IT201800007174A1

IT201800007174A1 - Testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale e procedimento per la calibrazione di detta testa di modellazione

Info

Publication number: IT201800007174A1
Application number: IT102018000007174A
Authority: IT
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-13
Also published as: EP3820677B1; PT3820677T; ES2912554T3; EP3820677A1; US20210291444A1; US11485076B2; WO2020012429A1; CN112654491A

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“TESTA DI MODELLAZIONE PER UNA MACCHINA DA STAMPA TRIDIMENSIONALE E PROCEDIMENTO PER LA CALIBRAZIONE DI DETTA TESTA DI MODELLAZIONE”

La presente invenzione ha per oggetto una testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale. Forma inoltre oggetto dell’invenzione un procedimento per la calibrazione della summenzionata testa di modellazione.

Più in dettaglio, la presente invenzione si inserisce nel settore della cosiddetta “stampa 3D”, o “stereolitografia” che, come è noto, è una tecnica che consente di produrre oggetti tridimensionali, solidificando e sovrapponendo una pluralità di strati ottenuti a partire da una resina liquida, suscettibile di solidificare sotto l’azione di una stimolazione esterna.

La tecnica di stampa tridimensionale trova specifico ed efficace impiego nella realizzazione di prototipi per varie tipologie di industrie, dal settore plastico a quello orafo.

In accordo con lo stato della tecnica, una macchina da stampa tridimensionale comprende una vasca per il contenimento della resina liquida e una testa di modellazione dotata di una superficie di lavoro, generalmente piana, atta a sostenere gli strati solidificati dell’oggetto tridimensionale da produrre. Inoltre, è presente un dispositivo di stimolazione della resina costituito da una sorgente di irraggiamento, tipicamente un emettitore laser oppure un proiettore di luce (in gergo denominato DLP, Digital Light Processing), in grado di irradiare selettivamente lo strato di resina liquida adiacente al fondo della vasca, in modo da solidificarlo. In maggiore dettaglio, ciascuno strato dell’oggetto viene ottenuto stimolando selettivamente la resina in modo da solidificarla nei punti che compongono una corrispondente sezione dell’oggetto da produrre.

In accordo con una tecnica nota molto diffusa, la sorgente di irraggiamento viene posizionata inferiormente alla vasca, il cui fondo è opportunamente trasparente alla radiazione emessa dalla sorgente stessa. In questo caso, il processo di stampa tridimensionale prevede innanzitutto che la testa di modellazione sia disposta con la superficie di lavoro verso il basso, in modo affacciato al fondo della vasca, e posizionata ad una distanza, dal fondo della vasca, pari allo spessore del primo strato da solidificare. Successivamente, la sorgente di irraggiamento irradia selettivamente lo strato di resina liquida adiacente al fondo della vasca, in modo da solidificarlo. In maggiore dettaglio, la testa di modellazione è configurata in modo tale che lo strato solidificato vi aderisca mentre, al contrario, il fondo della vasca presenta un rivestimento che riduce tale adesione. Per la formazione di ciascuno strato successivo, la testa di modellazione viene allontanata dal fondo della vasca di volta in volta di una quantità pari allo spessore dello strato da realizzare, in modo tale da ripristinare lo spessore di resina liquida necessario per la lavorazione dello strato successivo. Al termine della realizzazione multistrato, la testa di modellazione viene sollevata portando il prodotto al di fuori della resina ed il prodotto viene recuperato mediante separazione dalla superficie di lavoro.

In questa soluzione nota, lo spessore di ciascuno strato è definito dalla porzione di resina liquida delimitata inferiormente dal fondo della vasca e superiormente dalla superficie di lavoro della testa di modellazione (nel caso del primo strato) o dell’ultimo strato realizzato.

Ne deriva che la realizzazione di strati aventi spessore uniforme, caratteristica indispensabile per la regolarità dei prodotti da realizzare, richiede che la superficie di lavoro della testa di modellazione sia perfettamente allineata al fondo della vasca di contenimento della resina e che si posizioni ad una distanza precisa (generalmente pari allo spessore del primo strato da stampare) genericamente tra 10 e 200 micron con un massimo errore in termini di disallineamento non superiore a 5 micron.

Tale parallelismo viene gestito, allo stato della tecnica attuale, mediante sistemi di compensazione di tipo manuale che risultano molto laboriosi da realizzare e che introducono livelli di precisione insufficienti rispetto allo standard richiesto.

Compito tecnico della presente invenzione è quello di mettere a disposizione una testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra lamentati.

In particolare è scopo dell’invenzione mettere a disposizione una testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale, nonché un procedimento per la sua calibrazione, che consentano un’elevata precisione realizzativa, in particolare in termini di tolleranze di spessore degli strati realizzati.

E’ inoltre scopo dell’invenzione mettere a disposizione una testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale, nonché un procedimento per la sua calibrazione, che semplifichino le procedure preliminari di regolazione.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da una testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale, nonché da un procedimento per la sua calibrazione, comprendenti le caratteristiche tecniche esposte nelle rivendicazioni indipendenti e/o in una o più delle rivendicazioni dipendenti. Le rivendicazioni dipendenti corrispondono a ulteriori forme di realizzazione della testa di modellazione secondo la presente invenzione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di una testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale, nonché un procedimento per la sua calibrazione, come illustrato negli uniti disegni, in cui:

- la figura 1 mostra una testa di modellazione in accordo con la presente invenzione;

- la figura 2 mostra la testa di modellazione di figura 1 secondo una differente angolazione;

- la figura 3 mostra un ingrandimento di un dettaglio della testa di modellazione di figura 1;

- la figura 4 mostra una vista parzialmente in esploso della testa di modellazione illustrata in figura 1;

- le figure 5-8 mostrano la testa di modellazione di figura 1 in una sequenza di fasi operative del processo di calibrazione secondo l’invenzione.

Con riferimento alle figure, con il numero 10 è complessivamente rappresentata una testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale.

Con particolare riferimento alle figure 1, 2 e 4, la testa di modellazione 10 comprende un corpo di base 20 al quale è collegato un dispositivo di supporto 30 collegato a sua volta ad un organo di movimentazione 40 (parzialmente visibile in figura 2) preposto alla movimentazione operativa, in senso verticale, del corpo di base 20.

In maggior dettaglio, il corpo di base 20 presenta una forma sostanzialmente scatolare, internamente cava, dotato inferiormente di una piattaforma 21 planare definente una superficie inferiore di lavoro 22 la quale definisce una zona di aggrappaggio per il primo strato di un prodotto multistrato da realizzare.

Come visibile in figura 4, all’interno del corpo di base 20 è disposto un corpo o piatto estrattore 23 azionato da un rispettivo attuatore indipendente, cooperante con la superficie di lavoro 22 ed avente una sagoma atta a compenetrare la superficie di lavoro 22 in uno o più punti per promuovere il distacco, dalla superficie di lavoro 22, di un oggetto formato ed aderente su di essa. In maggiore dettaglio, il piatto estrattore 23 è dotato di sporgenze 24 configurate per attraversare corrispondenti aperture realizzate nella piattaforma 21 in modo tale da protrudere inferiormente da quest’ultima e promuovere il distacco dell’oggetto multistrato a realizzazione terminata.

Con riferimento al dispositivo di supporto 30 (visibile, ad esempio, in figura 2), esso comprende una piastra di supporto 31 e mezzi regolabili disposti a collegamento della piastra di supporto 31 con il corpo di base 20 e configurati per consentire una variazione dell’orientazione del corpo di base 20, ed in particolare della superficie di lavoro 22, rispetto all’organo di movimentazione 40. Grazie a tali mezzi regolabili, il dispositivo di supporto 30 può commutarsi in modo automatizzato (vale a dire in modo meccanizzato, quindi mediante sistemi meccanici di attuazione e trasmissione) tra una configurazione di sbloccaggio, in cui consentono una variazione dell’orientazione del corpo di base 20 rispetto all’organo di movimentazione 40, ed una configurazione di bloccaggio, in cui bloccano l’orientazione assunta dal corpo di base 20 rispetto all’organo di movimentazione 40. Tale commutazione, per via della meccanicizzazione, avviene in modo pressoché istantaneo, in particolare mediante simultanea attuazione delle ganasce 33. La commutazione avviene, per esempio, dietro comando dell’utente (pressione di un pulsante di inizio e/o fine calibrazione) oppure nell’ambito di un processo interamente automatico, per esempio attraverso una routine attuata da un’unità di elaborazione e controllo facente parte della macchina da stampa tridimensionale.

Nella forma di realizzazione illustrata, i mezzi regolabili comprendono una pluralità di aste 32 collegate al corpo di base 20 e, per ciascuna asta 32, una rispettiva ganascia 33 configurata per assumere una configurazione di serraggio, corrispondente alla citata configurazione di bloccaggio del dispositivo di supporto 30 ed in cui blocca in posizione la rispettiva asta 32, ed una posizione di rilascio, corrispondente a detta configurazione di sbloccaggio del dispositivo di supporto 30 ed in cui consente una traslazione longitudinale della rispettiva asta 32 nella rispettiva ganascia 33.

Per consentire la guida delle aste 32, la piastra 31 è dotata di fori 34 (figura 4) entro cui sono scorrevolmente alloggiate le aste 32 e ciascuno dei quali è associato ad una rispettiva ganascia 33 per consentire od impedire la traslazione dell’asta 32 attraverso il foro 34.

Al fine di assorbire i disallineamenti (o comunque le variazioni di orientazione) tra il corpo di base 20 e l’organo di movimentazione 40, ciascuna asta 32 è collegata al corpo di base 20 in modo orientabile e/o flottante, quindi in modo tale che l’asta 32 possa variare la propria inclinazione rispetto al corpo di base 20 e preferibilmente anche realizzare un piccolo spostamento trasversale nel punto di giunzione al corpo di base 20 e/o nell’accoppiamento tra asta 32 e foro 34. Preferibilmente, ciascuna asta 32 è collegata al corpo di base 20 mediante un collegamento sferico, in particolare mediante un’estremità di forma sferica dell’asta 32 inserita entro un alloggiamento di forma sferica realizzato sul corpo di base 20.

Inoltre, ciascuna asta 32 è preferibilmente associata ad una rispettiva molla di contrasto 32a (visibile, ad esempio, nelle figure 4 e 5) per mantenere l’asta 32 spinta in direzione assiale verso una posizione di fine corsa dell’asta. Preferibilmente, la molla di contrasto 32a è una molla a compressione configurata per mantenere il corpo di base 20 spinto in allontanamento dal dispositivo di supporto 30 e dall’organo di movimentazione 40.

Nella forma di realizzazione illustrata, sono previste quattro aste 32 ed altrettante ganasce 33, tuttavia il numero di aste e corrispondenti ganasce potrebbe essere qualsiasi (preferibilmente in numero minimo di tre, con tre aste essendo ottimizzabile un supporto maggiormente isostatico).

Le ganasce 33 ed il loro principio di funzionamento sono visibili in dettaglio nelle figure 2 e 3.

In particolare, ciascuna ganascia 33 è definita da un organo elasticamente deformabile tra le summenzionate configurazioni di serraggio e di rilascio. In tale forma di realizzazione, come visibile nell’immagine in esploso di figura 4, ciascuna ganascia 33 presenta una sede (non visibile nelle figure annesse) per il passaggio della rispettiva asta 32 ed in particolare approssimante per eccesso la sezione dell’asta 32 nella configurazione di rilascio in modo tale da consentire la libera traslazione dell’asta 32 nella ganascia 33 quando quest’ultima non è serrata. Con riferimento alla figura 5, tale sede è lateralmente aperta, vale a dire presenta una fessura 35 che si estende da una porzione laterale della sede fino ad un profilo esterno della ganascia 33, per consentire una deformazione elastica della ganascia 33 in corrispondenza della fessura 35 così da consentire il serraggio della ganascia 33 sulla rispettiva asta 32 nella configurazione di serraggio della ganascia 33.

In questa forma di realizzazione, ciascuna ganascia 33 è formata da un unico pezzo preferibilmente metallico.

In alternativa, anziché essere definiti da organi monopezzo elasticamente deformabili, le ganasce 33 possono essere definite ciascuna da organi articolati delimitanti tra di essi una sede per il passaggio della relativa asta 32 in modo tale da serrare o rilasciare in modo comandato l’asta 32 stessa.

Vantaggiosamente, le ganasce 33 sono associate a rispetti attuatori 36 (visibili, ad esempio, nelle figure 1, 2 e 4) configurati per commutare le ganasce 33 tra le rispettive configurazioni di serraggio e di rilascio. Preferibilmente ciascun attuatore 36 è associato ad una coppia di ganasce 33.

L’attuatore 36 è di tipo lineare, preferibilmente un pistone idraulico o pneumatico od un attuatore elettromeccanico a vite/madrevite.

Come meglio visibile nelle figure 2 e 3, l’attuatore 36 agisce sulle rispettive ganasce 33 mediante un rispettivo elemento di trasmissione 37 a camma. Tale elemento di trasmissione 37 è imperniato sulla piastra 31 per ruotare a seguito dell’azione del rispettivo attuatore 36 ed è configurato per realizzare una pressione su entrambe le rispettive ganasce 33 nella direzione di serraggio durante la rotazione attorno al rispettivo perno. In altre parole, l’elemento di trasmissione 37 è eccentricamente collegato (rispetto al proprio perno di oscillazione) all’attuatore 36 e presenta una coppia di superfici a camma rivolte ciascuna verso la rispettiva ganascia 33 ed in contatto strisciante con quest’ultima per realizzare una variazione della compressione sulla ganascia 33 a seguito della rotazione dell’organo di trasmissione 37. In tal modo, ciascun attuatore 36 realizza un serraggio o rilascio simultaneo di due ganasce 33 (anche se, come menzionato in precedenza, il concetto inventivo è applicabile ad un numero diverso di attuatori, quindi per esempio un attuatore per ciascuna ganascia oppure un unico attuatore per tutte le ganasce).

Con riferimento all’organo di movimentazione 40, esso comprende un sollevatore meccanico (per esempio idraulico o meccanico, del tipo ad elevata precisione) avente una porzione mobile fissata al dispositivo di supporto 30 ed in particolare alla piastra 31.

L’organo di movimentazione 40 può essere per esempio del tipo descritto nella domanda di brevetto EP3205484 a nome della Richiedente, sul quale sono disposte tre teste di modellazione angolarmente equidistanziate di 120° l’una dall’altra.

Le figure 5-8 illustrano una sequenza di operazioni relative ad un procedimento di calibrazione della testa di modellazione 10 secondo l’invenzione.

In figura 5 è mostrata la testa di modellazione 10 in una posizione di affaccio ad una vasca 100 per il contenimento di una resina ed in accordo con un generico orientamento disallineato rispetto al fondo 110 della vasca 100.

La figura 6 mostra la successiva fase di contatto della testa di modellazione 10 con il fondo 110 della vasca 100, in cui la superficie di lavoro 22 risulta in allineamento (sovrapposizione) con il fondo 110 della vasca 100 grazie all’assorbimento del precedente disallineamento consentito dalle aste 32 (le cui corse nei rispettivi fori 34 risultano diverse per compensare la variazione di inclinazione).

La figura 7 mostra una successiva fase di sollevamento della testa di modellazione 10, per esempio al termine della realizzazione dell’oggetto multistrato (non mostrato nelle figure).

La figura 8 mostra una fase terminale del processo di realizzazione, in cui il corpo estrattore 23 viene abbassato, compenetrandosi con la piattaforma 21 e permettendo così il distacco dell’oggetto multistrato precedentemente aderente alla superficie di lavoro 22.

La presente invenzione raggiunge gli scopi proposti superando gli inconvenienti lamentati nella tecnica nota.

In particolare, l’invenzione consente di regolare in modo del tutto automatico l’inclinazione della piattaforma della testa di modellazione, ed in particolare della superficie di lavoro, in perfetto allineamento (parallelismo) con il fondo della vasca. Ciò è consentito dal fatto che il dispositivo di supporto può assumere una configurazione di sbloccaggio in cui, a ganasce rilasciate, la semplice discesa della testa e successivo contatto della piattaforma con il fondo della vasca determina un autoadattamento dell’inclinazione della piattaforma. Successivamente, il bloccaggio automatico delle aste mediante le ganasce consente di immobilizzare l’inclinazione assunta dalla piattaforma, che può rimanere inalterata per tutto il processo di realizzazione dell’oggetto multistrato.

Tale procedimento risulta chiaramente dotato di elevata precisione e rapidità esecutiva, essendo totalmente automatico senza la necessità di interventi di regolazione manuale.

Inoltre, l’impiego della testa di modellazione secondo l’invenzione garantisce al tempo stesso la determinazione della posizione assoluta della superficie di lavoro, trovandosi quest’ultima inevitabilmente allo zero meccanico del fondo vasca (vale a dire a contatto con quest’ultima). In altri termini, l’invenzione consente di configurare agevolmente il cosiddetto “zero macchina”. L’utilizzo di un software in grado di memorizzare il punto zero di estrazione consente infine di avere un posizionamento assoluto per ogni routine di stampa anche nel caso in cui la piattaforma o il fondo della vasca cambiassero spessore.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Testa di modellazione per una macchina da stampa tridimensionale, comprendente: - un corpo di base (20) presentante una superficie di lavoro (22) idonea a consentire la formazione e l’adesione di un oggetto; - un dispositivo di supporto (30) collegato a detto corpo di base (20); - un organo di movimentazione (40) collegato al dispositivo di supporto (30) e preposto ad una movimentazione operativa di detto corpo di base (20); caratterizzata dal fatto che detto dispositivo di supporto (30) è regolabile in modo tale da variare l’orientazione del corpo di base (20), ed in particolare di detta superficie di lavoro (22), rispetto all’organo di movimentazione (40) ed è configurato per commutarsi in modo automatizzato tra una configurazione di sbloccaggio, in cui consente una variazione dell’orientazione del corpo di base (20) rispetto all’organo di movimentazione (40), ed una configurazione di bloccaggio, in cui blocca l’orientazione assunta dal corpo di base (20) rispetto all’organo di movimentazione (20).
2. Testa di modellazione secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di supporto regolabile (30) comprende una pluralità di aste (32) collegate al corpo di base (20) e, per ciascuna asta (32), una rispettiva ganascia (33) configurata per assumere una configurazione di serraggio, corrispondente a detta configurazione di bloccaggio del dispositivo di supporto regolabile (30) ed in cui blocca in posizione la rispettiva asta (32), ed una posizione di rilascio, corrispondente a detta configurazione di sbloccaggio del dispositivo di supporto regolabile (30) ed in cui consente una traslazione longitudinale della rispettiva asta (32) nella rispettiva ganascia (33).
3. Testa di modellazione secondo la rivendicazione 2, in cui detto dispositivo di supporto regolabile (30) comprende inoltre una piastra di supporto (31) fissata all’organo di movimentazione (40) e dotata di fori (34) entro cui sono scorrevolmente alloggiate dette aste (32), ciascun foro (34) essendo associato ad una rispettiva di dette ganasce (33) per consentire od impedire la traslazione dell’asta (32) attraverso il foro (34).
4. Testa di modellazione secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui ciascuna asta (32) è collegata al corpo di base (20) in modo orientabile e/o flottante, preferibilmente mediante collegamento sferico, in modo tale da assorbire variazioni di inclinazione della superficie di lavoro (22) rispetto all’organo di movimentazione (40).
5. Testa di modellazione secondo una o più delle precedenti rivendicazioni da 2 a 4, in cui dette ganasce (33) sono associate ad uno o più rispettivi attuatori (37) configurati per commutare dette ganasce (33) tra le rispettive configurazioni di serraggio e di rilascio, preferibilmente dette ganasce (33) essendo associate a coppie ad un medesimo attuatore (36).
6. Testa di modellazione secondo la rivendicazione 5, in cui detto attuatore (36) è di tipo lineare, preferibilmente un pistone idraulico o pneumatico od un attuatore elettromeccanico a vite/madrevite, ed agisce su almeno una ganascia (33) mediante un rispettivo elemento di trasmissione (37) a camma.
7. Testa di modellazione secondo una o più delle precedenti rivendicazioni da 2 a 6, in cui ciascuna di dette ganasce (33) è definita da un organo, preferibilmente monopezzo, elasticamente deformabile tra dette configurazioni di serraggio e di rilascio, ed in cui ciascuna ganascia (33) presenta una sede per il passaggio della rispettiva asta (32), detta sede essendo lateralmente aperta per consentire un serraggio della ganascia (33) sulla rispettiva asta (32) nella configurazione di serraggio della ganascia (33).
8. Testa di modellazione secondo una o più delle precedenti rivendicazioni da 2 a 7, in cui ciascuna asta (32) è associata ad una rispettiva molla di contrasto (32a) per mantenere detta asta (32) spinta in direzione assiale verso una posizione di fine corsa di detta asta (32), preferibilmente detta molla di contrasto (32a) essendo una molla a compressione configurata per mantenere il corpo di base (20) spinto in allontanamento dal dispositivo di supporto (30).
9. Testa di modellazione secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui detto organo di movimentazione (40) comprende un sollevatore meccanico avente una porzione mobile fissata a detto dispositivo di supporto (30), preferibilmente a detta piastra di supporto (31).
10. Testa di modellazione secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un corpo estrattore (23) cooperante con detta superficie di lavoro (22) ed avente una sagoma atta a compenetrare detta superficie di lavoro (22) in uno o più punti per promuovere il distacco, da detta superficie di lavoro (22), di un oggetto formato ed aderente su detta superficie di lavoro (22).
11. Macchina da stampa tridimensionale, comprendente; - una vasca (100) contenente od idonea a contenere un liquido solidificabile ed associata a mezzi ad irraggiamento; - una testa di modellazione (10) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni; in cui detto organo di movimentazione (40) è configurato per realizzare una movimentazione lineare del corpo di base (20) in avvicinamento ed in allontanamento rispetto ad una parete di fondo (110) di detta vasca (100).
12. Procedimento per la calibrazione della testa di modellazione secondo una o più delle precedenti rivendicazioni da 1 a 10, comprendente le fasi di: - predisporre detta testa di modellazione (10) con la superficie di lavoro (22) disposta in posizione affacciata ad una vasca (100) contenente od atta a contenere un liquido per modellazione tridimensionale; - realizzare una commutazione di detto dispositivo di supporto (30) nella configurazione di sbloccaggio; - avvicinare la testa di modellazione (10) al fondo (110) della vasca (100) fino a realizzare un contatto con allineamento della superficie di lavoro (22) con il fondo (110) della vasca (100); - commutare detto dispositivo di supporto (30) nella configurazione di bloccaggio; - allontanare la testa di modellazione (10) dal fondo (110) della vasca (100) in modo da poter approntare la realizzazione multistrato di un modello tridimensionale mediante irraggiamento del liquido interposto tra il fondo (100) della vasca (100) e detta superficie di lavoro (22).