacer avanzar repetidamente la bandeja de construcción a cada una de la estación de impresión digital, la estación de suministro de polvo, la estación de compactación del proceso y la estación de fresado o molienda para construir una pluralidad de capas que juntas forman el objeto tridimensional.

Opcionalmente, la estación de fresado o molienda está configurada para rebajar entre el 10 y el 40 % del espesor de la capa.

Opcionalmente, el sistema incluye una estación de compactación final configurada para compactar la pluralidad de capas.

Opcionalmente, la estación de compactación final compacta térmicamente la pluralidad de capas sobre una pluralidad de fases de calentamiento.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo incluye un rodillo motorizado que está configurado para moverse a través de la capa para extender el polvo.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo incluye un canalón para recibir el exceso de polvo basado en el movimiento del rodillo a través de la capa para extender el polvo.

Opcionalmente, la estación de suministro de polvo está configurada para reciclar el exceso de polvo.

Un aspecto de algunas realizaciones ilustrativas de la presente invención proporciona un método para construir un objeto tridimensional que comprende: imprimir una máscara en una superficie de construcción, en donde la máscara está formada por al menos uno de un material fotopolimérico y cera que está configurada para quemarse durante la sinterización; extender una capa de polvo sobre el patrón de máscara; compactar la capa de polvo; repetir la impresión, extensión y compactación hasta completar capas del objeto tridimensional; y sinterizar las capas del objeto tridimensional.

Opcionalmente, el método incluye aplicar calor durante la compactación.

Opcionalmente, la compactación es compactación en troquel.

Opcionalmente, la máscara incluye un contorno del objeto por capa.

Opcionalmente, la máscara incluye además un patrón que se extiende desde el contorno del objeto por capa hacia los bordes de una huella de la capa.

Opcionalmente, el método incluye fresar o moler la capa después de la compactación y antes de imprimir una máscara adicional en la capa.

Opcionalmente, el 10-40 % del espesor de la capa se retira en función del fresado o molienda.

Opcionalmente, la impresión, extensión y compactación se realizan a temperatura ambiente.

Opcionalmente, el método incluye realizar una compactación térmica final antes de la sinterización, en donde la compactación térmica final se realiza sobre una pluralidad de fases de calentamiento.

Opcionalmente, el método incluye quemar al menos uno del material fotopolimérico y la cera durante la sinterización.

Ahora se hace referencia a la figura 13 que muestra un dibujo esquemático simplificado de otro ejemplo del proceso de construcción por capa de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. La figura 13 muestra una tercera capa 506 de ejemplo en el proceso de construcción sobre una primera capa 502 y una segunda capa 504 de ejemplo. En algunas realizaciones ilustrativas, se dispensa un patrón de máscara 510 por capa con una impresora tridimensional. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, el patrón de máscara 510 se forma a partir de un material solidificable tal como tinta de cambio de fase. El patrón de máscara 510 puede contactar físicamente con un patrón de máscara 510 en una capa anterior, p. ej., la capa 504 o puede tener un patrón sobre un área de la capa anterior que incluye el material de construcción. La altura del patrón de máscara 510 por capa puede ser sustancialmente la misma que la altura de la capa o puede, opcionalmente, ser más corta que la altura de la capa, p. ej., la parte 510A del patrón de máscara 510 en la capa 504. Opcionalmente, no se requiere fresado.

De acuerdo con algunos ejemplos, el polvo 51 se extiende sobre el patrón de máscara 510 después de curarse y a través de una huella de una bandeja de construcción 200. En algunas realizaciones de ejemplo, el polvo 51 se extiende con un rodillo 25. Opcionalmente, el rodillo 25 se acciona tanto para rotar alrededor de su eje 24 como para moverse a través de la bandeja de construcción 200 a lo largo de un eje X. Una vez que el polvo 51 se extiende a lo largo de la huella de la bandeja 200, la compactación 520 se puede aplicar en toda la capa para compactar la capa 506. Típicamente, la altura de la capa 506 se reduce debido a la compactación del proceso.

Ahora se hace referencia a la figura 14 que muestra un diagrama de bloques simplificado de un proceso de construcción ilustrativo y la figura 15 que muestra un dibujo esquemático simplificado de un sistema de impresión 3D ilustrativo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, un objeto (es decir, un cuerpo verde) se puede construir capa por capa dentro de un compacto verde en un proceso cíclico. Cada ciclo del proceso cíclico incluye de acuerdo con la presente invención las etapas de imprimir un patrón de máscara (bloque 530) en una estación de impresión 535, curar el material solidificable para formar dicho patrón de máscara, dispensar y extender un material en polvo (bloque 540) sobre la máscara curada en una estación dispensadora y de extensión 545 (también denominada "estación de suministro de polvo") y compactar la capa de polvo que incluye el patrón de máscara (bloque 550) en una estación de compactación 555. En algunas realizaciones ilustrativas, el patrón de máscara se forma a partir de un material solidificable, como tinta de cambio de fase. En algunas realizaciones ilustrativas, la compactación se realiza como se describe en referencia a las figuras 7A y 7B. De acuerdo con realizaciones de la presente invención, cada ciclo construye una capa del compacto verde y el ciclo se repite hasta que se hayan construido todas las capas. Opcionalmente, una o más capas pueden no requerir un patrón de máscara y la etapa de imprimir el patrón de máscara (bloque 530) puede excluirse de las capas seleccionadas. Opcionalmente, una o más capas pueden no requerir material en polvo y la etapa de dispensar y extender un material en polvo (bloque 540) puede excluirse de las capas seleccionadas.

De acuerdo con realizaciones de la presente invención, este proceso cíclico produce un compacto verde o un bloque verde. El compacto verde puede incluir uno o más objetos (es decir, cuerpos verdes) rodeados por una máscara y un material de construcción que forma regiones de soporte fuera del objeto. De acuerdo con realizaciones de la presente invención, tanto el(los) objeto(s) como las regiones de soporte circundantes, incluida la máscara, conforman un compacto verde formado con el material en polvo que se dispensó y extendió durante el proceso cíclico. De acuerdo con realizaciones de la presente invención, el patrón de máscara que se imprimió define un límite alrededor del(os) objeto(s) y, opcionalmente, regiones dentro del bloque que permite extraer el(los) objeto(s) del material circundante. De acuerdo con algunas realizaciones de ejemplo, el(los) objeto(s) una vez extraídos del material circundante pueden procesarse posteriormente, p. ej., pueden compactarse adicionalmente en una o más etapas antes de la sinterización.

Ahora se hace referencia a la figura 16 que muestra un dibujo de ejemplo de un dispensador de polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, un dispensador de polvo 600 dispensa una pluralidad de filas de material en polvo por capa. En algunas realizaciones de ejemplo, las filas de polvo dispensado por el dispensador de polvo 600 se extienden fuera de línea en una bandeja de extensión dedicada 670 que incluye una pluralidad de canales 660 en los que se recibe el polvo 51. En algunas realizaciones de ejemplo, el dispensador de polvo 600 incluye un primer carril 610 que hace avanzar los canales debajo de la tolva 640 de modo que la tolva pueda dispensar polvo en cada uno de la pluralidad de canales 660 de la bandeja dispensadora de polvo a su vez, y un segundo carril 620 que mueve la bandeja dispensadora de polvo debajo de la tolva de modo que la tolva 640 dispensa polvo 51 a través de una punta dispensadora 650 a lo largo de cada uno de la pluralidad de canales 660 hasta que se hayan llenado todos los canales. Típicamente, el movimiento a lo largo de cada uno del primer carril 610 y el segundo carril 620 se activa con un motor dedicado. En algunas realizaciones de ejemplo, la tolva de polvo 640 incluye una barrena para una dosificación precisa de polvo por fila, p. ej., por canal 660. Típicamente, la barrena se rota de forma controlable con un motor dedicado. Opcionalmente, la barrena se acciona mientras el segundo carril 620 mueve la bandeja dispensadora de polvo debajo de la tolva 640 mientras dispensa el polvo 51 a lo largo de cada uno de la pluralidad de canales 660 y no se acciona mientras el primer carril 610 mueve la bandeja dispensadora de polvo de manera que la tolva 640 de polvo está encima de cada uno de la pluralidad de canales 660 a su vez.

De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, el dispensador de polvo 600 incluye un pistón 630 que acciona la transferencia de las filas de material en polvo desde la bandeja de extensión 670 a la bandeja de construcción 200 (figura 15) una vez que se han preparado todas las filas. En algunas realizaciones de ejemplo, el pistón 630 está configurado para voltear simultáneamente cada uno de los canales 660 de la bandeja de extensión 670 sobre la bandeja de construcción 200. En otras realizaciones de ejemplo, cada uno de los canales 660 incluye una rendija longitudinal a lo largo de la base del canal que está cubierta o cerrada y el pistón 630 está configurado para actuar simultáneamente abriendo las rendijas longitudinales para dispensar filas de material en polvo sobre la bandeja de construcción 200.

De acuerdo con algunas realizaciones de ejemplo, las filas se colocan en la bandeja de construcción de manera que queden paralelas con un rodillo 25 (figura 13), p. ej., en paralelo al eje 24 de rotación del rodillo 25 y perpendicular al movimiento lineal del rodillo 25 a través de la bandeja de construcción, p. ej., perpendicular al eje X (figura 13). Opcionalmente, se extienden 2-20 filas de polvo en la bandeja de extensión 670 por capa. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, el rodillo 25 extiende las filas de polvo 51 a través de la bandeja de construcción 200.

Ahora se hace referencia a la figura 17 que muestra una unidad de extensión ilustrativa de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, una unidad de extensión 700 incluye un rodillo 25, un par de canalones laterales 730 y un par de canalones de extremo 740. Los canalones laterales 730 y los canalones de extremo 740 están configurados para recoger el exceso de polvo 51 en la bandeja de construcción 200 cuando el rodillo 25 se hace rodar a través de la bandeja de construcción 200. De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, el rodillo 25 se acciona para moverse a lo largo de un carril 710 a través de la bandeja de construcción 200 a lo largo del eje X (figura 13) y también se acciona con un motor 720 para rotar alrededor de su eje 24. Típicamente, el motor 720 se desplaza sobre el carril 710 y hace rotar el rodillo 25 a medida que se mueve a través de la bandeja de construcción 200 a lo largo de una dirección del eje X. El rodillo 25 puede accionarse para moverse hacia delante, hacia atrás a lo largo de una dirección del eje X o hacia delante y hacia atrás a lo largo de una dirección del eje X. Opcionalmente, la unidad de extensión 700 alterna entre mover el rodillo 25 en una dirección hacia delante y hacia atrás. Típicamente, una dirección de rotación del rodillo 25 alrededor de su eje 24 está adaptada a la dirección lineal de movimiento del rodillo 25.

De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, cada uno de los canalones laterales 730 se coloca debajo de cada extremo del rodillo 25 y el par de canalones laterales 730 se mueven junto con el rodillo 25 a lo largo del carril 710. Los canalones laterales están configurados para recoger el exceso de polvo 51 que cae de la bandeja de construcción 200 cuando el rodillo 25 extiende el polvo 51. En algunas realizaciones de ejemplo, una longitud de canalón lateral 730 a lo largo de una dirección del carril 710 (en una dirección del eje X) es al menos dos veces el diámetro del rodillo 25.

De acuerdo con algunas realizaciones ilustrativas, cada uno de los canalones de extremo 740 está ubicado cerca de un borde de la bandeja de construcción 200 que es paralela al rodillo 25 y perpendicular al carril 710 y se extiende al menos a lo largo de todo el borde de la bandeja de construcción 200 para recoger el exceso de polvo que cae de la bandeja de construcción 200 cuando el rodillo 25 extiende el polvo 51. En algunas realizaciones de ejemplo, los canalones de extremo 740 están colocados en el nivel en el que el rodillo 25 toca la bandeja de construcción 200 o la superficie de construcción, p. ej., parte superior de la capa más superior. Los canalones de extremo 740 se mueven junto con el rodillo 25 a lo largo del carril 710 pero también se accionan por separado para moverse hacia y lejos de la bandeja de construcción 200 según sea necesario. Opcionalmente, el movimiento de los canalones de extremo 740 hacia y lejos de la bandeja de construcción 200 es del orden de magnitud de 1 mm a 1 cm. En algunas realizaciones de ejemplo, los canalones de extremo están configurados para moverse hacia la bandeja de construcción 200 para recoger el exceso de polvo y alejarse de la bandeja de construcción durante el movimiento de la bandeja de construcción, p. ej., movimiento vertical o lateral de la bandeja de construcción 200.

De acuerdo con algunas realizaciones de ejemplo, se aplica un vacío (creando una succión de aire) para retirar el polvo acumulado en cada uno de los canalones laterales 730 y canalones de extremo 740 a medida que el rodillo extiende el polvo 51 a través de la bandeja de construcción 200. Opcionalmente, el vacío se aplica alternativamente a los canalones laterales 730 y los canalones de extremo 740 según la posición del rodillo 25. Opcionalmente, el vacío se aplica alternativamente a cada uno del par de canalones de extremo 740 en función de la posición del rodillo 25. En algunas realizaciones ilustrativas, entre el 50 %-80 % del polvo 51 que se dispensa por capa en la bandeja de construcción 200 se recoge en los canalones laterales 730 y los canalones de extremo 740. El polvo recolectado puede transferirse a un sistema de recirculación que reintroduce el polvo recolectado en la tolva 640 de polvo.

Ahora se hace referencia a la figura 18 que muestra un dibujo de ejemplo de un sistema de recirculación de polvo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invención. De acuerdo con algunas realizaciones de ejemplo, un sistema de recirculación de polvo 800 incluye un recipiente 810 que está configurado para recibir el polvo recogido de los canalones laterales 730 y los canalones de extremo 740 de la unidad de extensión 700, uno o más separadores ciclónicos 820 configurados para retirar el aire del polvo en el recipiente 810, una malla 840 para separar los residuos del polvo separados por separadores ciclónicos 820 y un pico 860 a través del cual se distribuye el polvo en la tolva 640 de polvo. En algunas realizaciones ilustrativas, los separadores ciclónicos 820 funcionan en serie. Opcionalmente, la serie facilita la recolección de partículas de polvo de diferentes tamaños y pesos con una alta eficiencia variando las condiciones de filtrado (p. ej., velocidad del flujo de aire, diámetro del ciclón) de un separador ciclónico 820 a otro. Por ejemplo, el contenido del recipiente 810 puede introducirse primero en uno de los separadores ciclónicos 820. El aire extraído del primer separador ciclónico puede introducirse en un segundo separador ciclónico 820. Opcionalmente, el aire extraído del primer separador ciclónico todavía puede contener material en polvo y ese material puede separarse en el segundo separador ciclónico. Este proceso puede continuar para todos los separadores ciclónicos. Típicamente, el polvo se introduce de manera sustancialmente continua en el recipiente 810 durante el proceso de extensión y se transmite de manera sustancialmente continua desde un separador ciclónico al siguiente, de modo que todos los separadores ciclónicos funcionan simultáneamente. Opcionalmente, el sistema de recirculación de polvo 800 incluye cuatro separadores ciclónicos.

De acuerdo con algunas realizaciones de ejemplo, los separadores ciclónicos incluyen tapas configuradas para sellar una salida durante el funcionamiento del separador ciclónico. En algunas realizaciones de ejemplo, la tapa se libera periódicamente para recoger el polvo de los separadores ciclónicos 820. Típicamente, la tapa se libera entre períodos de funcionamiento de la unidad de extensión 700. Opcionalmente, un pistón 830 controla una liberación simultánea de todas las tapas. En algunas realizaciones de ejemplo, el polvo recogido de los separadores ciclónicos 820 se filtra a través de la malla 840 para separarlo de cualquier residuo o polvo aglomerado que pueda haberse recogido. Opcionalmente, un pistón 850 acciona la vibración de la malla 840 para facilitar el filtrado. El polvo filtrado a través de la malla puede luego introducirse en la tolva y mezclarse con el polvo en la tolva 640.

Los términos "comprende", "que comprende", "incluye", "que incluye", "que tiene" y sus formas conjugadas significan "que incluye, pero sin limitación".

El término "que consiste en" significa "que incluye y limitado a".

El término "que consiste esencialmente en" significa que la composición, método o estructura pueden incluir ingredientes adicionales, etapas y/o piezas, pero solo si los ingredientes adicionales, etapas y/o piezas no alteran materialmente las características básicas y novedosas de la composición reivindicada, método o estructura.

Se aprecia que ciertas características de la invención, las cuales, para mayor claridad, se describen en el contexto de realizaciones separadas, también pueden proporcionarse en combinación en una sola realización. Por el contrario, varias características de la invención, las cuales, para mayor brevedad, se describen en el contexto de una sola realización, también se puede proporcionar por separado o en cualquier combinación secundaria adecuada o como sea adecuado en cualquier otra realización descrita de la invención. Ciertas características descritas en el contexto de diversas realizaciones no deben considerarse características esenciales de esas realizaciones, a menos que la realización no funcione sin esos elementos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100) para construir un compacto verde tridimensional (15) en una bandeja de construcción, comprendiendo el sistema:

una estación de impresión (30) que comprende:

un cabezal de impresión (35) configurado para dispensar selectivamente una tinta solidificable en una bandeja de construcción (200) para formar un patrón de máscara; y

una unidad de curado (33) configurada para curar el patrón de máscara que se forma en la bandeja de construcción (200) con luz UV;

una estación de suministro de polvo (545) configurada para suministrar una capa de material en polvo (51) sobre el patrón de máscara curado;

una estación de compactación de troquel (40) para compactar el material en polvo (51) y el patrón de máscara curado; y

una zona de precisión (250) configurada para hacer avanzar repetidamente la bandeja de construcción (200) a cada una de la estación de impresión (30), la estación de suministro de polvo (545) y la estación de compactación de troquel (40) para construir una pluralidad de capas que juntas forman el compacto verde tridimensional (15).

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la luz UV de la unidad de curado (33) está configurada para curar material fotopolimérico.

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende un controlador (300) configurado para coordinar el funcionamiento de cada una de la estación de impresión (30), la estación de suministro de polvo (545) y una estación de compactación de troquel (40) con posicionamiento de la bandeja de construcción (200) en la zona de precisión (250).

4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el cabezal de impresión (35) y la unidad de curado (33) se soportan en una zona Y, moviéndose la zona Y perpendicularmente a la zona X y en donde el controlador (300) está configurado para coordinar el posicionamiento de la bandeja de construcción (200) con el posicionamiento de la zona Y durante el funcionamiento de la estación de impresión (30).

5. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde el cabezal de impresión (35) y la unidad de curado (33) se soportan en una zona X-Y.

6. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde el cabezal de impresión (35) es un cabezal de impresión por chorro de tinta que incluye una serie de boquillas a través de las cuales se deposita selectivamente la tinta solidificable.

7. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde la estación de suministro de polvo (545) comprende:

un dispensador de polvo configurado para dispensar una pluralidad de filas de material en polvo por capa;

un rodillo que se acciona para rotar mientras se mueve a través de la bandeja de construcción para extender el material en polvo por capa; y

canalones colocados alrededor de la bandeja de construcción.

8. El sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde la estación de compactación de troquel (40) incluye paredes laterales que están configuradas para introducirse alrededor de la bandeja de construcción basándose en el contacto de la capa con la estación de compactación.

9. Un método para construir un compacto verde tridimensional (15), comprendiendo el método:

imprimir un patrón de máscara en una bandeja de construcción (200), en donde la impresión comprende dispensar selectivamente una tinta solidificable en la bandeja de construcción (200);

curar la tinta solidificable para formar un patrón de máscara; suministrar material en polvo (51) sobre el patrón de máscara para formar una capa del compacto verde; compactar la capa; y

repetir la impresión, suministro y compactación hasta completar el compacto verde tridimensional (15).

10. El método de la reivindicación 9, en donde el patrón de máscara se imprime con un cabezal de impresión de chorro de tinta que incluye una serie de boquillas a través de las cuales se dispensa selectivamente la tinta solidificable.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el suministro de material en polvo comprende: dispensar una pluralidad de filas de material en polvo (51); y

extender la pluralidad de filas de material en polvo (51) con un rodillo (25) que se acciona para rotar y moverse a través de la capa, en donde la pluralidad de filas de material en polvo (51) se coloca perpendicular a una dirección de extensión.

12. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 que comprende al menos uno de: invertir la dirección de extensión de una capa de polvo a la siguiente; y variar el posicionamiento de la pluralidad de filas de material en polvo (51) desde una capa de polvo a la siguiente.

13. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9-12, que comprende, además:

recoger el exceso de material en polvo (51) que cae de los bordes de la bandeja de construcción (200) durante la extensión y recircular el exceso de material en polvo (51) a una tolva de polvo (640);

succionar el exceso de material en polvo (51) hasta al menos un separador ciclónico (820);

separar el material en polvo (51) del aire en el al menos un separador ciclónico (820);

filtrar el material en polvo (51) del al menos un separador ciclónico (820) con una malla (840); y

suministrar material en polvo (51) filtrado a través de la malla (840) a una tolva de polvo (640), en donde la tolva de polvo (640) proporciona el material en polvo (51) para construir el compacto verde tridimensional (15).

14. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9-13, en donde la impresión, suministro y compactación se realizan a temperatura ambiente.

15. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9-14, en donde se forma una primera capa sobre una bandeja de construcción (200) revestida con un material pegajoso.