IT201600069590A1

IT201600069590A1 - Pistone per un'apparecchiatura per additive manufacturing

Info

Publication number: IT201600069590A1
Application number: IT102016000069590A
Authority: IT
Inventors: Mauro Varetti
Original assignee: 3D New Tech S R L
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-05
Also published as: WO2018007941A1

Description

“PISTONE PER UN’APPARECCHIATURA PER ADDITIVE MANUFACTURING”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un pistone per un’apparecchiatura per additive manufacturing.

Il termine additive manufacturing si riferisce ad un processo con il quale dati di progetto tridimensionali vengono usati per costruire un componente deponendo progressivamente vari strati di materiale. L’additive manufacturing è una tecnica di produzione professionale chiaramente distinta da metodi convenzionali di rimozione di materiale: invece di produrre un semilavorato partendo da un blocco solido si costruiscono componenti strato-per-strato partendo da materiali che sono disponibili in forma di polvere sottile. E’ possibile utilizzare molte diverse tipologie di materiali, in particolare metalli, plastiche o componenti compositi.

Il processo inizia deponendo uno strato sottile di materiale in polvere su una piattaforma (letto) di costruzione. Viene quindi utilizzato un fascio laser che fonde la polvere esattamente in punti predefiniti in base di progetto del componente. La piattaforma viene poi abbassata e viene applicato un successivo strato di polvere, e il materiale viene nuovamente fuso in modo da legarsi allo strato sottostante nei punti predefiniti.

Nella figura 1 è mostrata un’apparecchiatura per additive manufacturing 1 secondo la tecnica nota.

Tale apparecchiatura comprende una sorgente laser, un’associata ottica per la trasmissione di un fascio e un’ottica scanner, complessivamente indicati con il riferimento 2, atti ad emettere un fascio laser 4 il quale viene indirizzato su un letto di polvere 6 supportato da una piattaforma 6a.

Il fascio laser 4 realizza progressivamente un lavorato 8 sinterizzando (laser melting) progressivamente strati di polvere depositati in modo per sé noto sul letto di polvere 6. La piattaforma 6a è supportata da un pistone 6b il quale si abbassa verticalmente lungo una direzione verticale Z man mano che il lavorato 8 prende forma e aumenta di dimensione. Il pistone 6b si abbassa grazie ad un attuatore che è solitamente uno stelo 6c con vite a ricircolazione di sfere. La costruzione di lavorati 8 lunghi (nella direzione Z) è molto ricercata in quanto le contrazioni del lavorato 8, provocate dal suo raffreddamento dalla temperatura di fusione alla temperatura ambiente, sono sia prevedibili che compensabili senza imporre vincoli con supporti, i quali indurrebbero tensioni e deformazioni poi difficili da rimuovere.

Una configurazione del tipo sopra descritto influenza però l’architettura dell’apparecchiatura complessiva richiedendo un’altezza della stessa progressivamente tanto maggiore quanto più estesa è la corsa utile lungo la direzione Z.

Infatti, l’ingombro complessivo in altezza del pistone 6b, dello stelo 6c e del lavorato 8, inclusivo della sua piastra di accrescimento di per sé nota, è pari a poco più del doppio della corsa utile dell’apparecchiatura, e questo rende necessaria la costruzione di un’apparecchiatura di eccessiva altezza e di difficile gestione.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di proporre un pistone per un’apparecchiatura per additive manufacturing che consenta di realizzare lavorati di elevate dimensioni verticali senza la necessità di disporre di eccessivi spazi verticali per alloggiare il pistone e il suo sistema di movimentazione.

Questo ed altri scopi vengono raggiunti con un pistone per un’apparecchiatura per additive manufacturing le cui caratteristiche sono definite nella rivendicazione 1.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrante della presente descrizione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1, già descritta, mostra un’apparecchiatura per additive manufacturing secondo la tecnica nota;

- la Figura 2 mostra una vista assonometrica dall’alto di un pistone secondo la presente invenzione;

- la Figura 3 mostra una vista assonometrica del pistone e dell’involucro;

- la Figura 4 mostra una vista in sezione della piastra di scorrimento;

- la Figura 5 mostra una vista dall’alto della piastra di supporto alloggiata dentro l’involucro:

- la Figura 6 mostra una vista in sezione della piastra di supporto in corrispondenza delle protuberanze; - la Figura 7 illustra una vista dall’alto di una sezione della piastra di accrescimento; e

- la Figura 8 mostra un ingrandimento della zona indicata con il riferimento A nella figura 7.

In sintesi, il pistone della presente invenzione prevede un sistema di interfaccia con il letto di polvere dell’apparecchiatura e un sistema di movimentazione con agganci laterali (preferibilmente pari a tre) ciascuno collegato ad un proprio sistema di sollevamento e abbassamento, controllato in modo per sé noto, in modo da mantenere sempre piana la superficie superiore del lavorato e garantire l’orizzontalità della piastra di accrescimento. In figura 2 è mostrata una vista assonometrica dall’alto di un pistone 100 secondo la presente invenzione il quale scorre in un involucro esterno 102 (o camera di lavoro), preferibilmente di forma prismatica e spessore predeterminato, preferibilmente pari a 5mm.

Il pistone 100 comprende una piastra di supporto 104 sulla quale è fissata una piastra di scorrimento 106. Sulla piastra di scorrimento 106 è presente una piastra di accrescimento 107 (vedere figura 4) sulla quale viene realizzato un lavorato 108.

L’involucro 102 è fissato ad un letto di polvere 110 il quale presenta, in modo per sé noto, un foro centrale 112 nel quale viene progressivamente fatta cadere della polvere per la realizzazione, tramite fusione laser, del lavorato 108.

In figura 3 è mostrata una vista assonometrica del pistone 100 e dell’involucro 102 il quale comprende, in una sua porzione superiore, una cornice di arresto 114 che assicura il corretto posizionamento verticale dell’involucro 102 quando viene posta a contatto (inferiormente) con il piano del letto di polvere 110; in questo modo si evita che una porzione terminale superiore 116 dell’involucro 102 si estenda oltre il letto di polvere, interferendo meccanicamente con il movimento di trascinamento orizzontale di una racla (non mostrata in figura) che scorre sul letto di polvere 110 stesso.

L’involucro 102 presenta una pluralità di scanalature laterali verticali 118, preferibilmente 3, lungo le quali scorre la piastra di supporto 104 come meglio descritto in seguito.

Le scanalature 118 sono ricavate su due pareti opposte dell’involucro 102: due sono distanziate tra loro in modo da massimizzare la loro distanza mentre la terza scanalatura si trova sulla faccia opposta, posizionata preferibilmente al centro di detta faccia. In questo modo si ottiene il più ampio triangolo di riferimento che permette di attuare con maggior precisone l’allineamento orizzontale della piastra di accrescimento 107.

L’involucro 102 è provvisto, internamente nella parte inferiore, di un riscontro di arresto 102a sul quale si appoggia la piastra di scorrimento 106 quando arriva a fine corsa e deve essere sganciata dalla piastra di supporto 104 sottostante; tale riscontro 102a impedisce lo sfilamento della piastra di scorrimento 106 dall’involucro 102 durante le fasi successive di manipolazione del pistone 100.

Nella figura 4 è mostrata una vista in sezione della piastra di scorrimento 106 sulla quale è fissata, in maniera solidale, la piastra di accrescimento 107 (su cui viene realizzato il lavorato 108). La piastra di scorrimento 106 è agganciabile e sganciabile dalla piastra di supporto 104 tramite dispositivi di connessione 104a ad innesto rapido. Quando la piastra di scorrimento 106 arriva in prossimità del riscontro di arresto 102a i dispositivi di connessione 104a disimpegnano la piastra di supporto 104, che arresta quindi la sua discesa. Fino a questo punto il peso della polvere, del lavorato 108 e della piastra di scorrimento 106 è sostenuto dalla piastra di supporto 104, mentre il peso sostenuto dal piano di lavoro del letto di polvere 110 è solo quello dell’involucro 102 ancorato sotto il piano medesimo. Per evitare che, continuando la discesa della piastra di supporto 104, il peso di tutto il materiale sia sostenuto dal piano di lavoro, viene vantaggiosamente inserito un sistema esterno di sostegno ed estrazione dell’involucro 102 con tutto il suo contenuto, permettendo al pistone 100 di raggiungere una posizione di riposo inferiore e permettere lo sfilamento dell’involucro 102 verso il basso fino al completo disimpegno dal foro 112. La piastra di scorrimento 106 presenta, sul suo perimetro esterno, un incavo 120 per l’alloggiamento di una guarnizione (ad esempio siliconica) atta ad impedire la caduta, al di sotto della piastra di scorrimento 106 stessa, della polvere che scende attraverso il foro 112.

Sotto la piastra di accrescimento 107 sono vantaggiosamente fissati una termocoppia 122 per il controllo della temperatura basale e un estensimetro (strain gauge) 124 per il controllo delle deformazioni indotte dai materiali durante la costruzione del lavorato 108.

Le connessioni di questi strumenti con un sistema di controllo dell’apparecchiatura (non mostrato in figura) avvengono attraverso cavi che attraversano, mediante aperture, la piastra di scorrimento 106 e si collegano in modo per sé noto al circuito dell’apparecchiatura stessa. La piastra di scorrimento 106 e la piastra di accrescimento 107 sono vantaggiosamente collegate tra loro mediante una cornice di ritegno 126, ma altri sistemi noti di aggancio possono essere utilizzati.

Alla piastra di scorrimento 106 sono collegate una pluralità di serrande metalliche scorrevoli 128 poste rispettivamente dentro le scanalature 118 mediante guide atte a mantenerle in prossimità della parete interna dell’involucro 102.

La figura 5 mostra una vista dall’alto della piastra di supporto 104 alloggiata dentro l’involucro 102 la quale presenta delle protuberanze 104b, atte ad essere fissate a rispettive madreviti 130 all’interno delle quali scorrono rispettive viti a ricircolazione di sfere 132, in modo tale per cui le madreviti 130, avvitandosi e svitandosi sulle viti 132, scorrono verticalmente trascinando verso l’alto o verso il basso la piastra di supporto 104 e la piastra di scorrimento 106 ad essa agganciata mediante gli innesti 104a, e con essa le serrande 128. La protuberanze 104b sono posizionate in corrispondenza delle scanalature 118.

Le serrande 128 sono fissate preferibilmente mediante viti o incastri alla piastra di scorrimento 106, e sono atte a sigillare aperture presenti nell’involucro 102 in corrispondenza delle scanalature 118 per consentire lo scorrimento verticale delle protuberanze 104b man mano che la piastra di scorrimento 106 scende e lo spazio al di sopra di essa si riempie di povere.

Le serrande di tenuta 128 comprendono ciascuna un nastro metallico sottile e flessibile che si impegna, scorrendo lungo l’associata scanalatura 118, in guide che possono essere sia integrali nell’involucro 102 oppure montate su di esso. Il nastro, quando la piastra di scorrimento 106 è in posizione di massima elevazione, fuoriesce dall’involucro 102 e viene vantaggiosamente alloggiato in un fodero solidale con l’involucro 102 e applicato sotto il piano di lavoro del letto di polvere 110.

La piastra di accrescimento 107 può essere ricondizionata per un numero predeterminato di volte mediante spianatura su apposita macchina utensile.

In figura 6 è mostrata una vista in sezione della piastra di supporto 104 in corrispondenza delle protuberanze 104b mentre in figura 7 è illustrata una vista dall’alto di una sezione che mostra l’accoppiamento tra un blocchetto 134 che fissa la serranda di tenuta 128 alla piastra di scorrimento 106 guidandola nello scorrimento verticale attraverso appoggi maschio-femmina ricavati ai lati della scanalatura 118. Il blocchetto 134 viene collegato, mediante viti, alla piastra di scorrimento 106 al di sotto della guarnizione; in questo modo il nastro flessibile (la serranda 128) viene pizzicato tra il blocchetto 134 e la piastra di scorrimento 106 e li segue verso l’alto e verso il basso.

Nella figura 8 è mostrato un ingrandimento della zona indicata con il riferimento A nella figura 7, in cui si vede una scanalatura 128a nell’involucro 102 per l’alloggiamento della serranda 128.

Il pistone della presente invenzione offre l’indubbio vantaggio di alloggiare il trasduttore di posizione verticale per il controllo di posizione lungo la direzione Z fuori dalla camera di lavoro.

Occorre notare che il carico sulla piastra di scorrimento 106 è sempre ben centrato poiché il peso maggiore è costituito dalla polvere che riempie uniformemente tutto lo spazio all’interno dell’involucro 102, e un’eventuale piccola eccentricità sarà ascrivibile solo alla polvere che, trasformandosi in pezzo solido, potrebbe dare origine ad un baricentro del lavorato 108 lievemente spostato.

Il pistone della presente invenzione permette inoltre di incorporare il meccanismo di messa in bolla della piastra di accrescimento 107 agendo individualmente sui tre motori delle viti 132 in fase di azzeramento iniziale, e inoltre consente di introdurre correzioni di orizzontalità in corso di processo per compensare deformazioni del lavorato 108.

I vantaggi principali della presente invenzione sono:

- viene contenuto in senso verticale l’ingombro del meccanismo di attuazione per la movimentazione delle piastra di accrescimento, consentendo all’apparecchiatura di avere altezze decisamente contenute;

- si evita la fuoriuscita delle polvere grazie alle serrande flessibili che otturano le feritoie man mano che la piastra di scorrimento si abbassa;

- si può correggere l’orizzontalità della piastra di scorrimento al momento dell’azzeramento ed eventualmente anche durante il processo stesso;

- si estrae facilmente e rapidamente la camera di lavoro (con attrezzatura esterna) e si può quindi riequipaggiare la macchina con una camera di lavoro ricondizionata e pronta all’uso;

- si alloggia facilmente nella base del pistone la piastra per il preriscaldo ad induzione;

In una variante di questa invenzione si prevedono solo due scanalture 18 nell’involucro 102 sono solo due e sono poste sulla medesima faccia in modo che la discesa della piastra di supporto 104 avvenga mediante due forcole che si impegnano in dette fessure 120. Il movimento verticale in questo caso viene assicurato da un solo attuatore, e poiché il peso che progressivamente si accumula tende a fare ruotare il piano di appoggio che lavora a sbalzo, è presente un sistema a una compensazione, di per sé noto, che agisce sulla verticalità compensando gli squilibri.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pistone (100) per apparecchiatura per additive manufacturing per la costruzione di un lavorato (108) comprendente: - un involucro (102), atto ad essere fissato ad un letto di polvere (110) di un’apparecchiatura per additive manufacturing provvisto di polvere, detto involucro essendo atto a contenere mezzi di scorrimento (104, 106, 107) atti a supportare detto lavorato (108), detta polvere essendo predisposta per cadere dal letto di polvere (110) all’interno di detto involucro (102) su detti mezzi di scorrimento (104, 106, 107); in cui detto involucro (102) presenta una pluralità di scanalature laterali verticali (118) a cui corrispondono rispettive aperture nell’involucro (102) per consentire lo scorrimento verticale di detti mezzi di scorrimento (104, 106, 107) lungo dette scanalature (118), detto pistone (100) comprendendo inoltre una pluralità di serrande (128) collegate a detti mezzi di scorrimento (104, 106, 107) e rispettivamente poste dentro dette scanalature (118), in modo tale da sigillare dette aperture man mano che lo spazio al di sopra dei mezzi di scorrimento (104, 106, 107) si riempie di povere.
2. Pistone secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di scorrimento (104, 106, 107) comprendono una piastra di supporto (104) atta a scorrere lungo le scanalature (118), una piastra di scorrimento (106) fissata sulla piastra di supporto (104) e una piastra di accrescimento (107) fissata sulla piastra di scorrimento (106).
3. Pistone secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’involucro (102) comprende, in una sua porzione superiore, una cornice di arresto (114) che assicura il corretto posizionamento verticale dell’involucro (102) quando viene posta a contatto inferiormente con il piano del letto di polvere (110), in modo da evitare che una porzione terminale superiore (116) dell’involucro (102) si estenda oltre il letto di polvere (110) interferendo meccanicamente con il movimento di trascinamento orizzontale di una racla che scorre sul letto di polvere (110) stesso.
4. Pistone secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le scanalature (118) sono tre e sono ricavate su due pareti opposte dell’involucro (102), due scanalature (118) essendo distanziate tra loro di una distanza predeterminata e la terza scanalatura trovandosi al centro della faccia opposta.
5. Pistone secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui l’involucro (102) è provvisto, internamente nella parte inferiore, di un riscontro di arresto (102a) sul quale si appoggia la piastra di scorrimento (106) quando arriva a fine corsa e deve essere sganciata dalla piastra di supporto (104) sottostante.
6. Pistone secondo la rivendicazione 2, in cui la piastra di scorrimento (106) è agganciabile e sganciabile dalla piastra di supporto (104) tramite dispositivi di connessione (104a) ad innesto rapido.
7. Pistone secondo la rivendicazione 2, in cui la piastra di scorrimento (106) presenta, sul suo perimetro esterno, un incavo (120) per l’alloggiamento di una guarnizione atta ad impedire la caduta, al di sotto della piastra di scorrimento (106) stessa, della polvere che scende all’interno dell’involucro (102).
8. Pistone secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7, in cui sotto la piastra di accrescimento (107) sono fissati una termocoppia (122) per il controllo della temperatura basale e un estensimetro (124) per il controllo delle deformazioni indotte durante la costruzione del lavorato (108).
9. Pistone secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 8, in cui la piastra di supporto (104) presenta delle protuberanze (104b) atte ad essere fissate a rispettive madreviti (130) all’interno delle quali scorrono rispettive viti a ricircolazione di sfere (132), in modo tale per cui le madreviti (130), avvitandosi e svitandosi sulle viti (132), scorrono verticalmente trascinando verso l’alto o verso il basso la piastra di supporto (104), dette protuberanze (104b) essendo posizionate in corrispondenza delle scanalature (118).
10. Pistone secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le serrande (128) comprendono ciascuna un nastro metallico sottile e flessibile che si impegna, scorrendo lungo l’associata scanalatura (118), in guide poste nell’involucro (102).