IT201800004065A1 - Apparato per stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, con sistema a membrana elastica indipendente e riferimento basculante e relativi metodi di utilizzo. - Google Patents

Description

APPARATO PER STAMPA 3D DI TIPO A FOTO-INDURIMENTO BOTTOM-UP, CON SISTEMA A MEMBRANA ELASTICA INDIPENDENTE E RIFERIMENTO BASCULANTE E RELATIVI METODI DI UTILIZZO

La presente invenzione concerne un apparato per la stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, con sistema a membrana elastica indipendente e riferimento basculante e i relativi metodi di utilizzo.

Più in particolare, l’invenzione riguarda un’innovativa metodologia di produzione di oggetti tridimensionali, tramite un processo di fotoindurimento di materiali fotosensibili, che consente di realizzare oggetti tridimensionali secondo un processo sequenziale di formazione, aumentando considerevolmente la velocità, la precisione e le qualità meccaniche del prodotto finale, rispetto a quanto ottenibile mediante le metodologie di tipo noto.

L’invenzione si riferisce al campo della stampa tridimensionale, comunemente chiamata stampa 3D, e in particolare alla tecnologia di stampa 3D mediante fotoindurimento, ovvero indurimento di un particolare tipo di polimero per effetto dell’esposizione ad una radiazione luminosa.

È noto che nel campo della tecnologia di stampa 3D mediante foto-indurimento possono essere comprese due tecnologie di base, la stampa stereolitografica, nella quale si usa un laser emettente nell’intorno dei 400nm, per solidificare mediante il fascio emesso un polimero foto-indurente allo stato liquido che si trova in una apposita vasca; e la stampa DLP (acronimo dell’espressione inglese Digital Light Processing), secondo la quale un polimero foto-indurente (o resina liquida foto-indurente) sempre allo stato liquido in una vasca, viene esposto alla radiazione luminosa emessa da un dispositivo simile ad un proiettore.

Secondo entrambe queste tecnologie, il procedimento di stampa procede realizzando uno strato dopo l’altro, ovvero solidificando un primo strato aderente ad una piastra di supporto (o piastra di estrazione) e successivamente un secondo strato aderente a detto primo strato e così via fino alla formazione dell’oggetto completo. Secondo questa tecnologia, quindi, i dati che rappresentano l’oggetto tridimensionale da realizzare vengono organizzati come una serie di strati bidimensionali che rappresentano sezioni trasversali dell’oggetto.

Il processo Bottom-Up, applicato alle macchine sia di tipo SLA che DLP, prevede che la piastra di estrazione dell’oggetto si muova dal basso verso l’alto, con un movimento basculante layer-by-layer (strato su strato).

In buona sostanza, il processo di formazione dell’oggetto tridimensionale è così costituito:

- un software suddivide il modello 3D, fornito in input per la stampa, in una successione ordinata di strati, dello spessore determinato in funzione della tecnologia adottata, della opacità del polimero, della quantità di catalizzatore, del grado di precisione che si vuole ottenere e delle caratteristiche della macchina in dotazione, solitamente tra i 50 e 200 micron, ma, in ogni caso, una successione di un numero discreto e finito di strati;

- una piastra di supporto, anche detta piastra di estrazione, costituita da un materiale in grado di facilitare l’incollaggio su se stessa del primo strato di polimero, si porta ad una distanza prefissata dal primo strato e attende che il fascio luminoso (SLA o DLP) solidifichi il primo strato; poi si alza di una distanza sufficiente a fare in modo che lo strato appena formato si stacchi dal fondo della vasca (solitamente circa 1mm) e quindi si riabbassa della stessa distanza, meno la distanza prefissata per la formazione del secondo strato, e così via fino alla formazione dell’intero oggetto.

Il movimento di va e vieni che ne risulta, detto anche movimento basculante, ha due scopi principali: consente allo strato appena formato di staccarsi dal fondo della vasca, e allo stesso tempo permette ad una nuova quantità di resina liquida non polimerizzata di interporsi tra lo strato appena formato e il fondo del recipiente, per consentire il rinnovo di materiale ancora allo stato liquido sotto allo strato già solidificato, per l’indurimento e la formazione dello strato successivo.

Un tema non meno importante riguarda le caratteristiche del sistema di raccolta della resina, la cosiddetta vasca, che ha il compito non solo di contenere il polimero liquido dal quale si ottiene per foto-indurimento l’oggetto tridimensionale stampato, ma anche quello di agevolare la formazione e il distacco dello strato appena costituito, e di prediligere l’incollaggio dello stesso verso la piastra d’estrazione, senza che la resistenza meccanica ne comprometta l’integrità.

Analizzando le caratteristiche delle soluzioni secondo la tecnica nota, è possibile schematizzare i sistemi di raccolta bottom-up, siano questi per tecnologia DLP che SLA, come segue:

- contenitore della resina, con fondo cavo;

- materiale trasparente alla radiazione luminosa, per copertura del fondo;

- membrana di materiale antiaderente a copertura del materiale trasparente.

Viene effettuato un foro, solitamente al centro del sistema di raccolta, per consentire il transito del fascio luminoso che dovrà innescare il fenomeno di foto-indurimento, il foro viene quindi coperto da un vetro che abbia caratteristiche di eccellente trasparenza alla radiazione luminosa (al fine di non perdere potenza luminosa incidente), quali ad esempio quarzo e borosilicato. Infine, certamente, la parte più importante per consentire il corretto svolgimento del processo riguarda la copertura del vetro con una membrana di materiale antiaderente, per permettere al primo strato di attaccarsi alla piastra di estrazione e ai successivi strati di unirsi in sequenza tra loro.

Il fallimento del processo porterebbe a far precipitare lo strato appena formato sul fondo della vasca, interrompendo il processo di formazione e facendo fallire la routine di stampa.

Nel seguito sono indagati gli effetti limitanti di questa tecnologia, che rendono la produzione dell’oggetto molto lenta (fino ad ore per centimetro), molto instabile e con capacità di realizzazione di oggetti di dimensioni ridotte.

Il primo limite nell’adozione delle tecnologie di foto-indurimento dal basso verso l’alto è quello della capacità antiaderente della membrana disposta sopra il vetro di fondo.

Infatti, come già accennato in precedenza, questa tipologia di stampa tridimensionale si fonda sulla capacità dello strato appena formato di legarsi, nel primo strato, alla piastra di estrazione, e, nei successivi, agli strati che lo precedono. Se però la resistenza meccanica imposta dalla membrana inferiore risulta essere superiore alla forza di coesione della superiore, inevitabilmente lo strato indurito rimarrà sul fondo della vasca interrompendo il processo di creazione dell’oggetto stampato tridimensionale.

Al di là delle più recenti tecniche innovative, quali il controllo dello strato di inibizione con ossigeno o con materiali autolubrificanti, solitamente si identificano due soluzioni note largamente adottate per la realizzazione della membrana antiaderente disposta sopra il vetro di fondo:

- l’utilizzo di materiali quali teflon o politetrafluoroetilene, anche detto PTFE;

- l’utilizzo di materiali a base siliconica, tipo polidimetilsilossano, anche detto PDMS.

In prima battuta, teflon e PTFE risultano essere particolarmente indicati per applicazione in stampa 3D, dal momento che hanno un’alta capacità termica (importante nel controllo della reazione esotermica di foto-indurimento) e al contempo un bassissimo accoppiamento (quasi comportamenti da inerte) con le resine foto-indurenti, che risultano essere particolarmente aggressive/reattive con altri materiali.

Lo svantaggio maggiore che rende teflon e PTFE quasi inapplicabili (se non per particolari applicazioni a bassissima sezione trasversale dell’oggetto da stampare) consiste nell’assoluta mancanza di capacità elastica di questi materiali. In particolare, secondo questa tecnologia di tipo noto, solitamente si utilizza un foglio di teflon (con uno spessore tra 125 e 250 micron) appoggiato sulla lastra di vetro disposta sul fondo della vasca, in assenza di aria tra il foglio di teflon e la lastra di vetro. In queste condizioni, il foglio di teflon tende ad aderire perfettamente alla lastra di vetro, diventando inevitabilmente un corpo unico con il fondo della vasca. Come sarà spiegato nel seguito, questa condizione di rigidità genera, tra oggetto appena indurito e teflon, un fenomeno definito effetto ventosa, che causa uno stress meccanico che tende (soprattutto per oggetti cuneiformi) a deformare plasticamente il teflon, rendendo impossibile il proseguo del processo di stampa e/o il riutilizzo della vasca e, fatto ancora più importante, l’enorme stress meccanico generato nella fase di basculamento tende a “rompere” l’oggetto, rendendo il successo di stampa casuale e non ripetibile.

PDMS e siliconi, d’altra parte, sono i materiali più largamente diffusi ed utilizzati, in quanto rispondono ad una condizione di compromesso tra interazione chimica e stress meccanico.

Solitamente, questi materiali sono colati e quindi incollati sul fondo della vasca e, con particolari tecniche, portati in piano per garantire la planarità tra la piastra di estrazione e il fondo della vasca (per garantire la formazione di uno strato senza deformazioni).

Questi materiali sono preferiti perché la maggiore “tenerezza” superficiale della membrana antiaderente disposta sopra il vetro di fondo consente la riduzione del fenomeno dell’effetto ventosa, come verrà spiegato nel seguito.

Lo svantaggio maggiore che limita l’applicazione di questi materiali e rende estremamente complessa la stabilizzazione del processo di stampa è dovuto al loro limite di applicabilità, ovvero alla inferiore resistenza termica e al maggiore accoppiamento chimico con la resina.

Infatti, il materiale siliconico tende ad assorbire con maggiore facilità la resina e la reazione esotermica prodotta dalla polimerizzazione (superando localmente i 400° con alcune resine), tende a cristallizzare il PDMS, con la conseguenza che il successivo movimento della piastra di estrazione genera uno stress meccanico che tende a “snervare”, e quindi a sbiancare, il materiale di supporto (fenomeno denominato “white shadow”). Ancora una volta questa perdita di capacità rende instabile il processo di stampa.

Il secondo limite nell’adozione delle tecnologie di foto-indurimento dal basso verso l’alto, è quello cosiddetto dell’effetto ventosa, che viene ad ingenerarsi tra la superficie dell’oggetto e quella della membrana di materiale antiaderente che copre la lastra trasparente alla radiazione luminosa disposta sul fondo della vasca.

Si nota immediatamente come si instaurino le condizioni per l’insorgere di questo fenomeno. Infatti, lo strato si immerge nella resina fino a quando si ritrova ad una distanza s (spessore dell’ennesimo strato) dalla membrana antiaderente (entrambe le superfici sono complanari e perfettamente piane proprio per conferire precisione agli strati che si andranno a formare); quindi si genera un nuovo strato per fotoindurimento. L’assenza di aria crea di fatto il vuoto tra le due superfici, che sono circondate da un liquido a più alta viscosità, in particolare quanto più le due superfici a contatto hanno una superficie ampia e quanto più i supporti che intercludono lo strato in formazione sono rigidi; lo stress meccanico che subisce il sistema e di conseguenza il nuovo strato formatosi (di soli pochi decimi di millimetro di spessore) sono enormi, con il rischio quindi di lacerare lo strato appena solidificato, che non si attaccherà alla superficie superiore, portando all’interruzione del processo di stampa.

Per ridurre gli effetti di questo fenomeno si procede in modo tale che la superficie della piastra di estrazione e degli oggetti da creare sia sufficientemente piccola (solitamente con tecnologie di questo tipo si creano oggetti delle dimensioni di circa 4x4, 5x5 centimetri) e allo stesso tempo che la velocità di risalita della piastra di estrazione nella fase di basculamento sia estremamente ridotta, aumentando sensibilmente il tempo di stampa (genericamente il tempo di basculamento risulta essere circa il 40% del tempo totale).

La soluzione migliore, però, consiste nell’utilizzare una membrana di materiale antiaderente con un certo grado di flessibilità, per generare un fenomeno di peeling (spellamento). In particolare, l’impiego di una membrana a base siliconica, che ha una grande capacità elastica, e la contestuale rimozione (o distanziamento) del fondo rigido della vasca, consente l’attivazione del fenomeno di peeling e, quindi, una sensibile riduzione dell’effetto ventosa.

Nella stampa con membrana elastica a “campo libero”, si innescano però tre problemi:

- il fenomeno della “corda”, per gravità, genera una distorsione dello strato e una perdita di precisione,

- l’assenza di compressione dello strato appena formato tra due strati rigidi indebolisce l’adesione dell’oggetto alla piastra di estrazione, e

- si incrementa l’effetto di “esfoliazione” dell’oggetto, sempre per mancanza di compressione tra due piani rigidi.

Secondo una tecnica alternativa, la membrana elastica è appoggiata su un supporto rigido. Questa tecnica sarebbe teoricamente la soluzione ideale alla risoluzione immediata del problema dell’effetto ventosa, allo stesso tempo senza incorrere nei problemi del sistema con membrana a “campo libero”, dal momento che il fondo della vasca conferirebbe il suo contributo di riferimento e compressione, e manterrebbe al contempo la planarità della membrana e contemporaneamente la membrana elastica, libera di “assecondare” il distacco dell’oggetto ridurrebbe l’effetto ventosa.

Anche il materiale siliconico ne trarrebbe beneficio, riducendo lo stress meccanico al quale vengono sottoposte le porzioni di materiale in cristallizzazione per effetto termico.

Nella realtà, la stessa membrana, appoggiandosi al supporto rigido, e rimuovendo l’aria che li separa, tende ad attaccarvisi sopra, di fatto trasferendo l’effetto ventosa tra i due mezzi, e annullando tutti i benefici sopra menzionati.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di:

- eliminare, o almeno ridurre, l’effetto ventosa, - ridurre lo stress meccanico indotto sull’oggetto in formazione,

- risolvere il problema della corda in sistemi a membrana elastica,

- incrementare la precisione di stampa,

- incrementare la vita operativa dei materiali di tipo silicone.

Inoltre, la soluzione secondo la presente invenzione consegue la possibilità di stampa in “stepping” di oggetti sia a bassa che ad alta sezione trasversale.

Questi ed altri risultati sono ottenuti secondo la presente invenzione proponendo un apparato per stampa 3D di tipo a foto indurimento bottom-up, con una membrana elastica appoggiata su un sistema rigido, ovvero sull’assieme costituito dal fondo forato della vasca e dalla lastra di vetro che ricopre il foro, in cui il sistema rigido è collegato a mezzi che ne generano un movimento basculante rispetto al resto della vasca, nonché a corrispondenti metodi di funzionamento.

Scopo della presente invenzione è quindi quello di fornire un apparato per la stampa 3D di tipo a fotoindurimento bottom-up, con sistema a membrana elastica indipendente e riferimento basculante e i relativi metodi di utilizzo che permettano di superare i limiti dei sistemi di stampa 3D a foto-indurimento bottom-up secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Ulteriore scopo dell’invenzione è che detto apparato e detti metodi possano essere realizzati con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione.

Non ultimo scopo dell’invenzione è quello di proporre un apparato per la stampa 3D di tipo a fotoindurimento bottom-up, con sistema a membrana elastica indipendente e riferimento basculante e i relativi metodi di utilizzo che siano semplici, sicuri ed affidabili.

Forma pertanto un primo oggetto specifico della presente invenzione un apparato per la stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, comprendente una sorgente luminosa sopra alla quale è disposta una vasca contenente un materiale liquido foto-indurente, al cui interno è immersa una piastra di estrazione, dotata di mezzi di spostamento con moto rettilineo alternato, lungo una direzione perpendicolare al fondo di detta vasca da una posizione ad una distanza dal fondo di detta vasca pari allo spessore di uno strato ottenibile per foto-indurimento di detto materiale liquido fotoindurente, il fondo di detta vasca essendo costituito da una membrana elastica trasparente alla radiazione di detta sorgente luminosa, detta vasca essendo posizionata in corrispondenza di un foro di una piastra di appoggi, detto foro essendo provvisto di un supporto rigido, trasparente alla radiazione di detta sorgente luminosa, in cui detto supporto rigido è dotato di mezzi di spostamento rispetto a detto foro, da una posizione in cui detto supporto rigido occupa detto foro, ed è a contatto con detta membrana elastica, ad una posizione in cui detto supporto rigido è discostato da detto foro e da detta membrana elastica.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, detto supporto rigido è accoppiato su un lato, con possibilità di rotazione intorno ad un asse di incernieramento, a detta piastra di appoggio, il lato opposto di detto supporto rigido essendo accoppiato a un sistema di movimentazione.

In particolare, secondo la presente invenzione, tra detta membrana elastica e detto supporto rigido può essere presente uno strato di componente adesivo.

Inoltre, secondo l’invenzione, detta vasca può essere rimovibile.

Forma inoltre un secondo oggetto specifico della presente invenzione un metodo di stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, attuato mediante l’apparato suddetto e comprendente le seguenti fasi:

a) formazione su una piastra di estrazione di uno strato solido mediante foto-indurimento di un materiale liquido foto-indurente compreso all’interno di una vasca, nello spazio compreso tra una piastra di estrazione e una membrana elastica, in cui un supporto rigido è a contatto con il lato inferiore di detta membrana elastica;

b) allontanamento di detto supporto rigido da detta membrana elastica, detta membrana elastica (23) rimanendo attaccata a detto strato solido;

c) sollevamento di detta piastra di estrazione, con progressivo distacco di detta membrana elastica (23);

d) ritorno di detto supporto rigido nella posizione iniziale, a contatto con detta membrana elastica;

e) abbassamento di detta piastra di estrazione fino ad una posizione in cui l’ultimo strato di materiale foto-indurito si trova alla distanza di uno strato da formare rispetto a detta membrana elastica.

Forma inoltre un terzo oggetto specifico della presente invenzione un metodo di stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, attuato mediante l’apparato precedentemente ristretto, comprendente le seguenti fasi:

a) formazione su una piastra di estrazione di uno strato solido mediante foto-indurimento di un materiale liquido foto-indurente compreso all’interno di una vasca, nello spazio compreso tra una piastra di estrazione e una membrana elastica, in cui un supporto rigido è a contatto con il lato inferiore di detta membrana elastica;

b) allontanamento di detto supporto rigido da detta membrana elastica, detta membrana elastica, rimanendo attaccata a detto supporto rigido, con progressivo distacco da detta piastra di estrazione; c) sollevamento di detta piastra di estrazione, fino ad una nuova posizione di formazione di uno strato solido;

d) ritorno di detto supporto rigido nella posizione iniziale, a contatto con detta membrana elastica.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: - la figura 1 mostra una vista prospettica dall’alto degli elementi caratterizzanti di un apparato per la stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, con sistema a membrana elastica indipendente e riferimento basculante secondo la presente invenzione, esploso nei suoi componenti principali,

- la figura 2 mostra una vista prospettica dall’alto degli elementi dell’apparato della figura 1, esploso in tutti i suoi componenti,

- la figura 3 mostra una vista prospettica dal basso degli elementi dell’apparato della figura 1, esploso in tutti i suoi componenti,

- la figura 4 mostra una vista prospettica dal basso degli elementi dell’apparato della figura 1, assemblato, in una prima fase di utilizzo,

- la figura 5 mostra una vista prospettica dall’alto degli elementi dell’apparato della figura 1, assemblato, in una seconda fase di utilizzo,

- le figure 6A-6G mostrano una rappresentazione schematica degli elementi dell’apparato della figura 1, assemblato, nelle fasi di un primo metodo di stampa secondo la presente invenzione, e

- le figure 7A-7D mostrano una rappresentazione schematica degli elementi dell’apparato della figura 1, assemblato, nelle fasi di un secondo metodo di stampa secondo la presente invenzione.

Facendo preliminarmente riferimento alle figure 1-5, gli elementi caratterizzati di un apparato per la stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, con sistema a membrana elastica indipendente e riferimento basculante secondo la presente invenzione comprendono essenzialmente una vasca 10 (che si può considerare come fosse un consumabile), un supporto rigido 11, trasparente alla radiazione di una sorgente luminosa, disposta sul lato di detto supporto rigido 11 opposto rispetto a detta vasca 10, e un sistema di movimentazione 20. La vasca 10 e il supporto rigido 11 sono accoppiati al resto dell’apparato (non mostrato) per il tramite di una piastra di appoggio 12, che presenta un foro 13, per il passaggio della radiazione proveniente dalla sorgente luminosa.

In particolare, il fondo 14 della vasca 10 è costituito da una membrana di tipo elastico (membrana elastica in campo libero), inserita con precarico (ovvero con un certo grado di tensione) tra le pareti 15 della vasca 10 e una maschera 16 di bloccaggio della membrana elastica prevaricata.

Il supporto rigido 11 è costituito da una lastra 17 di vetro, in particolare vetro borosilicato, alloggiato su un cestello 18. Un primo lato del cestello 18 è accoppiato con possibilità di rotazione intorno ad un asse di incernieramento alla piastra di appoggio 12, mentre su un secondo lato del cestello 18, opposto rispetto a detto primo lato, è presente un elemento 19 di accoppiamento con un sistema di movimentazione 20, che nella forma di realizzazione mostrata nelle figure 3 e 4 è costituito da un meccanismo 21 biella-manovella, montato su un motore rotativo 22. La rotazione del motore rotativo 22, trasmessa al cestello 18 come movimento rettilineo alternato per il tramite del meccanismo 21 biellamanovella e dell’elemento 19 di accoppiamento, fa ruotare il supporto rigido 11 intorno all’asse di incernieramento, allontanandolo e successivamente avvicinandolo al fondo della vasca 10, che sostiene la membrana elastica, che invece restano ferme.

Facendo riferimento alle figure 6A-6G, in cui in aggiunta agli elementi già descritti con riferimento alle figure precedenti, sono anche mostrati la membrana elastica 23, una resina liquida 24 (contenuta nella vasca 10), una piastra di estrazione 25 e una sorgente luminosa 26, sono mostrate le fasi di un primo metodo di stampa secondo la presente invenzione.

In una prima fase, mostrata nella figura 6A, il supporto rigido 11, trasparente alla radiazione emessa dalla sorgente luminosa 26, si trova in piano, a contatto con la membrana elastica 23, che quindi poggia sul supporto rigido 11 e più precisamente sulla lastra 17 di vetro. La piastra di estrazione 25 si trova nella posizione più prossima alla membrana elastica 23, ovvero alla distanza di uno strato dalla membrana elastica 23, lo spazio compreso tra la piastra di estrazione 25 e la membrana elastica 23 essendo occupato dalla resina liquida 24. In questa prima fase la sorgente luminosa 26 è accesa e inizia a polimerizzare la resina liquida 26.

Nella fase successiva, mostrata nella figura 6B, si è completata la formazione del primo strato e viene quindi spenta la sorgente luminosa 26. In questa fase, la lastra 17 di vetro del supporto rigido 11 è rigidamente attaccata al fondo della membrana elastica 23. Il sistema si comporta quindi come una macchina per la stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up classica, e lo strato in formazione si trova compresso tra due corpi rigidi.

Ne consegue il vantaggio di un’alta compressione e precisione dello strato (non si ha il problema della corda che sarebbe generato da una membrana elastica senza riferimento), ma al tempo stesso, si genererebbe l’effetto ventosa.

Per contrastare l’insorgere dell’effetto ventosa, nella fase successiva, mostrata nella figura 6C, il supporto rigido 11 viene fatto ruotare intorno all’asse di incernieramento, distaccandosi dalla membrana elastica 23, la quale invece rimane attaccata per effetto ventosa allo strato 27 appena indurito. In questa fase, un movimento lineare, piuttosto che rotatorio intorno ad un asse, del supporto rigido 11 sotto la membrana elastica 23 creerebbe un maggiore stress meccanico, che per le applicazioni in cui è richiesta maggiore precisione risulterebbe deleterio.

Nella fase mostrata nella figura 6D, la piastra di estrazione 25 viene fatta salire per staccare lo strato 27 dalla membrana elastica 23. La membrana elastica 23 innesca il fenomeno di peeling andando a staccarsi delicatamente dallo strato 27 appena formato. Quindi, la rimozione del supporto rigido 11 dalla base della membrana elastica 23 consente di staccare lo strato 27, riducendo/eliminando l’effetto ventosa precedentemente descritto.

Nella fase successiva, mostrata nella figura 6E, la membrana elastica 23, staccandosi dallo strato 27, ritorna nella posizione di riposo. Sotto il carico della resina 24 e per il suo stesso peso la membrana elastica 23 potrebbe generare un inarcamento dovuto al fenomeno della corda, che però in questo caso non si ripercuote sulla forma dello strato 27.

Successivamente, come mostrato nella figura 6F, la piastra di estrazione 25 scende verso il fondo della vasca 10, tornando nella posizione di stampa dello strato successivo.

Infine, nell’ultima fase, mostrata con riferimento alla figura 6G, il supporto rigido 11 viene fatto ruotare attorno all’asse di incernieramento per tornare nella posizione di partenza, per procedere quindi con la formazione di un successivo strato.

Risulta evidente come il processo di stampa descritto consenta di ridurre/rimuovere l’effetto ventosa, consentendo una rimozione delicata della membrana elastica 23 dallo strato 27 appena formato, grazie all’effetto peeling conseguente al progressivo allontanamento della piastra di estrazione 25 dalla membrana elastica 23. Al tempo stesso, in fase di formazione dello strato 27, la posizione del supporto rigido 11 consente di realizzare uno strato 27 con un’alta compressione e precisione.

In una variante dell’apparato e del metodo per la stampa 3D secondo la presente invenzione, mostrata con riferimento alle figure 7A-7D, sull’interfaccia tra il supporto rigido 11 e la membrana elastica 23 viene applicato un accorgimento che comporta una aderenza tra il supporto rigido 11 e la membrana elastica 23 superiore a quella che si instaura tra la stessa membrana elastica 23 e lo strato 27 appena formato, inducendo un fenomeno di peeling tra il supporto rigido 11 e la membrana elastica 23. Tale accorgimento potrebbe, a titolo esemplificativo, comprendere un sistema a pressione/decompressione, oppure la presenza di uno strato 28 di componente adesivo disposto tra il supporto rigido 11 e la membrana elastica 23.

In particolare, nella variate mostrata con riferimento alle figure 7A-7D, sull’interfaccia tra il supporto rigido 11 e la membrana elastica 23 viene applicato uno strato 28 di componente adesivo, con la conseguenza di aumentare l’effetto ventosa tra la lastra 17 di vetro del supporto rigido 11 e la membrana elastica 23. Ne consegue un processo di stampa 3D diverso rispetto a quello descritto con riferimento alle figure 6A-6G.

In particolare, secondo questa diversa forma di realizzazione dell’apparato per la stampa 3D secondo la presente invenzione, il corrispondente metodo di stampa comprende le seguenti fasi.

In una prima fase, illustrata con riferimento alla figura 7A, il supporto rigido 11, trasparente alla radiazione emessa dalla sorgente luminosa 26, si trova in piano, a contatto con lo strato 28 di componente adesivo applicato alla superficie inferiore della membrana elastica 23, che quindi poggia sul supporto rigido 11 e più precisamente sulla lastra 17 di vetro, con l’intermediazione del solo strato 28 di componente adesivo. La piastra di estrazione 25 si trova nella posizione più prossima alla membrana elastica 23, ovvero alla distanza di uno strato dalla membrana elastica 23, lo spazio compreso tra la piastra di estrazione 25 e la membrana elastica 23 essendo occupato dalla resina liquida 24. In questa prima fase la sorgente luminosa 26 è accesa e inizia a polimerizzare la resina liquida 26.

Nella fase successiva, mostrata nella figura 7B, si è completata la formazione del primo strato e viene quindi spenta la sorgente luminosa 26. In questa fase, la lastra 17 di vetro del supporto rigido 11 è rigidamente attaccata al fondo della membrana elastica 23, con l’interposizione dello strato 28 di componente adesivo. Anche in questo caso, quindi, il sistema si comporta quindi come una macchina per la stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up classica, e lo strato in formazione si trova compresso tra due corpi rigidi, con il conseguente vantaggio di un’alta compressione e precisione dello strato (non si ha il problema della corda che sarebbe generato da una membrana elastica senza riferimento), ma al tempo stesso, si genererebbe l’effetto ventosa.

Per contrastare l’insorgere dell’effetto ventosa, nella fase successiva, mostrata nella figura 7C, il supporto rigido 11 viene fatto ruotare intorno all’asse di incernieramento, ma in questo caso, grazie alla presenza dello strato 28 di componente adesivo, la forza di adesione tra il supporto rigido 11 e la membrana elastica 23 è maggiore della forza di adesione generata tra la membrana elastica 23 e lo strato 27 appena indurito, per cui lo stesso supporto rigido 11 tende a portare con sé la membrana elastica 23, permettendo un distacco controllato (peeling inverso) della membrana elastica 23 dal supporto rigido 11, con una conseguente riduzione dello stress meccanico cui viene sottoposta la membrana elastica 23.

Inoltre, l’allontanamento della membrana elastica 23 dallo strato 27 appena formato, che consegue al fatto che la membrana elastica 23 tende a seguire il supporto rigido 11 nel suo movimento, genera un volume sottostante allo strato 27, che viene riempito dalla resina liquida 24, aumentando così la velocità di riempimento dello spazio compreso tra strato 27 appena formato e la membrana elastica 23 (refresh).

Questa fase, quindi, rende inutile la necessità di allontanare la piastra di estrazione 25 dalla membrana elastica 23, per poi riavvicinarla nuovamente per procedere ala formazione di un nuovo strato.

Infatti, come mostrato nella figura 7D, nella successiva fase è sufficiente allontanare leggermente la piastra di estrazione 25 e al contempo riportare il supporto rigido 11 nella posizione di partenza, in modo tale che la piastra di estrazione 25 e il supporto rigido 11 si trovino nella posizione per la generazione di un nuovo strato, e si possa quindi riaccendere la sorgente luminosa 26.

Questo secondo metodo di stampa può verificarsi anche senza bisogno di aggiungere uno strato 28 di componente adesivo tra il supporto rigido 11 e la membrana elastica 23, qualora la forza di adesione che si genera per effetto ventosa tra la lastra 17 di vetro e la membrana elastica 23 è maggiore della forza di adesione generata tra la stessa membrana elastica 23 e lo strato 27 appena indurito.

Questo secondo metodo di utilizzo dell’apparato per la stampa 3D secondo la presente invenzione consente quindi di ridurre lo stress meccanico dell’oggetto, risparmiando tre fasi per le routine di stampa rispetto al metodo precedentemente illustrato con riferimento alle figure 6A-6F, con una sensibile riduzione dei tempi di stampa e con una migliore qualità superficiale dell’oggetto da produrre.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1) Apparato per la stampa 3D di tipo a fotoindurimento bottom-up, comprendente una sorgente luminosa (26) sopra alla quale è disposta una vasca (10) contenente un materiale liquido foto-indurente (24) al cui interno è immersa una piastra di estrazione (25), dotata di mezzi di spostamento con moto rettilineo alternato, lungo una direzione perpendicolare al fondo di detta vasca (10) da una posizione ad una distanza dal fondo di detta vasca (10) pari allo spessore di uno strato ottenibile per fotoindurimento di detto materiale liquido foto-indurente (24), il fondo (14) di detta vasca (10) essendo costituito da una membrana elastica (23) trasparente alla radiazione di detta sorgente luminosa (26), detta vasca (10) essendo posizionata in corrispondenza di un foro (13) di una piastra di appoggio (12), detto foro essendo provvisto di un supporto rigido (11), trasparente alla radiazione di detta sorgente luminosa (26), caratterizzato dal fatto che detto supporto rigido (11) è dotato di mezzi di spostamento rispetto a detto foro (13), da una posizione in cui detto supporto rigido (11) occupa detto foro (13), ed è a contatto con detta membrana elastica (23), ad una posizione in cui detto supporto rigido (11) è discostato da detto foro (13) e da detta membrana elastica (23).
2. 2) Apparato per la stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto supporto rigido (11) è accoppiato su un lato, con possibilità di rotazione intorno ad un asse di incernieramento, a detta piastra di appoggio (12), il lato opposto di detto supporto rigido (11) essendo accoppiato a un sistema di movimentazione (20).
3. 3) Apparato per la stampa 3D secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che tra detta membrana elastica (23) e detto supporto rigido (11) è presente uno strato (28) di componente adesivo.
4. 4) Apparato per la stampa 3D secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta vasca (10) è rimovibile.
5. 5) Metodo di stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, attuato mediante l’apparato delle rivendicazioni 1-4, comprendente le seguenti fasi: a) formazione su una piastra di estrazione (25) di uno strato solido (27) mediante foto-indurimento di un materiale liquido foto-indurente (24) compreso all’interno di una vasca (10), nello spazio compreso tra una piastra di estrazione (25) e una membrana elastica (23), in cui un supporto rigido (11) è a contatto con il lato inferiore di detta membrana elastica (23); b) allontanamento di detto supporto rigido (11) da detta membrana elastica (23), detta membrana elastica (23) rimanendo attaccata a detto strato solido (27); c) sollevamento di detta piastra di estrazione (25), con progressivo distacco di detta membrana elastica (23); d) ritorno di detto supporto rigido (11) nella posizione iniziale, a contatto con detta membrana elastica (23); e) abbassamento di detta piastra di estrazione (25) fino ad una posizione in cui l’ultimo strato di materiale foto-indurito si trova alla distanza di uno strato da formare rispetto a detta membrana elastica (23).
6. 6) Metodo di stampa 3D di tipo a foto-indurimento bottom-up, attuato mediante l’apparato delle rivendicazioni 1-4, comprendente le seguenti fasi: a) formazione su una piastra di estrazione (25) di uno strato solido (27) mediante foto-indurimento di un materiale liquido foto-indurente (24) compreso all’interno di una vasca (10), nello spazio compreso tra una piastra di estrazione (25) e una membrana elastica (23), in cui un supporto rigido (11) è a contatto con il lato inferiore di detta membrana elastica (23); b) allontanamento di detto supporto rigido (11) da detta membrana elastica (23), detta membrana elastica (23), rimanendo attaccata a detto supporto rigido (11), con progressivo distacco da detta piastra di estrazione (25); c) sollevamento di detta piastra di estrazione (25), fino ad una nuova posizione di formazione di uno strato (27) solido; d) ritorno di detto supporto rigido (11) nella posizione iniziale, a contatto con detta membrana elastica (23).