IT201900015297A1 - Apparecchiatura e metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibra continua - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione avente per titolo:
“APPARECCHIATURA E METODO PER LA STAMPA TRIDIMENSIONALE DI MATERIALI COMPOSITI A FIBRA CONTINUA”
Campo dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo dello stampaggio tridimensionale di materiali compositi.
In particolare, la presente invenzione si riferisce ad una apparecchiatura e ad un metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibra continua e matrice termoplastica o termoindurente.
Tecnica nota
Come noto con il termine “composito” si intende in generale un materiale ottenuto combinando due o più componenti in modo che il prodotto finale abbia proprietà diverse da quelle dei singoli costituenti. In ambito tecnico, per meglio identificare cosa viene inteso con il termine “composito” è consuetudine circoscrivere la classe dei materiali compositi ai soli materiali rinforzati, nei quali almeno un componente, di solito sotto forma di fibre, ha caratteristiche meccaniche molto superiori agli altri.
In generale, può essere definito come “materiale composito” o semplicemente “composito” l’unione, per adesione o coesione, di due o più componenti, differenti per forma e composizione chimica, insolubili l’uno nell’altro e separati da un’interfaccia.
I compositi sono generalmente costituiti da una fase continua (detta matrice) e da una fase discontinua (che viene detta rinforzo). Alla fase discontinua sono principalmente demandate le proprietà meccaniche del materiale (resistenza e rigidezza), alla fase continua, invece, viene demandato il compito di trasferire i carichi esterni applicati alla fase discontinua. Questa trasmissione avviene per effetto di tensioni tangenziali. Inoltre, la matrice oltre a stabilizzare a compressione il composito, ha la funzione di tenere insieme e proteggere le fibre e di realizzare la forma del pezzo.
In definitiva, un materiale composito è un materiale multifase che può essere creato artificialmente ed è diverso dai costituenti: in base al principio delle azioni combinate, l’ottimizzazione di una proprietà viene ottenuta mediante l’attenta e studiata combinazione di due o più materiali differenti.
Sulla base del materiale della matrice che costituisce la fase continua, i compositi sono classificati a matrice metallica, a matrice ceramica e a matrice polimerica. I compositi a matrice polimerica sono generalmente costituiti da fibre sintetiche (ad esempio carbonio, nylon, aramide o vetro) incorporato in una matrice polimerica, che circonda, protegge e lega le fibre. Tipicamente, le fibre costituiscono circa il 50/60% di un composito a matrice polimerica in volume. A loro volta all’interno della categoria a matrice polimerica esistono due sotto classi di materiali che compongono la matrice polimerica che sono: polimeri termoplastici e polimeri termoindurenti.
I polimeri termoplastici sono un gruppo di materie plastiche che acquistano malleabilità, sotto l’azione della temperatura. Soggetti all’azione della temperatura, i polimeri termoplastici possono essere modellati o formati in oggetti finiti e quindi una volta raffreddati tornare ad essere strutture rigide. La viscosità diminuisce, infatti, all’aumentare della temperatura, ma anche con l’aumentare della velocità di scorrimento e dello sforzo di taglio. Questo ciclo di riscaldamento/raffreddamento, teoricamente, può essere ripetuto più volte in base alle qualità delle diverse materie plastiche; nella pratica è possibile ripetere il ciclo per un numero limitato di volte poiché troppi riscaldamenti possono degradare i polimeri.
I materiali polimerici termoindurenti hanno una struttura molecolare reticolata formata da legami covalenti. I polimeri termoindurenti sono reticolati mediante un processo chiamato “Curing”, attraverso cui la resina allo stato fluido subisce una serie di trasformazioni passando per uno strato gelificato o gommoso fino a passare allo stato vetroso. Alcune resine termoindurenti sono reticolate per mezzo del calore o attraverso calore e pressione combinati. In altri casi, la reazione chimica può avvenire a temperatura ambiente (termoindurenti a freddo) per mezzo di una radiazione luminosa, evaporazione di sostanze, attivazione per mezzo dell’umidità e infine a causa della miscelazione forzata di due elementi (in genere resina e catalizzatore).
Benché i manufatti in resina termoindurente possano ammorbidirsi per effetto del calore (Tg, temperatura di transizione vetrosa), i legami covalenti del reticolo impediscono loro di ritornare allo stato fluido che esisteva prima della reticolazione, anzi se il riscaldamento comporta il superamento della temperatura di degrado, questi si decompongono carbonizzandosi. I materiali termoindurenti, perciò, non possono venire nuovamente riscaldati e quindi fusi come succede con i termoplastici.
Processi di stampaggio tridimensionale di materiali compositi sono ad esempio descritti in US9987798, US10011073 e US9126367.
La Richiedente ha osservato che i processi di stampaggio tridimensionali di materiali compositi a fibre continue noti sono intrinsecamente legati al tipo di materiale, termoplastico o termoindurente, che si vuole utilizzare per realizzare la matrice del materiale composito. In altri termini, la scelta del materiale determina il processo di stampaggio tridimensionale.
La Richiedente ha ulteriormente notato che proprio per tale ragione ad oggi i più diffusi sono i processi di stampaggio tridimensionale di materiale composito a matrice termoplastica.
La Richiedente ha quindi riscontrato la necessità di un processo e della relativa apparecchiatura per la stampa tridimensionale di materiale composito a fibre continue che sia lo stesso indipendentemente dal tipo di materiale, termoplastico o termoindurente, che si vuole utilizzare per realizzare la matrice del materiale composito da stampare.
Sommario dell’invenzione
Pertanto, in un suo primo aspetto, l’invenzione riguarda una apparecchiatura per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibra continua, comprendente: -una testa di alimentazione di almeno un elemento filiforme continuo comprendente almeno una fibra;
-un gruppo di movimentazione relativa tra la testa di alimentazione e l’oggetto tridimensionale in modo da esercitare una trazione dell’elemento filiforme continuo;
-una unità di deposizione di una quantità di polvere su detto elemento filiforme in modo da formare un elemento filiforme preimpregnato; detta unità di deposizione essendo configurata per depositare una determinata quantità di polvere sull’elemento filiforme;
-una sorgente di energia configurata per indurre un cambio di fase dallo stato solido allo stato liquido dell’elemento filiforme preimpregnato; detta sorgente di energia essendo posizionata a valle di detta unità di deposizione.
Nella soluzione proposta si ha la possibilità di utilizzare materiale sia termoplastico che termoindurente con lo stesso apparato e metodo di stampaggio, utilizzando un materiale di formazione del materiale composito in polvere.
La presente invenzione, nel suddetto aspetto, può presentare almeno una delle caratteristiche preferite che qui di seguito sono descritte.
Preferibilmente, l’unità di accoppiamento è alloggiata almeno parzialmente internamente alla testa di alimentazione in modo che l’accoppiamento tra la determinata quantità di polvere e l’elemento filiforme continuo avvenga internamente alla testa di alimentazione.
Vantaggiosamente, l’unità di accoppiamento è alloggiata in una stazione dedicata posta a monte della testa di alimentazione in modo che l’accoppiamento tra la determinata quantità di polvere e l’elemento filiforme continuo avvenga in un tempo tale da consentire alla detta quantità di polvere di depositarsi sull’elemento filiforme in modo da interessare anche le fibre più interne. Vantaggiosamente, la sorgente di energia è configurata per sottoporre la quantità in polvere ad una quantità di energia tale da portare detta quantità di polvere ad una temperatura di fusione o maggiore di 0,7Tg, essendo Tg la temperatura di transizione vetrosa del materiale in polvere, in modo da inglobare almeno parzialmente l’elemento filiforme continuo.
Convenientemente, l’unità di accoppiamento è configurata per far associare per spruzzatura la quantità di polvere all’elemento filiforme continuo.
Preferibilmente, l’unità di accoppiamento è configurata per far associare per dispersione la quantità di polvere all’elemento filiforme continuo.
Vantaggiosamente, l’apparecchiatura comprende un organo di taglio.
Convenientemente, la sorgente di energia essendo alloggiata almeno parzialmente internamente alla testa di alimentazione.
Secondo un altro aspetto la presente invenzione concerne un metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue, comprendente le fasi di:
-alimentare almeno un elemento filiforme comprendente almeno una fibra continua ad una testa di alimentazione;
-associare una determinata quantità di polvere di materiale per una matrice per materiali compositi a detto elemento filiforme in modo da trasformare detto elemento filiforme in un elemento filiforme preimpregnato;
-sottoporre l’elemento filiforme preimpregnato ad una quantità di energia termica tale da indurre un cambio di fase dallo stato solido allo stato liquido dell’elemento filiforme preimpregnato;
- deporre l’elemento filiforme su una superficie di supporto e contestualmente indurre un cambio di fase dallo stato liquido allo stato solido.
Preferibilmente, la polvere di materiale idoneo a realizzare una matrice per materiali compositi è scelta tra materiali termoplastici o materiali termoindurenti. Convenientemente, il metodo presenta, inoltre, le fasi di:
-creare un modello tridimensionale dell’oggetto da stampare;
-generare i percorsi di deposizione della testa di alimentazione;
-far seguire alla testa di alimentazione i percorsi generati erogando l’elemento filiforme continuo su una superficie di supporto.
Vantaggiosamente, le fasi di alimentare e deporre sono implementate esercitando una forza di trazione sull’elemento filiforme contino, mediante movimento relativo tra una rispettiva testa di alimentazione e una superficie di appoggio o detto oggetto tridimensionale da stampare.
Convenientemente, il metodo comprende inoltre le fasi di:
distribuire almeno un’estremità dell’elemento filiforme continuo o di un suo derivato su una rispettiva superficie di supporto; indurre almeno un cambio di stato (solido/liquido, solido/liquido/solido) fondendo o polimerizzando l’elemento filiforme continuo o un suo derivato sulla superficie di supporto in modo da definire un punto di ancoraggio per ancorare i l’elemento filiforme continuo o un suo derivato su detta superficie; spostare la testa di alimentazione rispetto al punto di ancoraggio secondo un percorso prestabilito che definisce l'oggetto da stampare; e fondere e raffreddare repentinamente e/o polimerizzare l’elemento filiforme preimpregnato durante la fase di spostamento della testa di alimentazione in modo da stabilizzare il materiale composito in uno stato solido. Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di alcune forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, di una apparecchiatura e di un metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione.
Breve descrizione dei disegni
Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a scopo solo indicativo e pertanto non limitativo nei quali:
-la figura 1 mostra una vista schematica laterale di una prima forma di realizzazione dell’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione;
-la figura 2 mostra una vista schematica laterale di una seconda forma di realizzazione dell’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione, in cui la sorgente di energia è esterna e a valle della testa di alimentazione;
-la figura 3 mostra una vista schematica laterale di una terza forma di realizzazione dell’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione, in cui l’elemento filiforme preimpregnato è realizzato a monte della testa di alimentazione e stoccato su una bobina;
-la figura 4 mostra una vista schematica laterale di una quarta forma di realizzazione dell’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione, in cui l’unità di accoppiamento e la sorgente di energia sono esterne e a valle della testa di alimentazione;
-la figura 5 mostra una vista schematica laterale di una quinta forma di realizzazione dell’apparecchiatura per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione, in cui la sorgente di energia è esterna e a valle della testa di alimentazione; e
-la figura 6 mostra una vista schematica in prospettiva di una macchina a controllo numerico rappresentata da un braccio motorizzato che supporta una testa di alimentazione dell’elemento filiforme durante lo stampaggio di almeno una porzione di un componente in composito.
Descrizione dettagliata di forme realizzative dell’invenzione
Con riferimento alle figure, una apparecchiatura per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue è indicata nella sua interezza dal riferimento numero 100. In particolare, l’apparecchiatura 100 è adatta alla stampa di un materiale composito 2 costituito da almeno due elementi, in particolare almeno una fibra continua (o fibra lunga), che ha il compito di sostenere i riempitivi; ed una matrice, che mantiene unita detta almeno una fibra, proteggendola dall'ambiente esterno.
Generalmente sono presenti più fibre continue o lunghe unite assieme a formare un elemento filiforme continuo 4.
Nel materiale composito formato possono, inoltre, essere presenti altri additivi e rinforzi. Facendo riferimento alla figura 1, un numero di fibre, opportunamente unite insieme in una fase di realizzazione del materiale composito 4’’ filiforme, può essere elaborato in modo da costituire un corpo unico. Le fibre possono anche essere costituite da diversi materiali, tra cui ad esempio fibra di vetro, fibra di carbonio, fibra di kevlar, fibra di basalto, fibre naturali, ecc. Le fibre, che devono essere alimentate in modo continuo, vengono preferibilmente raccolte a formare un elemento filiforme continuo 4.
Per quanto concerne la matrice viene utilizzata una resina allo stato solido in polvere.
La resina può essere una resina termoindurente ad esempio una resina epossidica, acrilica, poliestere ecc..
Alternativamente, la resina può essere una resina termoplastica quale ad esempio peek, nylon, polietilene.
L’apparecchiatura 100 comprende una testa di alimentazione 1 di un elemento filiforme continuo 4 comprendente almeno una fibra continua (o fibra lunga), un gruppo di movimentazione relativa tra la testa di alimentazione 1 e l’oggetto tridimensionale 20 da stampare, in modo da esercitare una trazione dell’elemento filiforme continuo 4, una unità di accoppiamento 2 di una quantità di polvere 5 all’elemento filiforme 4 continuo, in modo da formare un elemento filiforme preimpregnato 4’, una sorgente di energia 6 configurata per indurre un cambio di fase dallo stato solido allo stato liquido almeno della quantità di polvere 5 accoppiata all’elemento filiforme continuo 4, in modo da inglobarlo per realizzare un materiale composito 4’’ filiforme.
Nel contesto della presente descrizione per elemento filiforme preimpregnato 4’ viene inteso un elemento filiforme 4 dopo che su di esso si sia depositata una determinata quantità di polvere di resina, di materiale termoplastico o termoindurente, ma prima che su questo sia avvenuta la polimerizzazione atta a trasformarlo in un materiale composito filiforme 4’’.
La testa di alimentazione 1 è vantaggiosamente supportata da un gruppo di movimentazione per la movimentazione relativa tra la stessa testa di alimentazione 1 e l'oggetto tridimensionale 20 da stampare.
Durante l'alimentazione dell’elemento filiforme continuo 4, il gruppo di movimentazione esercita una forza di trazione sull’elemento filiforme 4 o su un suo derivato e quindi anche sulle fibre continue in esso contenute.
Per “derivato” dell’elemento filiforme continuo viene inteso il prodotto di uno stadio di lavorazione successivo dell’elemento filiforme continuo, ad esempio l’elemento filiforme preimpregnato o il materiale composito filiforme.
In altre parole, il movimento relativo tra la testa di alimentazione 1 e l'oggetto 20 determina un'azione di trazione sul materiale durante la rispettiva deposizione. Di conseguenza, questa forza di trazione viene anche trasferita alle fibre continue.
Si noti che questa forza di trazione provoca l'alimentazione dello stesso elemento filiforme 4 all'interno della testa di alimentazione 1.
Di conseguenza, maggiore è la velocità relativa, più veloce è l'avanzamento dell’elemento filiforme 4 (e quindi più breve è il tempo in cui l’elemento filiforme continuo 4 rimarrà nella testa di alimentazione 1).
In ulteriore dettaglio, i mezzi di movimento comprendono almeno una macchina con movimento a controllo numerico su almeno tre assi.
Secondo una prima forma di realizzazione non mostrata nelle figure, la macchina a controllo numerico comprende un braccio motorizzato 23 per supportare la testa di alimentazione 1 sopra menzionata in corrispondenza di una rispettiva porzione di estremità.
Il braccio motorizzato 23, che non è descritto o illustrato in dettaglio in quanto di tipo noto, è atto a muovere la testa nei tre assi spaziali, orientando la testa di alimentazione secondo qualsiasi posizione rispetto all'oggetto 20 e con rispetto ad una superficie di supporto 22 su cui l'oggetto 20 è posizionato nel processo di stampa.
Si noti che la superficie di supporto 22, che è disposta sotto la testa di alimentazione 1, può, a sua volta, essere mobile in avvicinamento/allontanamento dalla testa di alimentazione 1.
L’unità di accoppiamento 2 è un dispositivo in grado di erogare una determinata quantità di polvere di resina e farla aderire all’elemento filiforme 4.
La quantità di polvera erogata è in rapporto dal 30% al 70% in volume rispetto alla fibra dell’elemento filiforme stesso 4.
Unità di accoppiamento 2 adatte allo scopo possono essere rappresentate da organi spuzzanti in grado di spruzzare la polvere di resina sull’elemento filiforme 4 o da organi che contengono dispersi in un liquido, attraverso cui passa l’elemento filiforme 4, una quantità di polvere di resina.
La sorgente di energia 6 è posizionata a valle dell’unità di accoppiamento 2. Secondo una prima forma di realizzazione, mostrata in figura 1 la sorgente di energia 6 può essere costituita da una sorgente di emissione di calore prevista per riscaldare l’elemento filiforme preimpregnato 4’ a valle dell’unità di accoppiamento 2, questo in particolare nel caso si usi quale polvere per la matrice una polvere di resina termo-attivabile.
Le sorgenti di energia 6 di questo tipo sono generalmente basate sulla fornitura di un flusso di aria calda o di una sorgente laser.
Alternativamente, la sorgente di energia 6 può essere un emettitore di radiazioni. In questo caso, la sorgente di energia 6 può ad esempio essere costituito da almeno un LED o un emettitore IR, o un emettitore laser, o qualsiasi altra sorgente di radiazione ed è posizionata nella testa di alimentazione 1 direttamente a valle dell’unità di accoppiamento 2 e a monte dell’ugello di erogazione 8 dell’elemento filiforme 3 o di un suo derivato.
Nella forma di realizzazione mostrata in figura 1 a valle della sorgente di energia 6, ma a monte dell’ugello di erogazione 8 è presente un organo di taglio 7 che può essere rappresentato da almeno una lama mobile 7’ in avvicinamento/allontanamento reciproco per tagliare il materiale composito filiforme 4’’.
Secondo questa forma di realizzazione, l’organo di taglio 7 agisce sul materiale composito filiforme 4’’ dopo la sua applicazione sulla superficie di appoggio 22. Nella figura 2 è mostrata una forma di realizzazione alternativa dell’apparecchiatura 100 per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione del tutto simile alla forma realizzativa di figura 1 ad eccezione del fatto che la sorgente di energia 6 è posizionata a valle dell’unità di accoppiamento 2 e dell’organo di taglio 7.
In particolare, la sorgente di energia 6 è posizionata anche a valle dell’ugello di erogazione 8 in modo da polimerizzare l’elemento filiforme preimpregnato 4’ dopo la deposizione sulla superficie di appoggio 22.
Nella figura 5 è mostrata una forma di realizzazione alternativa dell’apparecchiatura 100 per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione del tutto simile alla forma realizzativa di figura 2, in questo caso l’unità di accoppiamento 2 è sempre disposta all’interno della testa di alimentazione 1, ma è realizzata da un bagno contenete dispersa una determinata quantità di polvere 5 di materiale idoneo a realizzare una matrice per materiale composito.
In figura 4 è mostrata una forma di realizzazione alternativa dell’apparecchiatura 100 per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione, in cui sia l’unità di accoppiamento 2 che la sorgente di energia 6 per polimerizzare l’elemento filiforme preimpregnato 4’ sono disposti esternamente e a valle della testa di alimentazione 1.
In figura 3 è mostrata una forma di realizzazione alternativa dell’apparecchiatura 100 per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la presente invenzione, in cui l’elemento filiforme preimpregnato 4’ è realizzato a monte della testa di alimentazione 1 e stoccato su una bobina di stoccaggio 14. In particolare, in questo caso l’apparecchiatura 100 comprende una stazione di preparazione 17 dell’elemento filiforme preimpregnato 4’ disposta a monte della testa di alimentazione 1.
Nella stazione di preparazione 17 l’elemento filiforme 4, svolto da una apposita bobina 13, attraverso un percorso guidato da coppie di rulli 15,16, viene portato da prima in corrispondenza dell’unità di accoppiamento 2 e successivamente in corrispondenza di una sorgente di energia 6’ dove gli viene somministrata una determinata quantità di energia.
La quantità di energia applicata all’elemento preimpregnato 4’ non lo polimerizza, ma serve a far meglio aggrappare la polvere di resina all’elemento filiforme continuo 4.
La stazione di preparazione 17 comprende a valle delle coppie di rulli 15,16 una bobina di stoccaggio 14.
Dalla bobina di stoccaggio 14 l’elemento filiforme preimpregnato 4’ viene inviato alla testa di alimentazione 1 per essere deposto sulla superficie di appoggio 22.
A valle della testa di alimentazione 1 è posta una seconda sorgente di energia 6 configurata per erogare al materiale composito filiforme 4’’ una determinata quantità di energia, preferibilmente termica atta a polimerizzarlo e a trasformarlo quindi in materiale composito 4’’ filiforme.
In tutte le forme di realizzazione delle figure da 1 a 5, la testa di alimentazione 1 è vantaggiosamente supportata da rispettivi mezzi per la movimentazione relativa tra la stessa testa di alimentazione 1 e l'oggetto tridimensionale 20 da stampare. Durante l'alimentazione dell’elemento filiforme 4 alla testa di alimentazione 1, il mezzo di movimento esercita una forza di trazione sull’elemento filiforme 4 e quindi anche sulla fibra continua 3 in esso contenuta.
In altre parole, il movimento relativo tra la testa di alimentazione 1 e l'oggetto da stampare 20 determina un'azione di trazione sul materiale composito filiforme 4’’ durante la rispettiva deposizione.
Di conseguenza, questa forza di trazione viene anche trasferita alle fibre.
Si noti che questa forza di trazione provoca l'alimentazione dello stesso elemento filiforme 4 all'interno della testa di alimentazione.
In ulteriore dettaglio, i mezzi di movimento 18 comprendono almeno una macchina con movimento a controllo numerico su almeno tre assi.
Secondo una prima forma di realizzazione non mostrata nelle figure, la macchina a controllo numerico comprende un braccio motorizzato per supportare la testa di alimentazione 1 sopra menzionata in corrispondenza di una rispettiva porzione di estremità.
Il braccio motorizzato 23, che non è descritto o illustrato in dettaglio in quanto di tipo noto, è atto a muovere la testa nei tre assi spaziali, orientando la testa di alimentazione secondo qualsiasi posizione rispetto all'oggetto 10 e con rispetto ad una superficie di supporto 22 su cui l'oggetto 10 è posizionato nel processo di stampa.
Si noti che la superficie di supporto 22, che è disposta sotto la testa di alimentazione 1, può, a sua volta, essere mobile in avvicinamento/allontanamento dalla testa di alimentazione 1.
La presente invenzione riguarda anche un metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue che comprende le fasi di:
-alimentare almeno un elemento filiforme 4 comprendente almeno una fibra continua ad una testa di alimentazione 1;
-associare una determinata quantità di polvere di materiale per una matrice per materiali compositi a detto elemento filiforme in modo da trasformare detto elemento filiforme in un elemento filiforme preimpregnato;
-sottoporre l’elemento filiforme preimpregnato ad una quantità di energia termica tale da indurre un cambio di fase dallo stato solido allo stato liquido dell’elemento filiforme preimpregnato 4’; e
- deporre l’elemento filiforme su una superficie di supporto 22.
- indurre il cambio di stato da liquido a solido mediante abbassamento repentino della temperatura rispetto alla Tg del materiale o curing.
Generalmente, la quantità di energia termica tale da indurre un cambio di fase dallo stato solido allo stato liquido dell’elemento filiforme preimpregnato 4’ è una quantità di energia termica tale da portare l’elemento preimpregnato 4’ o il polimero in polvere su di esso disposto ad una temperatura di fusione o maggiore di 0,7Tg, essendo Tg la temperatura di transizione vetrosa della polvere.
Questo processo di alimentazione e deposizione viene attuato esercitando una forza di trascinamento sull’elemento filiforme 4 realizzato mediante movimento relativo tra la testa di alimentazione 1 e l'oggetto tridimensionale 20 da stampare. In altre parole, spostando la testa di alimentazione 1 mediante l'azione della macchina a controllo numerico, l’elemento filiforme 4 viene depositato gradualmente in modo da formare l'oggetto tridimensionale 20 che viene disegnato con conseguente alimentazione dell’elemento filiforme 4 e delle fibre continue in esso contenute.
Più in dettaglio, per attuare il processo di stampa, l’elemento filiforme continuo 4 o un suo derivato che esce dall’ugello di alimentazione 8 viene inizialmente distribuito sulla rispettiva superficie di supporto 22.
A questo punto, l’elemento filiforme continuo 4 o un suo derivato viene fuso e raffreddato repentinamente o polimerizzato dalla sorgente di energia 6 sulla superficie di supporto 22 in modo da definire un punto di ancoraggio 26 per ancorare l’elemento di supporto al materiale composito 4’’.
In altre parole, all'inizio del processo di deposito dell’elemento filiforme 4 o di un suo derivato come vedremo nel seguito, una parte dell’elemento filiforme 4 è già proiettata fuori dall'ugello 8 della testa di alimentazione 1.
Quando l’apparecchiatura inizia il processo di stampa, viene ancorata l’estremità dell’elemento di supporto 4 o di un suo derivato, alla superficie di supporto 22. La trasformazione dell’elemento filiforme 4 in materiale composito può avvenire in diversi punti tra la testa di alimentazione 1 e la superficie di supporto 22 in funzione del tipo di apparecchiatura usata.
In tutti i casi, la trasformazione avviene associando all’elemento filiforme 4 una quantità di materiale (resina), idoneo a realizzare una matrice per materiale composito, sotto forma di polvere.
La polvere è scelta tra materiali termoplastici o materiali termoindurenti.
Tipi di materiali termoplastici adatti allo scopo possono essere Peek, Nylon, Polietilene.
Tipi di materiali termoindurenti adatti allo scopo possono essere epossidica, poliestere, poliuretanica.
Generalmente, la fase di associazione avviene in corrispondenza della testa di alimentazione 1 ed in particolare al suo interno come mostrato nelle figure 1,2, 5. In particolare nelle figure 1 e 2 la fase di associazione avviene per spruzzatura, l’unità di associazione 2 spruzza quindi una determinata quantità di polvere di materiale idoneo a realizzare una matrice per materiale composito sull’elemento filiforme 4.
Nella figura 5 invece la fase di associazione o accoppiamento avviene per dispersione, tipicamente in questo caso all’interno della testa di alimentazione 1 l’elemento filiforme continuo 4 viene fatto passare per un bagno contenete la polvere dove quest’ultima per dispersione si aggrappa all’elemento filiforme continuo 4.
Al termine di questa fase, l’elemento filiforme 4 prende il nome di elemento filiforme preimpregnato 4’, non è ancora un materiale composito 4’’ in quanto non è avvenuta la polimerizzazione della polvere o in linea generale il materiale non si trova nella sua forma finale.
La polimerizzazione o la fusione avviene ad opera di una sorgente di energia 6 in grado di erogare sull’elemento filiforme preimpregnato 4’ una determinata quantità di energia, preferibilmente termica.
Questa fase avviene sempre a monte della fase di associazione precedentemente descritta, ma può avvenire internamente alla testa di alimentazione 1, come ad esempio mostrato in figura 1, oppure esternamente a quest’ultima, come ad esempio mostrato nelle figure 2-5.
In altri termini, in questi ultimi casi, mostrati appunto nelle figure 2-5, la sorgente di energia 6 è disposta esternamente alla testa di alimentazione 1 e sottopone l’elemento filiforme preimpregnato 4’ ad una determinata quantità di energia contestualmente o dopo che questo è deposto sulla superficie di appoggio 22.
Nella figura 4 non solo la polimerizzazione o la fusione, ma anche la fase di associazione avviene esternamente alla testa di alimentazione 1. In questo caso, infatti, anche l’unità di associazione 2 e non solo la sorgente di energia 6 è disposta esternamente alla testa di alimentazione 1, in particolare a valle di quest’ultima.
In questo caso, preferibilmente, la fase di associazione avviene per spruzzatura e l’elemento filiforme 4 viene spruzzato con una determinata quantità di polvere di un materiale idoneo a costituire la matrice per un materiale composito, dopo la sua deposizione sulla superficie di appoggio 22. In questo caso, quindi, anche la polimerizzazione avviene a valle della testa di alimentazione 1, quando l’elemento filiforme 4, ormai diventato elemento filiforme preimpregnato 4’ è deposto sulla superficie di appoggio 22.
In tutti i casi mostrati nelle figure, all’inizio del processo di stampa un’estremità dell’elemento filiforme 4’ fuoriuscendo dalla testa di alimentazione viene vincolata alla superficie di stampa 22 in un punto di ancoraggio, ad esempio attraverso polimerizzazione o repentino abbassamento della temperatura dell’elemento filiforme allo stato fuso.
Il punto di ancoraggio 26 così formato consente all’elemento filiforme 4 o ad un suo derivato di disporsi sulla superficie di stampa 22 secondo un preciso percorso e di disegnare, mentre la macchina a controllo numerico 19 si muove, l’oggetto da stampare 20.
La testa di alimentazione 1 viene così spostata dalla macchina 1 a controllo numerico secondo un percorso predeterminato che definisce l'oggetto 20 da stampare.
Questo percorso è determinato da un software di gestione adatto che non è descritto nella presente descrizione in quanto non rientra nell'ambito dell'invenzione.
Alla fine del processo di stampa, o comunque quando l'alimentazione continua dell’elemento filiforme 4 deve essere interrotta, l’elemento filiforme o un suo derivato viene tagliato dalle lame 7’.
In figura 3 è mostrata in modo schematico una forma di realizzazione alternativa del metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibra continua secondo la presente invenzione.
In particolare in questo caso, la fase di associazione e la fase di impregnazione avvengono a monte della testa di alimentazione 1 e generalmente in un momento sfalsato temporalmente rispetto alla stampa.
In altri termini, in una apposita stazione 17, l’elemento filiforme 4 viene svolto da una apposita bobina 13, attraverso un percorso guidato da coppie di rulli 15,16 e viene quindi portato prima in corrispondenza dell’unità di associazione 2, dove preferibilmente per spruzzatura viene deposta su di esso una determinata quantità di polvere di un materiale idoneo a costituire la matrice per un materiale composito e successivamente in corrispondenza di una sorgente di energia 6’ dove gli viene somministrata una determinata quantità di energia.
La quantità di energia somministrata attraverso la sorgente di energia 6’ serve a fare meglio aderire la polvere polimerica all’elemento filiforme continuo 4 che a questo punto è diventato elemento filiforme preimpreganto 4’.
A questo punto trasformato quindi in un elemento filiforme preimpregnato 4’, l’elemento filiforme 4 viene avvolto su una bobina di stoccaggio 14.
Dalla bobina di stoccaggio 14 l’elemento filiforme preimpregnato 4’, quando richiesto, viene inviato alla testa di alimentazione 1 per essere deposto sulla superficie di appoggio 22, grazie al braccio robotizzato.
Per far aderire il materiale composito alla superficie di ancoraggio 22 e successivamente trasformare definitivamente l’elemento filiforme preimpregnato 4’ in materiale composito filiforme 4’’, lo stesso viene nuovamente sottoposto ad opera di una seconda sorgente di energia 6 ad una determinata quantità di energia, preferibilmente termica in grado di indurre un cambio di fase dallo stato solido allo stato liquido dell’elemento filiforme preimpregnato 4’.
Vantaggiosamente, il metodo nelle sue varie forme di realizzazione sopra descritto consente di realizzare manufatti senza necessariamente eseguire una “divisione” lineare convenzionale, vale a dire la divisione dell'oggetto da stampare in strati in modo parallelo al piano di stampa.
Il materiale 2 che viene gradualmente alimentato dalla testa 8 viene polimerizzato o fuso e raffreddato e fatto aderire agli altri strati già depositati (in virtù delle caratteristiche adesive della resina, consentendo così l'azione di disegno continuo che influenza le fibre contenute.
Inoltre, con il metodo sopra descritto il processo non è più vincolato al tipo di materiale che si vuole usare per la matrice, in altri termini possono essere usati sia materiali termoplastici che termoindurenti che sono associati sotto forma di polvere all’elemento filiforme continuo 3.
Diverse modifiche possono essere apportate alle forme realizzative descritte nel dettaglio, rimanendo comunque nell’ambito di protezione dell’invenzione, definito dalle rivendicazioni seguenti.
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura (100) per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue, comprendente: -una testa di alimentazione (1) di almeno un elemento filiforme di fibre continue (4) comprendente almeno una fibra; -un gruppo di movimentazione relativa tra la testa di alimentazione (1) e l’oggetto tridimensionale da stampare (20) in modo da esercitare una trazione dell’elemento filiforme continuo (4); -una unità di accoppiamento (2) di una quantità di polvere di materiale per una matrice di materiale composito su detto elemento filiforme (4); detta unità di accoppiamento (2) essendo configurata per depositare una determinata quantità di polvere sull’elemento filiforme (4) continuo in modo da formare un elemento filiforme preimpregnato (4’); -una sorgente di energia (6) configurata per indurre un cambio di fase dallo stato solido allo stato liquido dell’elemento filiforme preimpregnato (4’); detta sorgente di energia (6) essendo posizionata a valle di detta unità di accoppiamento (2).
- 2. Apparecchiatura (100) per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta unità di accoppiamento (2) è alloggiata almeno parzialmente internamente alla testa di alimentazione (1) in modo che l’accoppiamento tra la determinata quantità di polvere e detto elemento filiforme continuo (4) avvenga internamente alla testa di alimentazione (1).
- 3. Apparecchiatura (100) per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue, secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta sorgente di energia (6) è configurata per sottoporre detta quantità di polvere ad un quantità di energia tale da portare detta quantità di polvere ad una temperatura di fusione o maggiore di 0,7Tg, essendo Tg la temperatura di transizione vetrosa del materiale in polvere, in modo da inglobare almeno parzialmente l’elemento filiforme continuo (4).
- 4. Apparecchiatura (100) per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta unità di accoppiamento (2) è configurata per associare per spruzzatura detta quantità di polvere a detto elemento filiforme continuo (4).
- 5. Apparecchiatura (100) per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta unità di accoppiamento (2) è configurata per far associare per dispersione la detta quantità di polvere a detto elemento filiforme continuo (4).
- 6. Apparecchiatura (100) per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibra continua, secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che l’unità di accoppiamento (2) è alloggiata in una stazione dedicata posta a monte della testa di alimentazione (1) in modo che l’accoppiamento tra detta determinata quantità di polvere e detto elemento filiforme continuo (4) avvenga in un tempo tale da consentire alla detta quantità di polvere di depositarsi sull’elemento filiforme in modo da interessare anche le fibre più interne
- 7. Apparecchiatura (100) per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibra continua, secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta sorgente di energia (6) è alloggiata almeno parzialmente internamente alla testa di alimentazione (1)
- 8. Metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibra continua, comprendente le fasi di: -alimentare almeno un elemento filiforme continuo (4) comprendente almeno una fibra continua ad una testa di alimentazione (1); -associare una determinata quantità di polvere di materiale per una matrice per materiali compositi a detto elemento filiforme continuo (4) in modo da trasformare detto elemento filiforme contino (4) in un elemento filiforme preimpregnato (4’); -sottoporre detto elemento filiforme preimpregnato (4’) ad una quantità di energia termica tale da indurre un cambio di fase dallo stato solido allo stato liquido dell’elemento filiforme preimpregnato (4’); - deposizione del detto elemento filiforme su una superficie di supporto (22) e induzione di un cambio di fase dallo stato liquido allo stato solido.
- 9. Metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la polvere di detta quantità di polvere di materiale per una matrice per materiali compositi è scelta tra materiali termoplastici o materiali termoindurenti.
- 10. Metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue, secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di presentare le fasi di: -creare un modello tridimensionale dell’oggetto da stampare; -generare i percorsi di deposizione di una testa di alimentazione (1); -far seguire alla testa di alimentazione (1) i percorsi generati erogando l’elemento filiforme continuo (4) su una superficie di supporto (22).
- 11. Metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibra continua, secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che dette fasi di alimentare e deporre sono implementate esercitando una forza di trazione sull’elemento filiforme continuo (4) mediante movimento relativo tra una rispettiva testa di alimentazione (1) e una superficie di appoggio (22) o detto oggetto tridimensionale (20).
- 12. Metodo per la stampa tridimensionale di materiali compositi a fibre continue, secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di presentare le fasi di: -distribuire almeno un’estremità dell’elemento filiforme continuo (4) o di un suo derivato su una rispettiva superficie di supporto (22); -indurre almeno un cambio di stato fondendo e raffreddando o polimerizzando l’elemento filiforme continuo (4) o un suo derivato sulla superficie di supporto (22) in modo da definire un punto di ancoraggio per ancorare detto elemento filiforme continuo (4) o un suo derivato su detta superficie (22); - spostare detta testa di alimentazione (1) rispetto al punto di ancoraggio secondo un percorso prestabilito che definisce l'oggetto da stampare; e -fondere e raffreddare repentinamente e/o polimerizzare l’elemento filiforme preimpregnato (4’) durante la fase di spostamento della testa di alimentazione (1) in modo da stabilizzare il materiale composito (4’’) in uno stato solido.
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