IT201900012936A1 - Piano di costruzione di una macchina per la stampa 3d - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“PIANO DI COSTRUZIONE DI UNA MACCHINA PER LA STAMPA 3D”
La presente invenzione è relativa ad un piano di costruzione di una macchina per la stampa 3D. Il piano di costruzione per le macchine per la stampa 3D è comunemente indicato con la dicitura inglese “platform”.
In particolare, l’invenzione trova una vantaggiosa applicazione per la tecnologia SLBM (Selective Laser Beam Melting) a cui la descrizione farà esplicito riferimento senza per questo perdere in generalità.
Nella tecnologia di stampa 3D, la tecnologia SLBM prevede che un fascio laser venga utilizzato come sorgente di calore ad alta densità di potenza per portare a fusione le polveri metalliche in modalità selettiva. Il processo è guidato in modo digitale, direttamente da dati CAD 3D sezionati. Per ciascuna sezione di dati CAD viene depositato sul piano di costruzione un sottile strato uniforme di polvere metallica finissima, quindi il laser fonde con precisione le aree selezionate dello strato di polvere. Il processo viene ripetuto a salire, strato dopo strato, finché il pezzo non è completo.
La fusione della polvere viene localizzata solamente in alcune zone in cui si deve ottenere del materiale compatto per la costruzione del componente tridimensionale da realizzare. Il vantaggio legato all’impiego del fascio laser è che può essere focalizzato su piccole dimensioni (circa 70-200 µm) e, quindi, garantire elevate densità di potenza, che portano ad una rapida fusione della polvere ed a un buon livello di precisione. Inoltre, rispetto alle tecnologie tradizionali di produzione, con la tecnologia SLBM è possibile raggiungere livelli di personalizzazione del componente molto elevati.
Una volta generato, il fascio laser viene trasportato mediante un gruppo di ottiche fino alla zona immediatamente al di sopra di una camera di lavoro dove è posizionato un sistema galvanometrico. La camera di lavoro è la zona in cui avviene il processo di fusione della polvere sotto un’atmosfera controllata. All’interno della camera di lavoro sono presenti alcuni dispositivi di movimentazione, che consentono di controllare l’adduzione della polvere e quindi di garantire la realizzazione del componente.
Generalmente, il letto di polvere viene realizzato mediante l’azione di una racla che con il suo movimento distribuisce la polvere del metallo su di uno spessore già “lavorato” dal laser andando progressivamente a coprire volumetricamente l’oggetto da realizzare.
Un tale tipo di lavorazione viene generalmente indicata come produzione "additiva" in quanto implica l'accumulo di sottili strati di materiale, uno a uno.
I sistemi di produzione additiva possono utilizzare diversi metalli, tra cui lega di titanio Ti6Al4V, lega di cobalto cromo, acciaio inox, leghe di nichel come Inconel 625 e Inconel 718, lega di alluminio AlSi10Mg, rame, metalli preziosi e tanti altri.
Un volta terminata la fase di fusione di tutti gli strati di polvere, l’oggetto realizzato viene estratto dalla camera di fusione ripulito della polvere superflua e successivamente separato dal piano di costruzione mediante una operazione di taglio.
L’operazione di taglio tipicamente avviene tramite l’utilizzo di processi di elettroerosione. L'elettroerosione è una tecnologia di lavorazione che utilizza le capacità erosive delle scariche elettriche. Le macchine utensili realizzate per eseguire questo tipo di lavorazione vengono chiamate “macchine per elettroerosione”, o in inglese EDM (Electrical Discharge Machining).
Nell’”elettroerosione a filo” (WEDM) un filo in materiale conduttivo viene teso attraverso un foro nel materiale, per poi essere mosso lentamente tagliando lo stesso con un approccio simile al taglio della schiuma espansa mediante filo riscaldato. Il processo consiste nell'avvicinamento dell'utensile da taglio al materiale da lavorare, il tutto all'interno di un dielettrico liquido.
L'utensile viene alimentato con un potenziale negativo rispetto al materiale lavorato. Quando la distanza dell'utensile dal materiale è sufficientemente ridotta da rompere il dielettrico e far fluire la corrente attraverso esso, gli elettroni generano un canale di plasma, detto arco, che fonde la superficie del materiale. Gli svantaggi nell’uso di questa tecnologia possono riassumersi in tempi di processo estremamente lunghi, ad esempio il distacco di un oggetto di acciaio da una platfom da 250x250 mm può richiedere anche 8 ore, elevati costi energetici, e consumo del filo e del dielettrico.
Inoltre, una volta che l’oggetto realizzato è stato separato dal piano di costruzione, quest’ultima deve essere rigenerata, nel senso che deve essere riportata ad uno stato tale da poter essere riutilizzata in un successivo processo di stampa 3D. la rigenerazione prevede, generalmente, una operazione di sgrossatura e una operazione di rettifica.
Mentre la sgrossatura toglie il grosso dei residui, la rettifica fa sì che tutti i residui o il materiale in eccesso vengano eliminati garantendo alla superficie lavorata un alto grado di finitura. La rettifica è eseguita con una macchina chiamata rettificatrice, che ha come utensile una mola a grana fine ed estremamente dura.
L’operazione di rettifica è un'operazione costosa e comporta necessariamente una riduzione dello spessore del piano di costruzione fino a renderla non più utilizzabile.
Era quindi sentita l’esigenza di disporre di una soluzione che consentisse un distacco dell’oggetto lavorato dal piano di costruzione senza incorrere negli svantaggi dell’arte nota di cui sopra.
Oggetto della presente invenzione è un piano di costruzione per una macchina per la stampa 3D, le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1, e le cui caratteristiche preferite e/o ausiliari sono riportate nelle rivendicazioni 2-8.
Un altro oggetto della presente invenzione una macchina per la stampa 3D che comprende un piano di costruzione secondo la presente invenzione.
Di seguito è riportata una forma di realizzazione a puro titolo illustrativo e non limitativo, con l’ausilio della figura allegata, la quale illustra sotto forma di esploso una preferita forma di realizzazione del piano di costruzione secondo la presente invenzione.
In figura è indicato nel suo complesso con 1 un piano di costruzione secondo una preferita forma di realizzazione della presente invenzione. Il piano di costruzione 1 comprende uno strato base 2 realizzato di un materiale alto fondente, preferibilmente realizzato con un materiale la cui temperatura di fusione è superiore a 800°C. Nell’esempio in figura lo strato base 2 è realizzato in acciaio.
Il piano di costruzione 1 comprende uno strato superiore 3 realizzato con materiale basso fondente, preferibilmente realizzato con un materiale la cui temperatura di fusione è inferiore a 600°C, più preferibilmente inferiore a 300°C.
Nell’esempio in figura lo strato superiore 3 è realizzato con una lega Sn/Pb. Le leghe Sn/Pb hanno un basso punto di fusione in quanto costituiscono una miscela eutettica. Una lega composta dal 38% in peso di piombo e dal 62% in peso di stagno fonde completamente a 183°C. Tale temperatura di fusione è inferiore sia a quella dello Sn (231,9°C) sia a quella del Pb (327,5°C). Altri possibili materiali con cui realizzare efficacemente lo strato superiore 3 sono In, Al e Zn. Preferibilmente, lo strato superiore 3 ha uno spessore compreso tra 1 e 10 mm.
Il piano di costruzione 1 comprende uno strato di connessione 4, che ha lo scopo di sopperire alla bassa bagnabilità che potrebbe presentare lo strato superiore 3 e, quindi, per migliorare l’adesione e la conducibilità termica fra lo strato base 2 e lo strato superiore 3. Nell’esempio in figura lo strato di connessione 4 è realizzato in Cu. In uso, quando il piano di costruzione 1 è utilizzata in una macchina per la stampa 3D, durante il processo di fusione, i primi strati di polvere vengo fusi sullo strato superiore 3 ed è necessario, come tutt’oggi avviene, la realizzazione di supporti che facciano da ponte fra il piano di costruzione 1 e l’oggetto da realizzare. I primi strati dei supporti non saranno molto stabili poiché l’alta temperatura di fusione, anche se localizzata, rende lo strato superiore 3 non molto solido. Tuttavia, dopo pochissimi layer la lega Sn/Pb solidifica definitivamente grazie alla conducibilità termica del piano di costruzione 1 nel suo complesso e della polvere che si va ad aggiungere.
A fine processo, una volta completata la realizzazione dell’oggetto, si rimuove la polvere non fusa, e il piano di costruzione viene portato ad una temperatura almeno pari a quella del punto di fusione del materiale dello strato superiore 3. A questo punto, una volta che il materiale di cui è composto lo strato superiore 3 comincia a fondersi, l’oggetto realizzato si separa dal piano di costruzione semplicemente sollevandolo. In altre parole, la separazione avviene mediante una fusione della parte di piano di costruzione su cui era fissato l’oggetto.
Una volta che l’oggetto realizzato è separato dal piano di costruzione, lo stesso viene sottoposta a un processo di rigenerazione per poter essere riutilizzata in un nuovo processo di stampa 3D. Il processo di rigenerazione viene realizzato appoggiando semplicemente una piastra d’acciaio sullo strato superiore 3. La piastra di acciaio funge da pistone ed è delle stesse dimensioni del piano di costruzione. In questo modo, la superficie esterna dello strato superiore 3 ritorna assolutamente piatta e il piano di costruzione è pronto per un nuovo processo di stampaggio.
Un tale processo di rigenerazione può essere realizzato direttamente all’interno della macchina per la stampa 3D.
Il riscaldamento del piano di costruzione e il distacco dell’oggetto possono avvenire sia all’interno della macchina di stampa sia all’esterno tramite opportuna apparecchiatura.
Il distacco dei supporti dall’oggetto viene effettuato come prassi allo stato dell’arte.
Il riscaldamento del piano di costruzione, in particolare dello strato superiore 3, può essere effettuato o mediante mezzi interni alla platform stessa o mediante mezzi esterni alla platform.
I mezzi di riscaldamento interni al piano di costruzione possono comprendere delle resistenze alloggiate all’interno dello strato base 1, mentre i mezzi di riscaldamento esterni al piano di costruzione possono comprendere un sistema di insufflaggio di aria calda. Il sistema di insufflaggio di aria calda può essere alloggiato direttamente all’interno della macchina per la stampa 3D.
Come si evince chiaramente dalla descrizione di cui sopra la soluzione della presente invenzione consente di superare tutti i problemi dell’arte nota relativi alle operazioni dispendiose e articolate di separazione dell’oggetto realizzato dal piano di costruzione.
In particolare, va sottolineato come la soluzione oggetto della presente invenzione non comporti minimamente un consumo del piano di costruzione, se non forse la semplice ed economica ricostruzione dello strato superiore 3.
Claims (10)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Piano di costruzione (1) di macchine per la stampa 3D caratterizzato dal fatto di comprendere uno strato base (2) realizzato di un materiale la cui temperatura di fusione è superiore a 800°C, e uno strato superiore (3) disposto sopra detto strato base (2) e realizzato di un materiale la cui temperatura di fusione è inferiore a 600°C.
- 2. Piano di costruzione (1) di macchine per la stampa 3D secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto strato superiore è realizzato di un materiale la cui temperatura di fusione è inferiore a 300°C.
- 3. Piano di costruzione (1) di macchine per la stampa 3D secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto strato superiore (3) ha uno spessore compreso tra 1 e 10 mm.
- 4. Piano di costruzione (1) di macchine per la stampa 3D secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto strato base (2) è realizzato in acciaio.
- 5. Piano di costruzione (1) di macchine per la stampa 3D secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto strato superiore (3) è realizzato con un materiale compreso tra una lega Sn/Pb, In, Al e Zn.
- 6. Piano di costruzione (1) di macchine per la stampa 3D secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere uno strato di connessione (4) disposto tra detto strato base (2) e detto strato superiore (3) ed atto a migliorare l’adesione e la conducibilità termica fra lo strato base (2) e lo strato superiore (3).
- 7. Piano di costruzione (1) di macchine per la stampa 3D secondo la rivendicazione 6 caratterizzato da fatto che detto strato di connessione (4) è realizzato in Cu.
- 8. Piano di costruzione (1) di macchine per la stampa 3D secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di riscaldamento alloggiati all’interno dello strato base (2)
- 9. Macchina per la stampa 3D comprendente un piano di costruzione (1) caratterizzata dal fatto di comprendere un piano di costruzione (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti.
- 10. Macchina per la stampa 3D secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi di riscaldamento del detto piano di costruzione.
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