IT201800007732A1

IT201800007732A1 - Apparecchiatura e metodo per la stampa 3D di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo.

Info

Publication number: IT201800007732A1
Application number: IT102018000007732A
Authority: IT
Inventors: Jacopo Gervasini; Paolo Cassis; Giovanni Avallone; Nicolò Bordoli
Original assignee: Caracol Srl; INVENTIO di Nicolò Bordoli
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-02-01

Description

APPARECCHIATURA E METODO PER LA STAMPA 3D DI ARTICOLI COMPOSITI

COMPRENDENTI ELEMENTI CONTINUI DI RINFORZO

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa 3D di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo.

Background

L’invenzione riguarda il settore della manifattura additiva, o più semplicemente della stampa 3D. Per stampa 3D si intende la fabbricazione di oggetti tridimensionali mediante un processo di manifattura additiva partendo da un modello 3D digitale, realizzato tramite un sistema di modellazione CAD.

Dopo avere prodotto un modello 3D, come è noto nel ramo, il relativo file viene sottoposto ad un processo di elaborazione tramite particolari programmi di software che eseguono il così detto “slicing” della geometria, cioè estrapolano una sequenza di sezioni trasversali del modello stesso che costituiscono gli strati che andranno a comporre l’oggetto.

Esistono diverse tecnologie per la stampa 3D, che si differenziano principalmente per il modo in cui sono stampati gli strati.

La presente invenzione riguarda in particolare il metodo noto come FDM® (Fused Deposition Modeling, un marchio registrato da Stratasys Ltd), o anche come FFF (Fused Filament Fabrication), che si basa sull’utilizzo di una testa di estrusione provvista di un ugello dal quale fuoriesce un polimero fuso che viene depositato a strati, secondo un modello 3D prestabilito, al fine di fabbricare l’articolo avente la forma desiderata. Il raffreddamento del polimero dà luogo alla formazione dell’oggetto solido di forma desiderata.

Solitamente la stampa 3D è associata a sistemi di movimento a 3 assi, nei quali il materiale estruso dall’ugello può essere depositato in maniera complanare al piano di lavoro della stampante.

Sono noti sistemi di stampa 3D che utilizzano teste di estrusione alimentate con granuli di polimero che viene fuso e depositato tramite un ugello su un piano di appoggio sul quale viene formato l’oggetto da stampare. Tali sistemi noti non prevedono la possibilità di utilizzare elementi di rinforzo quali fibre o filamenti continui, in modo da ottenere un articolo composito, cioè comprendente il polimero ed un materiale di rinforzo costituito da fibre o filamenti continui. Inoltre, i sistemi noti sono realizzati per stampanti a 3 assi di grosse dimensioni, difficilmente adattabili a sistemi di movimento a 6 assi, non consentendo quindi un buon controllo interfacciato con robot industriali antropomorfi, e non consentendo la realizzazione di oggetti di forme particolari. Tali sistemi noti non sono quindi in grado di rispondere alle necessità di un mercato professionale sempre più esigente in termini qualità e resistenza del prodotto stampato.

WO 2017/085649 A1 descrive un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa 3D di materiali compositi a base di fibra. L’apparecchiatura ed il metodo descritti si basano sull’impregnazione di una fibra continua con un liquido costituito da una resina polimerizzabile, ad esempio una resina termoindurente, e la sua successiva alimentazione ad una testa di alimentazione provvista di un ugello dimensionato in funzione della sezione della fibra, per evitare che la resina in eccesso possa colare dall’ugello. La resina viene poi polimerizzata e deposta sul piano di appoggio sul quale viene formato l’oggetto da stampare. La trazione della fibra è determinata dal punto iniziale di ancoraggio fisico sul piano di appoggio e dall’accelerazione data dal sistema di movimento per stendere la fibra, la quale semplicemente scorre da un rocchetto attraverso un sistema di impregnazione di resina fino alla testa di alimentazione e all’ugello. La quantità di resina utilizzabile è poca, essendo determinata dalla capacita di impregnazione della fibra stessa, per cui l’oggetto stampato ha un rapporto ponderale resina/fibra relativamente basso. A causa della limitata quantità di resina utilizzabile e dalla scarsa disponibilità di resine termoindurenti rispetto a tutti i possibili compositi termoplastici, il metodo ha ridotte possibilità di applicazione, potendosi fabbricare solo prodotti vincolati ad elevatissima rigidità, con materiali trasparenti o semitrasparenti. In questo contesto, il compito tecnico della presente invenzione è di rendere disponibile un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi che eliminino o riducano gli inconvenienti dei sistemi noti.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è di provvedere un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti una o più resine termoplastiche rinforzate con fibre o filamenti continui.

Un altro scopo della presente invenzione è di provvedere un’apparecchiatura ed un metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi che possano essere applicati a sistemi di movimentazione aventi più di 3 gradi di libertà di movimento, ad esempio che possano essere interfacciati con robot industriali antropomorfi a 6 assi, e consentendo quindi la realizzazione di oggetti di forme particolari e anche di grandi dimensioni.

Riassunto dell’invenzione

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti un elemento continuo di rinforzo, comprendente una testa di stampa associata a mezzi di movimentazione secondo almeno 3 assi, e mezzi di alimentazione di detto elemento continuo di rinforzo a detta testa di stampa, caratterizzata dal fatto che detta testa di stampa comprende un estrusore per una resina termoplastica, mezzi alimentazione di detta resina termoplastica a detto estrusore e mezzi di guida di detto elemento continuo di rinforzo, in cui:

- detto estrusore comprende una camera di fusione, nella quale è montata una vite girevole intorno al proprio asse longitudinale e all’asse longitudinale dell’estrusore, mezzi di riscaldamento di detta resina termoplastica ed un ugello; e

- detto ugello comprende un primo foro di uscita di detta resina termoplastica fusa da detta camera di fusione, un canale di guida di detto elemento continuo di rinforzo verso detto primo foro di uscita di detta resina termoplastica fusa, ed un secondo foro di uscita di detta resina termoplastica fusa unita a detto elemento continuo di rinforzo, posto a valle di detto primo foro di uscita di detta resina termoplastica fusa.

Un aspetto dell’invenzione riguarda anche un metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo comprendente le fasi di:

a) alimentare una resina termoplastica e un elemento continuo di rinforzo ad una testa di stampa;

b) fondere detta resina termoplastica in detta testa di stampa;

c) unire detto elemento continuo di rinforzo a detta resina termoplastica fusa e formare un flusso continuo di materiale composito comprendente detto elemento continuo di rinforzo e detta resina termoplastica fusa;

d) movimentare detta testa di stampa secondo un programma predefinito per formare detto articolo composito mantenendo fissa la posizione di detto elemento continuo di rinforzo rispetto a detta resina termoplastica fusa in detta testa di stampa;

e) depositare detto flusso continuo di materiale composito su un piano o una superficie di stampa per formare detto articolo composito.

Secondo la presente invenzione il termine “elemento continuo di rinforzo” indica un filamento continuo o una fibra continua o un intreccio di fibre quale una corda o un nastro, avente qualsiasi sezione trasversale. Il materiale costituente tale elemento può essere una resina naturale o sintetica, un metallo, vetro, carbonio, un materiale inorganico, o una combinazione di tali materiali. Il vetro, il carbonio ed i materiali inorganici (quali ad esempio il basalto) sono particolarmente vantaggiosi quando sono in forma di fibra.

Descrizione dettagliata

L’apparecchiatura ed il metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi secondo l’invenzione trovano applicazione in svariati settori manifatturieri, in particolar modo quelli che hanno a che fare con prodotti e semilavorati che necessitano di leggerezza, resistenza e che presentano geometrie complesse, anche su grandi volumi, con numeri di produzione che non giustificano l’investimento in uno stampo che spesso risulta addirittura impossibile da realizzare.

Tra i settori di interesse si citano quello nautico ed aeronautico, e quello della produzione di scocche e di telai, incluso il settore automobilistico. Ultimo, ma non per importanza, il settore architettonico, dove l’invenzione consente di realizzare strutture portanti caratterizzate da grande leggerezza e forme totalmente adattabili alle esigenze specifiche di ogni singola realizzazione, senza necessità di predisporre stampi.

L’invenzione viene ora descritta con riferimento alle figure allegate, date a titolo esemplificativo e non limitativo, nelle quali:

- La Fig. 1 è una vista prospettica schematica di una forma di attuazione dell’apparecchiatura secondo l’invenzione;

- La Fig. 2 è una vista schematica in sezione di una testa di stampa secondo l’invenzione;

- La Fig. 3 è una vista schematica ingrandita di un particolare della testa di stampa di Fig. 2; e

- Le Figg. 4A, 4B e 4C sono viste prospettiche schematiche di tre tipi di compositi depositati dall’apparecchiatura delle Figg.1.3.

Con riferimento alla Fig.1, si è illustrata un’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo, comprendente una testa di stampa 10 montata sul braccio 12 di un robot a 6 assi, designati dalle frecce I-VI.

Alla testa di stampa 10 viene alimentata una resina termoplastica 11 attraverso una linea 14, ed un elemento continuo di rinforzo 40. Attraverso un ugello 50 posto all’estremità inferiore della testa di stampa 10 fuoriesce un flusso 18 di materiale composito costituito dalla resina fusa e dall’elemento di rinforzo 40, che viene depositato su un piano di stampa 20 per formare un oggetto 22.

La testa di stampa 10 è movimentata secondo un modello 3D prestabilito, al fine di fabbricare l’articolo 22 avente la forma desiderata.

Nella Fig. 1 si è fatto riferimento ad un robot a 6 assi, ma naturalmente è possibile utilizzare un robot, o un altro dispositivo di movimentazione della testa di stampa, che ha meno gradi di libertà di movimento, ad esempio 3, 4 o 5 assi. E’ chiaro che l’utilizzo di sistemi di movimento complessi, come ad esempio sistemi robotici a 6 assi, consente di variare liberamente l’orientamento spaziale secondo il quale viene estruso e depositato il materiale fuso, consentendo la fabbricazione di oggetti con geometrie più articolate e più performanti. Con riferimento anche alla Fig. 2, la testa di stampa 10 è collegata a mezzi di alimentazione della resina termoplastica 11, costituiti da una tramoggia 24 e da un condotto di alimentazione 26. La resina termoplastica è tipicamente in forma di granuli, scaglie compound e polveri. Essa viene caricata nella tramoggia 24 in forma sfusa e trasferita per gravità alla testa di stampa 10 attraverso il condotto 26.

La testa di stampa 10 comprende un estrusore 28 per resine termoplastiche, provvisto di una camera di fusione 30 nella quale è montata una vite senza fine 32, girevole intorno al proprio asse longitudinale Y, coincidente con l’asse longitudinale dell’estrusore. La camera di fusione 30 è provvista di un condotto 34 per l’introduzione dei granuli di resina provenienti dal condotto di alimentazione 26. La vite 32 è azionata da un motore 35, attraverso mezzi noti nel ramo. Un motore 36 comanda la rotazione dell’estrusore 28 intorno all’asse longitudinale Y, come definito dalla freccia VII di Fig.1. Tale rotazione è consentita dal montaggio dell’intera testa di stampa 10 all’interno di un cuscinetto 13, come mostrato nelle Figg.1 e 2.

La camera di fusione 30 è provvista di mezzi di riscaldamento costituiti, ad esempio, da resistenze 38, atte a instaurare nella camera di fusione 30 la temperatura necessaria alla fusione della resina termoplastica, unitamente allo sforzo di taglio esercitato dalla vite senza fine 32. In una forma di attuazione le resistenze 38 sono resistenze ad alta potenza, in grado di realizzare temperature fino a 450°C nella camera di fusione 30.

La parte terminale dell’estrusore comprende un ugello 50 per la fuoriuscita della resina termoplastica fusa.

La testa di stampa 10 comprende anche dei mezzi di alimentazione di un elemento continuo di rinforzo, costituito ad esempio da una fibra continua 40 avvolta su una bobina 42. I mezzi di alimentazione della fibra 40 comprendono un motore elettrico 43, che aziona un dispositivo spingifilo 44, posto a fianco della camera di fusione 30 dell’estrusore 28, ma esternamente all’estrusore 28. La fibra viene quindi svolta dalla bobina 42 per entrare in un tubo 46, che la protegge e guida fino allo spingifilo 44, montato sul tubo 46, esternamente all’estrusore.

L’ugello 50 ha forma tronco-conica ed in esso è definito una parte superiore 51 di forma anulare, sul quale è previsto un foro 41, in prossimità del bordo esterno della parte 51. Più particolarmente, lo spingifilo 44 è montato sul tubo 46 in corrispondenza del foro 41, attraverso il quale la fibra 40 entra nell’ugello 50.

In una forma di attuazione il dispositivo spingifilo 44 comprende un pignone godronato azionato da una cinghia collegata al motore 43 in modo non illustrato in quanto noto. La fibra 40 è spinta contro il pignone da un rullo di pressione sollecitato da una molla. La rotazione del pignone godronato fa avanzare la fibra 40 trascinandola verso il basso, secondo la direzione della freccia A.

Il motore elettrico 43 e lo spingifilo 44 sono solidali alla testa di stampa 10 e si muovono con essa, in modo da evitare che la rotazione della testa 10 causi un attorcigliamento su se stessa della fibra 40. Ciò è particolarmente utile quando la fibra, o filamento, non ha sezione circolare, ma ad esempio ha sezione rettangolare.

All’uscita dello spingifilo 44, la fibra 40 entra nella parte terminale della testa di stampa 10, costituita dall’ugello 50, attraverso il foro 41 di comunicazione con un canale 56, come si dirà in seguito. Il foro 41 è realizzato nella parte superiore 51 dell’ugello 50, esternamente alla camera di fusione 30.

Con riferimento alla Fig.3, l’ugello 50 comprende un primo foro 52 di uscita della resina fusa dall’estrusore 28, ed un secondo foro 54, a valle del primo foro 52 nella direzione di flusso del materiale, per l’uscita del materiale dalla testa di stampa 10. Entrambi i fori 52 e 54 sono disposti coassialmente lungo l’asse longitudinale Y dell’estrusore 28.

L’ugello 50 comprende anche un canale 56 di contenimento e guida della fibra 40, la quale accede ad esso tramite il foro 41. Il canale 56 è orientato obliquamente a partire dal foro periferico 41 verso l’asse Y dell’estrusore, in modo da guidare la fibra 40 verso il foro 52 di uscita della resina fusa dall’estrusore. Nella zona immediatamente a valle del foro 52, ed a monte del foro 54, la fibra 40 viene in contatto con la resina fusa. Il secondo foro 54, è di dimensione variabile rispetto al primo foro 52, a seconda dei materiali e delle applicazioni, ed è atto a permettere la fuoriuscita combinata della resina termoplastica fusa 11 e della fibra 40 in modo da formare un flusso continuo di materiale composito 18. Il foro 54 è posto a valle del primo foro (52) secondo la direzione di flusso della resina termoplastica fusa uscente dall’estrusore 28.

La velocità di alimentazione della fibra 40 è regolata in modo da corrispondere alla velocità di estrusione della resina termoplastica, con velocità di estrusione intendendosi la lunghezza del filamento estruso nell’unità di tempo, ad esempio mm/minuto.

In una diversa forma di realizzazione, illustrata nella Fig. 3A, la fibra 40 viene inglobata nel getto di resina fusa che esce dall’estrusore. In tale realizzazione la parte terminale del canale 56 è collocata coassialmente rispetto al foro 52 dell’estrusore, in modo che la fibra 40 viene inglobata nel flusso della resina fusa prima della fuoriuscita dal foro 54.

L’ugello 50 è provvisto di resistenze elettriche 39, ad esempio resistenze a cartuccia ad alta densità, in grado di lavorare in funzionamento costante fino ad una temperatura di 800°C, potendo così riscaldare ulteriormente i granuli di resina per lavorazioni con polimeri speciali più performanti.

Come si è detto, la fibra 40 può essere realizzata in vari materiali, quali carbonio, vetro, metallo o altra resina sintetica avente un punto di fusione superiore a quello della resina termoplastica 11.

Con riferimento alle Figg. 4A, 4B e 4C, si sono mostrate alcune forme del materiale composito all’uscita dell’ugello 50 attraverso il foro 54, di sezione circolare.

Nella Fig. 4A si è mostrato un materiale composito estruso 18A comprendente una fibra singola.

Nella Fig.4B si è mostrato un materiale composito estruso 18B comprendente un intreccio di fibre.

Nella Fig. 4C si è mostrato un materiale composito estruso comprendente un elemento di rinforzo 40C avente forma di un nastro piatto.

Come mostrato in Fig. 1, l’intera testa di stampa 10 è in grado di ruotare su se stessa all’interno dei cuscinetti 13, in modo che la fibra, o il nastro, unita alla resina termoplastica mantenga sempre la stessa posizione relativa rispetto al getto di resina fusa, per qualsiasi posizione assuma il robot nella sua movimentazione. Questa caratteristica è importante ad esempio nella realizzazione di un materiale composito 18C avente la struttura mostrata in Fig. 4C, in quanto è vantaggioso che il nastro possa combinarsi alla resina mantenendo sempre la stessa posizione relativa rispetto al getto di resina fusa.

L’orientamento della testa di stampa può essere realizzato sia mediante un accelerometro/giroscopio che rileva i movimenti del robot, che mediante comando del robot stesso indicando i gradi di rotazione che la testa 10 deve avere.

Avvalendosi di tali mezzi la fibra 40 – nella forma ad esempio del nastro 40C – può essere deposta in maniera uniforme e ben inglobata o unita alla resina, in varie disposizioni spaziali relative. Ad esempio, la fibra 40 può essere deposta mantenendo la parte “piatta” sempre orientata in modo corretto, così da essere deposta parallela alla faccia dello strato a contatto con il precedente, oppure può essere deposta in disposizione obliqua o con altro orientamento spaziale, in funzione della disposizione degli assi del robot.

A fine lavorazione, o qualora all’interno della lavorazione occorra avere uno o più punti di discontinuità della fibra, una tronchesina pneumatica posta a lato della testa 10 taglia la fibra. Tale tronchesina pneumatica, non illustrata, è portata in posizione sotto l’uscita della testa 10 per mezzo di servomeccanismo, che la abbassa e la solleva in modo da non creare collisioni con il pezzo in lavorazione, quando non viene utilizzata.

L’apparecchiatura dell’invenzione consente di inserire o unire alla resina termoplastica qualsiasi tipo di fibra, nastro o corda, compresi conduttori in rame, consentendo così di inserire all’interno dell’oggetto stampato delle connessioni elettriche anche strutturali.

La testa di stampa 10, come si è detto, è in grado di ruotare su se stessa per poter direzionare bene sia la fibra 40 che per orientare correttamente l’ugello 50.

Tale movimento è reso possibile dal fatto che la testa 10 è sostenuta da un cuscinetto a sfere 13 di grosse dimensioni, fissato alla flangia di collegamento con il robot. Alla stessa flangia è collegato il motore passo-passo 36, che fa ruotare l’intera testa 10, grazie ai comandi impartiti da un sistema di controllo, non illustrato. Questo può utilizzare sia segnali diretti dal robot, sia un giroscopio-accelerometro posto sulla testa stessa, che ne rileva gli spostamenti nello spazio.

Il moto è trasmesso dal motore alla testa 10 per mezzo di un ingranaggio a corona dentata, non illustrato, per garantirne la precisione.

L’utilizzo di tutti i metodi sopracitati su un robot a 6 assi consente di superare i vincoli di forma imposti dalla classica stampa a 3 assi, consentendo di creare veri e propri reticoli di fibra e resina termoplastica per una resistenza strutturale elevatissima rispetto a quella ottenuta con la normale stampa 3D, oltre al fatto di poter realizzare forme ancora più complesse per l’assenza di vincoli in termini di sottosquadra.

E’ tuttavia inteso che la testa 10 è strutturata per poter essere utilizzata su qualsiasi sistema di movimentazione, quali un supporto a 3 assi di grossi dimensioni su una macchina a controllo numerico, o su di un carroponte con asse verticale avente movimento rigido e non tramite gancio sospeso.

L’apparecchiatura secondo l’invenzione, ed i sistemi annessi, sono controllati da un sistema combinato di elettronica e software.

In una forma di attuazione, l’elettronica comprende una scheda multiprocessore che controlla tutto il funzionamento, da una scheda di interfaccia con il robot, che consente una gestione uniforme dei due, da un quadro di controllo dove, oltre alle due schede, sono alloggiati tutti i componenti di potenza, gli alimentatori, gli azionamenti dei motori e simili, e da una consolle di controllo per l’interfaccia uomo macchina.

L’apparecchiatura comprende un sistema di raffreddamento diviso in due parti distinte, non illustrato.

Una parte ha la funzione di raffreddare le parti funzionali della testa di stampa quali i motori e le parti di ingresso del materiale che non si devono scaldare. Questo tipo di raffreddamento è realizzato utilizzando un liquido refrigerante.

Un’atra parte ha la funzione di raffreddare l’oggetto stampato per farlo indurire. Questo tipo di raffreddamento è realizzato tramite aria compressa.

Il sistema a liquido comprende una serie di cavità apposite all’interno dei componenti della testa 10 e di dissipatori esterni montati sui motori. Il liquido refrigerante è posto in circolazione da una pompa. Il sistema comprende anche una serie di termoresistenze montate sui componenti da raffreddare per monitorare la temperatura.

Il raffreddamento del pezzo stampato invece sfrutta la stessa aria compressa, generata da un compressore, il cui flusso in uscita è controllato da un’elettrovalvola con controllo di flusso per permettere alla giusta quantità di aria di fluire sul pezzo da raffreddare.

Per ottenere una stampa performante e di qualità è vantaggioso poter fermare la fuoriuscita del composito, e poterla riprendere rapidamente senza operazioni da parte dell’uomo e senza sbavature.

Secondo un aspetto dell’invenzione, l’estremità inferiore 32’ della vite senza fine 32 di estrusione ha forma conica (Fig. 3) ed è filettata lungo tutta la lunghezza del cono. Inoltre, il foro 52 di estrusione ha le pareti interne dimensionate per lasciare soltanto lo spazio indispensabile al passaggio del materiale in uscita senza creare accumuli. In tal modo la sola fermata del moto di rotazione della vite, o una brevissima rotazione in senso contrario a quello di estrusione, consentono di fermare il flusso in uscita, che può essere ripreso riattivando la rotazione della vite 32 nella direzione di estrusione. Alternativamente, il flusso in uscita può essere regolato e interrotto da un apposito otturatore, non illustrato, previsto nella parte terminale dell’ugello 50.

Un aspetto dell’invenzione riguarda anche un metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo, comprendente le fasi di:

b) fondere detta resina termoplastica in detta testa di stampa;

e) depositare detto flusso continuo di materiale composito su un piano o superficie di stampa per formare detto articolo composito.

Con riferimento alle figure, ed alla fase a), la resina termoplastica 11 è un polimero naturale o sintetico capace di essere portato allo stato fuso mediante riscaldamento e sottoposto a sforzi di taglio in un estrusore senza essere sostanzialmente degradato, in modo da essere lavorato nelle forme desiderate che vengono mantenute dopo raffreddamento. Esempi di resine termoplastiche sono il polietilene, il polipropilene, le poliammidi, i poliesteri.

Come definito in precedenza, il termine “elemento continuo di rinforzo” indica un filamento continuo o una fibra continua o un intreccio di fibre quale una corda o un nastro, indicato generalmente con 40, avente qualsiasi sezione trasversale, costituito da una resina naturale o sintetica, un metallo, vetro, carbonio, un materiale inorganico, o una combinazione di tali materiali. Nel caso di una resina sintetica, questa ha un punto di fusione superiore a quello della resina termoplastica. Alcune possibili sezioni trasversali sono mostrate nella Fig.4. Con riferimento alla fase b), il metodo prevede la fusione in un estrusore 28 contenuto nella testa di stampa 10 e l’estrusione di un flusso di resina fusa ad una velocità uguale alla velocità di alimentazione della fibra o filamento continuo 40. Con velocità di estrusione si intende la lunghezza dell’estruso per unità di tempo, ad esempio la lunghezza in millimetri del filamento emesso dall’estrusore per minuto. Se ad esempio la velocità di estrusione è di 2600 mm/min, anche la velocità di alimentazione della fibra 40 è regolata a 2600 mm/min.

Con riferimento alla fase c), il metodo prevede l’unione dell’elemento continuo di rinforzo, ad esempio un nastro 40C, alla resina fusa nella testa di stampa 10 prima della fuoriuscita dalla stessa. L’unione può consistere nell’inglobamento della fibra 40 nella resina fusa o l’adesione a parte della stessa.

Secondo un aspetto del metodo secondo l’invenzione, la quantità di resina estrusa è variabile in modo da variare il rapporto tra la resina 11 e la fibra 40 nel materiale composito 18.

Dopo il raffreddamento della resina la fibra 40 è unita in modo stabile e permanente alla resina in modo da formare un composito.

Con riferimento alla fase d), la testa di stampa viene posta in movimento da mezzi di movimentazione, quale ad esempio un robot industriale avente almeno tre gradi di libertà di movimento, secondo un programma prestabilito realizzato in funzione dell’oggetto da stampare.

Secondo un aspetto del metodo secondo l’invenzione, l’intera testa di stampa 10 è in grado di ruotare su se stessa, in modo che la fibra 40, o il nastro 40C, mantenga sempre la stessa posizione relativa rispetto al getto di resina fusa, per qualsiasi posizione assuma il robot nella sua movimentazione.

Come risulta dalla precedente descrizione, la possibilità di mantenere fissa la posizione relativa della fibra 40 rispetto al getto di resina fusa, la possibilità di regolare la quantità di resina rispetto alla fibra 40 nel composito finale 18 e la possibilità di incorporare elementi di rinforzo di varie forme e materiali, rende il metodo di stampa particolarmente flessibile e vantaggioso.

Con riferimento alla fase e), il flusso di materiale composito 18 estruso dalla testa di stampa viene depositato su un piano o superficie di stampa 20 secondo strati successivi di materiale composito che formano un oggetto in materiale composito di forma desiderata.

L’oggetto formato può infine essere raffreddato forzatamente per stabilizzarne la forma.

La realizzazione di strati con un composito di forma quadrata o poligonale rinforza la struttura dell’oggetto ed elimina o semplifica le fasi finali di finitura.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti un elemento continuo di rinforzo (40), comprendente una testa di stampa (10) associata a mezzi di movimentazione secondo almeno 3 assi, e mezzi di alimentazione (43, 44) di detto elemento continuo di rinforzo (40) a detta testa di stampa (10), caratterizzata dal fatto che detta testa di stampa (10) comprende un estrusore (28) per una resina termoplastica (11), mezzi alimentazione (24, 26) di detta resina termoplastica (11) a detto estrusore (28) e mezzi di guida (46, 56) di detto elemento continuo di rinforzo (40), in cui: - detto estrusore (28) comprende una camera di fusione (30), nella quale è montata una vite (32) girevole intorno al proprio asse longitudinale e all’asse longitudinale dell’estrusore (Y), mezzi di riscaldamento (38, 39) di detta resina termoplastica ed un ugello (50) - detto ugello (50) comprende un primo foro (52) di uscita di detta resina termoplastica fusa da detta camera di fusione (30), un canale di guida (56) di detto elemento continuo di rinforzo (40) verso detto primo foro (52) di uscita di detta resina termoplastica fusa, ed un secondo foro (54) di uscita di detta resina termoplastica fusa unita a detto elemento continuo di rinforzo (40), posto a valle di detto primo foro (52) di uscita di detta resina termoplastica fusa.
2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di alimentazione (43, 44) di detto elemento continuo di rinforzo (40) a detta testa di stampa (10) sono solidali con i movimenti di detta testa di stampa.
3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detto ugello ha forma tronco-conica, e che detto canale (56) di guida di detto elemento di rinforzo (40) è orientato obliquamente a partire da un foro (41) di accesso posto in prossimità del bordo esterno di detto ugello (50) fino a detto primo foro (52) di uscita di detta resina termoplastica fusa.
4. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto secondo foro (54) è posto a valle di detto primo foro (52) secondo la direzione di flusso di detta resina termoplastica fusa.
5. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto secondo foro (54) ha forma circolare.
6. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto elemento continuo di rinforzo (40) ha forma di fibra, filamento , intreccio o nastro.
7. Metodo per la stampa tridimensionale di articoli compositi comprendenti elementi continui di rinforzo comprendente le fasi di: a) alimentare una resina termoplastica (11) e un elemento continuo di rinforzo (40) ad una testa di stampa (10); b) fondere detta resina termoplastica (11) in detta testa di stampa (10); c) unire detto elemento continuo di rinforzo (40) a detta resina termoplastica fusa (11) e formare un flusso continuo di materiale composito (18) comprendente detto elemento continuo di rinforzo (40) e detta resina termoplastica fusa (11); d) movimentare detta testa di stampa (10) secondo un programma predefinito per formare detto articolo composito mantenendo fissa la posizione di detto elemento continuo di rinforzo (40) rispetto a detta resina termoplastica fusa (11) in detta testa di stampa (10); e) depositare detto flusso continuo di materiale composito (18) su un piano o superficie di stampa (20) per formare detto articolo composito (22).
8. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l’estrusione di detta resina fusa (11) da detto estrusore (28) è realizzata ad una velocità uguale alla velocità di alimentazione di detto elemento continuo di rinforzo (40).
9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 o 8, caratterizzato dal fatto che la quantità di detta resina termoplastica fusa è regolabile rispetto a detto elemento continuo di rinforzo.