IT201800010805A1 - Macchina stereolitografica implementata, per produzione a ciclo continuo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

Macchina stereolitografica implementata, per produzione a ciclo continuo.

La presente invenzione concerne il miglioramento del sistema di indurimento di una resina foto polimerizzante da parte di una radiazione elettromagnetica e l’implementazione di un piano di supporto dell’oggetto realizzato non ortogonale in una macchina stereolitografica per la produzione di oggetti tridimensionali.

Come è noto la tecnica della stereolitografia permette la produzione di un oggetto tridimensionale sovrapponendo una pluralità di strati ottenuti dalla solidificazione di una sostanza inizialmente liquida, altresì detta resina.

Ogni strato dell'oggetto tridimensionale è ottenuto esponendo un corrispondente strato della suddetta sostanza liquida ad una adeguata stimolazione elettromagnetica che provoca una solidificazione selettiva tramite polimerizzazione delle zone solide dell'oggetto che si vuole ottenere.

In accordo con le tecniche note la stereolitografia è attuata mediante macchine generalmente comprendenti un recipiente adatto a contenere una sostanza liquida fotosensibile e da un piano di supporto.

La macchina comprende un emettitore atto a dirigere un fascio di luce verso il recipiente, il cui scopo è di solidificare un singolo strato di sostanza liquida fotosensibile.

L'oggetto tridimensionale da produrre viene realizzato su un piano di supporto parallelo al fondo del recipiente e posto di fronte ad esso, tale piano è motorizzato in direzione ortogonale rispetto alla superficie del recipiente stesso.

Nella tecnica nota, l’asse di movimento Z su cui scorre il piano di stampa è ortogonale al fondo della vasca contenente la resina.

Dopo la solidificazione di ogni strato dell'oggetto il piano di supporto viene spostato rispetto al recipiente in modo da lasciare un nuovo strato di sostanza liquida tra l'oggetto e il fondo del recipiente e di conseguenza, permettere la formazione di un nuovo strato di oggetto in contatto con lo strato precedentemente solidificato.

Ogni strato dell'oggetto tridimensionale è infatti formato attraverso la solidificazione dello strato di sostanza adiacente al fondo del recipiente con lo strato precedentemente realizzato, o inizialmente con il piano di supporto.

La solidificazione si ottiene attraverso l'emissione di una radiazione elettromagnetica proveniente dalla zona sottostante il recipiente, che ha fondo trasparente e che poggia su una piastra di supporto munita di apertura passante, in questo modo la zona del fondo del recipiente, quindi la sostanza in esso contenuta, è esposta all'azione della radiazione elettromagnetica.

La radiazione elettromagnetica è solitamente composta da un fascio di fotoni a specifica lunghezza d'onda, in grado di eccitare un fotoiniziatore presente nella sostanza liquida contenuta nel recipiente. Generalmente la radiazione elettromagnetica può essere generata da un diodo led e riflessa selettivamente tramite un array di specchi (DLP) sul fondo del recipiente a formare la sagoma voluta. Un altro metodo è quello di utilizzare un diodo laser, il quale fascio viene direzionato attraverso un sistema di specchi galvanometrici oppure un sitema di movimentazione cartesiano sul fondo del recipiente della resina percorrendo un percorso che disegna la sagoma voluta. Un terzo metodo è quello di utilizzare una fotomaschera digitale, generalmente uno schermo lcd, per bloccare la radiazione elettromagnetica emessa da una fonte elettromagnetica singola o multipla posta in adiacenza della fotomaschera. La fotomaschera è selettivamente permeabile alla radiazione elettromagnetica polimerizzante, così da formare la sagoma dello strato dell’oggetto in costruzione.

Queste tecnologie prevedono sistemi chimico/fisici di distacco del layer indurito dal fondo del recipiente della resina, quindi un rivestimento delle pareti della vasca con materiali come PDMS (Polydimethylsiloxane ) o FEP (Fluorinated ethylene propylene).

Il recipiente è un componente separato collegato alla piastra di supporto attraverso una unità di arresto che permette di bloccarlo saldamente a quest'ultima, ma che può essere rimosso quando si usura per essere sostituito.

In particolare l'unità di arresto deve mantenere il fondo del recipiente perfettamente poggiato sulla piastra di supporto in modo da garantirne il corretto posizionamento con una precisione tale da ottenere strati solidificati di sostanza con spessore uniforme. L'unità di arresto appena menzionata è necessaria anche per prevenire che il recipiente possa essere sollevato insieme con il piano di stampa quando quest'ultimo viene movimentato dopo la fase di solidificazione, infatti a causa del cosiddetto "effetto ventosa" risultante dalla viscosità della sostanza si ha normalmente un consumo del fondo del recipiente dovuto alla sollecitazione da forze esterne. I sistemi stereolitografici generalmente conosciuti come quelli sopra descritti sono generalmente sistemi a ciclo chiuso. Per ciclo chiuso si intende un sistema nella quale tra una lavorazione e la successiva bisogna rimuovere l’oggetto dal piano di supporto, o sostituire il piano stesso per avviare il ciclo di lavoro successivo. Generalmente questa è un operazione manuale, ma in alcuni casi è possibile automatizzarla, così da consentire al macchinario di effettuare più cicli di lavorazione autonomamente.

La presente invenzione che intende superare i limiti della tecnologia ad oggi nota, propone un macchinario stereolitografico e relativo metodo di lavorazione a ciclo aperto, così da consentire alla macchina stessa di poter lavorare senza interruzione una moltitudine di oggetti in serie, senza mai interrompere il ciclo di lavorazione e senza intervento umano o da macchinari esterni.

I suddetti scopi e vantaggi, insieme con altri che saranno evidenziati di seguito, sono illustrati nella descrizione dell'invenzione, fornita a titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

-La figura 1 mostra una vista assonometrica della macchina stereolitografica oggetto dell’invenzione;

-La figura 2 mostra una sezione laterale della macchina stereolitografica mostrata in figura 1, compresi alcuni sensori, la sostanza liquida sensibile alla radiazione elettromagnetica e più oggetti in costruzione;

La macchina stereolitografica indicata complessivamente in figura 1, comprende un telaio di supporto non rappresentato nei disegni agganciato in maniera solidale alla piastra di supporto 3 ed al telaio del nastro trasportatore 6. La piastra di supporto 3 è adatta a supportare un recipiente 4 adatto a contenere una sostanza liquida in grado di solidificarsi quando colpita da una specifica radiazione elettromagnetica 2. La macchina stereolitografica di figura 1 comprende inoltre una unità di arresto non raffigurata adatta a bloccare il recipiente 4 sulla piastra di appoggio 3 in mod o da definire almeno una posizione di riposo.

La piastra di supporto 3 è fornita di un apertura passante 5 esattamente sotto il fondo della vasca 4, la quale permette ad una radiazione elettromagnetica 2 di raggiungere il fondo della vasca 4. Sotto la piastra di supporto 3 è posto l’emettitore 1, in grado di generare una radiazione elettromagnetica 2 in direzione dell’apertura passante 5 e di conseguenza il fondo del recipiente 4. Il fondo del recipiente 4 è permeabile alla radiazione elettromagnetica 2 e quando viene raggiunto da essa, permette l’indurimento selettivo della sostanza liquida 10 in esso contenuta, visibile in figura 2. La radiazione elettromagnetica 2 è in grado di raggiungere selettivamente le differenti aree del fondo del recipiente 4, questo comportamento può essere ottenuto attraverso differenti tecniche, quali proiezione DLP, movimentazione di un laser attraverso un sistema galvanometrico o cartesiano oppure l’utilizzo di una fotomaschera digitale. L’invenzione è particolarmente adatta per macchine stereolitografiche, vedi figura 2, dove lo strato di sostanza liquida 10 adiacente al fondo della vasca 4 viene sottoposto ad eccitazione.

La macchina stereolitografica di figura 1 e figura 2 comprende inoltre un nastro trasportatore 6 adatto a supportare l’oggetto tridimensionale in lavorazione 11, visibile in figura 2. Il suddetto piano di stampa costituito dal nastro 6 ed il suo movimento l’ungo l’asse Z, a differenza delle macchine stereolitografiche conosciute sono paralleli. Il nastro di stampa 6 non è parallelo alla piastra di supporto 3 ed il movimento dell’asse Z non è ortogonale alla piastra di supporto 3 ma entrambi possono avere un inclinazione a titolo di esempio non limitativo di 45°. Il piano di stampa 6 è costituito a titolo di esempio non limitante da un nastro trasportatore, formato da un nastro chiuso ad anello, montato ed in grado di scorrere su un telaio che ne formi almeno un piano di scorrimento adatto a supportare la sostanza indurita 10. In altre versioni della stessa macchina potrebbe essere formato da un piano rigido motorizzato che scorre inclinato rispetto al fondo della vasca 4. In questa versione il nastro 6 è movimentato in maniera controllata da un asse Z motorizzato da un motore 7 solidale al telaio stesso di supporto del nastro, che ne consente lo scorrimento controllato nelle due direzioni. Durante le operazioni di indurimento della sostanza 10 contenuta nella vasca 4 da parte della radiazione elettromagnetica 2, il nastro di stampa 6 presenta sempre una porzione di superficie 12 adiacente al fondo della vasca 4. Il primo strato di sostanza 10 indurita aderirà al nastro 6 nella porzione di superficie 12 in cui il nastro 6 si trova adiacente al fondo della vasca 4 e creerà uno strato di sostanza liquida 10 indurito con un lato che resta parallelo al fondo della vasca 4 ed un bordo attaccato al nastro di costruzione 6. Gli strati successivi di sostanza indurita, aderiranno nella zona 12 al nastro 6 mentre per la restante superficie di indurimento allo strato precedentemente polimerizzato parallelo al fondo della vasca 4. Dopo ogni ciclo di indurimento della sostanza liquida 10, il nastro di stampa 6 si muoverà in direzione non ortogonale ed opposta alla piastra di supporto 3, così da staccare lo strato indurito di sostanza 10 dal fondo della vasca 4 e lasciare spazio ad un nuovo strato di sostanza liquida 10 per un successivo ciclo di indurimento da parte della radiazione 2. Strato dopo strato si avrà la formazione dell’oggetto 11 attaccato al nastro di stampa 6.

L’oggetto 11, quando arriva al termine della corsa dell’area piana formata dal nastro 6, altresì identificabile con il termine della corsa dell’asse Z, se ne distacca, come accade in figura 2 oggetto 11b, per effetto “peel off” dato dal nastro stesso nella curva che esegue per il ritorno girando sul suo telaio di supporto, dando all’oggetto 11 la possibilità di staccarsi ed essere raccolto oppure di continuare la sua crescita potenzialmente all’infinito.

Il fondo della vasca 4, permeabile alla radiazione elettromagnetica 2, può essere costituito o ricoperto con materiali che aumentino tramite effetto meccanico e chimico il distacco dello strato indurito di sostanza 10. Come esempi non limitanti il fondo della vasca 4 può essere rivestito con un film di FEP tensionato e bloccato.

Oppure può essere rivestito con uno strato di adesivo otticamente inerte alla radiazione 2 adatto a fissare un film di Fep al fondo della vasca 4.

Oppure può essere rivestito con materiali a base siliconica come PDMS otticamente inerti alla radiazione 2.

Oppure può essere rivestito da un materiale come PDMS ed un film di FEP sopra fissato attraverso uno specifico adesivo.

Lo spessore dei materiali di rivestimento del fondo della vasca 4 può variare.

Un sensore di pressione o cella di carico 8, montato sulla piastra di suporto 3 e posto in posizione adiacente e sottostante ad uno dei bordi della vasca 4, è in grado di rilevare la pressione esercitata dal bordo inferiore della vasca 4, analizzando i dati ottenuti attraverso l'elaboratore presente a bordo macchina, non rappresentato in figura 1 e figura 2, è possibile rilevare la diminuzione di pressione durante il distacco della superficie indurita di sostanza 10 dal fondo della vasca 4 ed il successivo aumento di pressione dovuto al termine del distacco. E' quindi possibile rilevare l'esatto momento dell'avvenuto distacco dello strato indurito di sostanza 10 dal fondo della vasca 4 consentendo alla macchina stereolitografica di modulare la distanza e la velocità di movimento del nastro di stampa 6 in base all'effettivo distacco della superficie indurita.

Inoltre la macchina stereolitografica rappresentata nelle figure presenta un sensore induttivo 9 posto adiacente al fondo della vasca 4, in grado di leggere la presenza di un determinato livello di sostanza liquida 10 presente nella vasca 4. Questo sensore permette al diminuire della sostanza liquida 10 presente nella vasca 4 sotto una determinata soglia di livello, di agire, così da monitorare il livello di sostanza 10 che sia sempre quello ottimale per il ciclo di costruzione dell’oggetto 11.

L’orientamento rispetto il centro di gravità terrestre della macchina stereolitografica raffigurata in figura 1 e figura 2, è indicativo a titolo di esempio non limitante, altezze e sagome differenti delle pareti della vasca 4, consentirebbero orientamenti differenti dell’intero sistema, rispetto il centro di gravità terrestre, mantenendo sempre la sostanza liquida 10 all’interno della vasca 4.

I vantaggi, rispetto la tecnica nota, di una nuova macchina stereolitografica come quella sopra descritta sono:

-La possibilità di lavorare a ciclo aperto: L’asse Z non ha una corsa predeterminata, ma potenzialmente tendente all’infinito. Questo permette la realizzazione di oggetti con lunghezza superiore a quella dell’asse stesso, oppure di produrre in continuo una serie di oggetti senza mai fermare il ciclo di stampa;

-Grazie al sensore 8 in grado di leggere informazioni sull’effettivo distacco della superficie indurita di sostanza 10 dal fondo della vasca 4, l’elaboratore presente a bordo macchina è in grado di diminuire la distanza ed aumentare la velocità dei movimenti impartiti dal motore 7 al nastro di stampa 6 durante le operazioni di distacco, risultando in una notevole diminuzione del tempo necessario per la realizzazione di un oggetto 11;

-Grazie al sensore 9 in grado di leggere il livello della sostanza liquida 10 presente nella vasca 4 è possibile mantenere sempre un livello di liquido ottimale per la realizzazione dell’oggetto 11;

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Macchina Stereolitografica caratterizzata da: -una vasca (4) trasparente ad una radiazione elettromagnetica (2), adatta a contenere una sostanza liquida (10); -mezzi emettitori (1) atti a dirigere una radiazione elettromagnetica (2) verso il fondo della vasca (4); -un piano di stampa (6) non parallelo al fondo della vasca (4); -un asse Z motorizzato in grado di muoversi lungo un asse prestabilito, non ortogonale al fondo della vasca (4); -un piano di stampa (6) ed un asse di scorrimento Z del piano di stampa (6), paralleli; 2) Macchina stereolitografica come da rivendicazione precedente in cui il piano di stampa (6) è costituito da un nastro trasportatore, formato da un nastro chiuso ad anello, motorizzato e montato su un telaio dove è in grado di scorrere e che ne formi almeno un piano di scorrimento adatto a supportare la sostanza indurita (10); 3) Macchina stereolitografica come da rivendicazione 1 in cui il piano di stampa è costituito (6) da un piano rigido motorizzato; 4) Macchina stereolitografica come da rivendicazione 1 in cui un sensore di pressione o cella di carico (8), montato sulla piastra di suporto (3) e posto in posizione adiacente e sottostante ad uno dei bordi della vasca (4), è in grado di rilevare la pressione esercitata dal bordo inferiore della vasca (4); 5) Macchina stereolitografica come da rivendicazione 1 in cui un sensore induttivo (9) posto adiacente al fondo della vasca (4) è in grado di leggere la presenza di un determinato livello di sostanza liquida (10) presente nella vasca (4); 6) Macchina stereolitografica come da rivendicazione 1 in cui il fondo della vasca (4) è ricoperto con un film di FEP tensionato; 7) Macchina stereolitografica come da rivendicazione 1 in cui il fondo della vasca (4) è ricoperto con materiali a base siliconica come PDMS; 8) Macchina stereolitografica come da rivendicazione 1 in cui il fondo della vasca (4) è ricoperto con uno strato di materiali come PDMS ed un film di FEP sopra fissato attraverso uno specifico adesivo;