IT202100013136A1 - Sistema multi laser per additive manufacturing - Google Patents
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Description
Descrizione dell?Invenzione Industriale avente per titolo:
?Sistema multi laser per additive manufacturing?
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un sistema multi laser per additive manufacturing, in accordo con il preambolo della rivendicazione 1. In particolare viene illustrato un sistema multi laser per additive manufacturing con tecnologia powder bed fusion o a letto di polvere.
L?additive manufacturing (AM) ? un insieme di processi di produzione additiva a partire da modelli digitali, in contrapposizione alle tradizionali tecniche sottrattive (lavorazioni per asportazione di truciolo, taglio e foratura); mediante un modello CAD 3D che viene suddiviso in strati o layer da un software integrato nel sistema di controllo della macchina, o da servizi on-line, si ottiene uno schema di strati o layer risultanti che saranno processati dalla macchina utensile per il processo di deposizione, o sinterizzazione, di diverse tipologie di materiali, in particolare metalli, plastiche o componenti compositi.
La caratteristica principale di tale tecnologia ? di essere un processo di produzione che consente di realizzare componenti con geometria molto vicina a quella del componente finale, come richiesto dal disegno di progetto. Nella famiglia dell?AM si possono identificare alcune tecnologie differenti, come ad esempio la fusione/sinterizzazione selettiva di un letto di polvere mediante fascio laser (Selective Laser Beam Melting ? SLBM oppure Selective Laser Beam Sintering ? SLBS o anche nota come Powder Bed Fusione o PBF), la deposizione di metallo mediante fascio laser (Laser Beam Metal Deposition ? LBMD) e la fusione selettiva mediante fascio elettronico (Selective Electron Beam Melting ? SEBM).
Nella tecnologia a letto di polvere o PBF, il fascio laser ? utilizzato come sorgente di calore ad alta densit? di potenza, necessaria per portare a fusione le polveri metalliche solamente in alcune zone o aree prestabilite, nelle quali si deve ottenere del materiale compatto per la costruzione del componente tridimensionale. Il vantaggio legato all?impiego di un fascio laser ? che esso pu? essere focalizzato su piccole dimensioni o spot, tipicamente dell?ordine dei 30 ?m di diametro, e quindi garantisce elevate densit? di potenza che portano ad una rapida fusione della polvere ed a un buon livello di precisione, in termini di finitura superficiale, del particolare da realizzare. Queste caratteristiche hanno consentito l?accesso al mercato industriale della tecnologia a letto di polvere, per la produzione di componenti in differenti settori, da quello aerospaziale a quello medicale, dall?automotive fino alla gioielleria. In particolare, rispetto alle tecnologie tradizionali di produzione, ? possibile raggiungere livelli di personalizzazione del componente molto elevati, data la grande flessibilit? della tecnologia a letto di polvere.
Durante il processo produttivo, tra la fusione di uno strato o layer e il successivo, vi ? un intervallo temporale che limita la produttivit? del sistema, in quanto occorre attendere che la racla o il recoater porti a termine la stesura di un nuovo letto di polvere, prima di cominciare la successiva lavorazione.
Il processo di lavorazione dipende principalmente dall?interazione radiazione-materia ovvero dalle propriet? di assorbimento dei materiali dell?energia della radiazione elettromagnetica e dalla temperatura del letto di polvere; in particolare, le propriet? di assorbimento di un materiale includono parametri quali la densit?, la conducibilit? termica, il calore specifico e l?emissivit?, e variano al variare della temperatura del materiale medesimo, che nella tecnologia di additive manifacturing a letto di polvere o powder bed fusion, determina il processo di lavorazione del materiale.
La scelta dei parametri di processo quali la potenza del laser, la velocit? di scansione del laser sul letto di polvere, la forma del fascio laser e il materiale utilizzato influenzano la qualit? strutturale e superficiale dei componenti prodotti e la produttivit? del sistema, che diventa determinante per l?utilizzo di questa tipologia di macchinari in ambito industriale specialmente in settori oggi ricoperti da fonderia e/o stampaggio a caldo e/o pressofusione grazie anche ai vantaggi quali una elevata risoluzione spaziale, un controllo di processo capillare e la capacit? di effettuare un pre processing del letto di polvere e un post processing del materiale appena fuso.
Il processo di fusione avviene mediante una o pi? sorgenti laser all?interno di una camera di lavoro tramite l?ausilio di una pluralit? di sistemi ottici e/o di scansione e in un ambiente con un?atmosfera di un gas inerte (ad esempio azoto, argon, etc..), all?interno del quale sono presenti alcuni dispositivi di movimentazione che consentono di controllare l?adduzione della polvere e quindi di garantire la realizzazione del componente, l?aspirazione di fumi derivanti dal processo di fusione selettiva e l?immissione di gas di supporto al processo produttivo.
Sono noti nella tecnica molteplici sistemi multi laser per additive manufacturing, come ad esempio il documento EP3083254 inerente ad un sistema costituito da un insieme di laser atti a scansionare l?area di lavoro per la produzione 3D di un oggetto, oppure il documento CN112248436 inerente ad un sistema con una pluralit? di laser nel quale il numero di scansioni effettuate sull?oggetto in costruzione ? ridotto per migliorare la qualit? della formatura, oppure il documento CN111842886 inerente ad un sistema per tecnologia a letto di polvere nel quale sono presenti molteplici sistemi di scansione del fascio laser e dei sistemi di soffiaggio e di aspirazione tra l?area di lavoro e i sistemi di trasmissione del fascio laser, oppure il documento CN209063559 che descrive un sistema con 4 galvanometri e comprende due ingressi di aspirazione dell'aria, due uscite d'aria e un sistema di filtraggio, nel quale i due ingressi di scarico sono rispettivamente posizionati nelle estremit? inferiori delle piastre laterali sinistra e destra della camera, e ancora il documento EP3050648 inerente ad un sistema di immissione e di aspirazione di gas sull?area di lavoro, con l'ugello di afflusso e l'ugello di uscita disposti in modo tale da creare un flusso di gas che passa almeno parzialmente al di sopra della zona di lavoro e di giunzione.
Lo svantaggio principale dell?arte nota riguarda sistemi nei quali i dispositivi con molteplici laser non sono in grado di operare autonomamente su un determinato settore del piano di lavoro o anche pur utilizzando una pluralit? di sorgenti laser, il numero di scansioni risulta essere ridotto a svantaggio della velocit? di produzione, e ancora, l?aspirazione dei fumi di processo e l?immissione dei gas di supporto non ? localizzata, ma limitata alle pareti delimitative della camera di lavoro o a strutture che possono introdurre vibrazioni non controllabili nel letto di polvere, oltre a non essere localizzata vicino alle lavorazioni eseguite nei strati o layer di polvere da o dai laser utilizzati, limite che introduce la formazione di difetti e/o inclusioni all?interno del materiale fuso e quindi nei componenti finali di piccole e/o grandi dimensioni. Inoltre, si tratta di dispositivi non facilmente scalabili per quanto riguarda le sorgenti laser, in particolare per quanto riguarda le lavorazioni localizzate degli strati o layer nel letto di polvere.
Scopo della presente invenzione ? quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore mediante un sistema multi laser per additive manufacturing (100), attraverso un sistema scalabile che permette l?utilizzo di molteplici sorgenti laser che generano fasci di radiazione elettromagnetica localizzati lungo i settori di lavorazione prestabiliti, in grado di operare autonomamente su ciascun settore di competenza garantendo un?alta qualit? dell?oggetto da realizzare unita ad un alto tasso produttivo. Altro scopo ? l?utilizzo di un sistema meccanico esente da possibili vibrazioni non controllabili nel letto di polvere mediante l?impiego di un sistema fisso sopra l?area di lavoro, che durante il passaggio della racla si sposta completamente lungo destra/sinistra rispetto all?era di lavoro: ci? fa si che gli strati o layer deposti nel piano di lavoro non subiscano variazioni e/o turbolenze rispetto alla stesura dei successivi strati o layer.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell?invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un sistema multi laser per additive manufacturing come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l?oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.
Risulter? immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalit? equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.
La presente invenzione verr? meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la FIG. 1 mostra il sistema multi laser per additive manufacturing (100), secondo la presente invenzione;
- la FIG. 2 mostra uno schema delle aree di sovrapposizione del sistema multi laser per additive manufacturing (100), secondo la presente invenzione.
- la FIG. 2 mostra una vista dall?alto delle traiettorie del laser nelle corrispondenti aree di lavoro del sistema multi laser per additive manufacturing (100), secondo la presente invenzione.
- la FIG. 4 mostra il sistema aspirazione e immissione gas (105), nella fase di traslazione in direzione (X+) secondo la presente invenzione;
- la FIG. 5 mostra il sistema aspirazione e immissione gas (105), nella fase di traslazione in direzione (X-), secondo la presente invenzione;
- la FIG. 6 mostra il sistema aspirazione e immissione gas (105) al di fuori del piano di lavoro, secondo la presente invenzione;
Il sistema multi laser (100) per additive manufacturing ? progettato per essere utilizzato all?interno di una camera di lavoro in un ambiente con un?atmosfera di un gas inerte (ad esempio azoto, argon, etc..) ed ? costituito da molteplici sorgenti laser e una pluralit? di sistemi ottici e/o di scansione necessari per generare e veicolare i fasci di radiazione elettromagnetica all?interno dei settori di lavorazione prestabiliti nei quali ? possibile rimuovere i fumi e/o inquinanti derivanti dal processo di fusione selettiva della polvere il pi? vicino possibile allo strato o layer fuso oltre che introdurre nella medesima camera i gas di processo necessari alla lavorazione di powder bed fusion o letto di polvere in maniera localizzata, detto sistema multi laser (100) essendo scalabile ed in grado di operare autonomamente su ciascun settore di competenza garantendo un?alta qualit? dell?oggetto da realizzare unita ad un alto tasso produttivo; esso ? costituito da una matrice di sistemi ottici indipendenti (103) progettati per veicolare i fasci di radiazione elettromagnetica (107) in un?area predeterminata di un piano di lavoro (101), detta matrice di sistemi ottici indipendenti (103) in grado di con sovrapporre in un range tra il 50% e il 100% detti fasci di radiazione elettromagnetica (107) in detta area predeterminata di un piano di lavoro (101), detta matrice di sistemi ottici indipendenti (103) essendo connessa alla superficie superiore di una macchina utensile e un piano di lavoro (101) progettato per alloggiare un letto di polvere (102), connesso operativamente ad un pistone (106), come si evince dalla figura 1.
Vantaggiosamente, come si evince dalla figura 1, detta matrice di sistemi ottici indipendenti (103) ? scalabile e componibile in molteplici moduli (111) di sistemi laser e di scansione ottica e/o galvanometrici, in particolare i moduli (111) possono essere costituiti da almeno 4 sistemi laser e di scansione ottica e/o galvanometrici e detti moduli (111) possono essere aumentati in funzione dei volumi di produzione, delle dimensioni dei pezzi da realizzare e della velocit? di processo a multipli di 4 unit?, in corrispondenza dell?area di lavoro necessaria ad attuare il processo di additive manufacturing.
Inoltre, detti moduli (111) di sistemi laser e di scansione ottica e/o galvanometrici sono in grado di operare autonomamente e di effettuare lavorazioni di additive manufacturing all?interno di ciascun settore di lavoro (112), e in particolare ciascuna sorgente laser emette un fascio di radiazione elettromagnetica (107) in grado di effettuare lavorazioni di additive manufacturing nella corrispondente aree (119) in ciascun settore di lavoro (112) con una sovrapposizione in un range tra il 50% e il 100%, e nelle corrispondenti aree (115), (116), (117) e (118) in ciascun settore di lavoro (112) con una sovrapposizione parziale nel range tra il 30% e il 50%, come si evince dalla figura 2.
Il sistema multi laser (100) per additive manufacturing ? provvisto di un sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) che delimita detti settori di lavoro (112) mediante un elemento centrale diffusivo (108), atto ad immettere il gas di processo in determinati settori (112) di lavorazione e due elementi laterali aspiranti (109), atti a rimuovere i fumi derivanti dal processo dai settori (112), detto elemento centrale diffusivo (108) e detti elementi laterali aspiranti (109) in grado di muoversi trasversalmente rispetto a detto piano di lavoro (101) e connessi operativamente a detto piano di lavoro (101), come si evince dalle figure 4,5 e 6.
In particolare, detto sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) ? in grado di garantire le massime prestazioni laminari dei flussi, al fine di produrre oggetti privi di stress residui, difetti interni e inclusioni nei layer o strati, quali ad esempio porosit? o interruzioni strutturali nell'area della superficie saldata, che contribuiscono a compromettere l?integrit? strutturale e le prestazioni del componente finale, attraverso un sistema di traslazione lungo l?asse X mediante l?ausilio di attuatori elettromeccanici, atto ad esporre i settori di lavoro (113) e (114) a detta radiazione elettromagnetica (107) del corrispondente modulo (111) e consentire il tal modo di ultimare le lavorazioni di additive manufacturing in detti settori di lavoro (113) e (114), detto sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) in grado di immettere localmente i gas necessari al processo in detto piano di lavoro (101), e di aspirare localmente i fumi di processo da detto piano di lavoro (101).
Il processo di traslazione pu? essere eseguito in azione combinata con una racla o recoater (104) posizionata in uno degli estremi del piano di lavoro (101) e dotata di sensori di prossimit? di tipo ottico o capacitivo necessari per controllare il movimento relativo tra detta racla (104) e detto sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105); tali movimenti sono gestiti da un?unit? di controllo (120) connessa operativamente alla macchina utensile.
Vantaggiosamente, il sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) ? progettato per traslare in direzione X verso la parte terminale dal piano di lavoro (101) e in direzione opposta a detta racla (104) per consentire il passaggio di detta racla (104) in detto piano di lavoro (101) e permettere a detta racla (101) la stesura della polvere, come si evince dalla figura 6.
Inoltre, detto sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) ? progettato per traslare in direzione X verso la parte terminale dal piano di lavoro (101) e in direzione opposta ad una racla (104) per consentire il passaggio di detta racla (104) in detto piano di lavoro (101) e permettere a detta racla (101) la stesura della polvere.
Il sistema multi laser (100) per additive manufacturing ? progettato per essere versatile in base alle necessit? produttive e prevede le seguenti fasi:
- direzionare la racla (104) lungo il piano di lavoro (101) in direzione X per la stesura del letto di polvere (102) oltre il bordo di detto piano di lavoro (101);
- posizionare il sistema di aspirazione ed immissione gas (105) sopra il letto di polvere (102) in detto piano di lavoro (101);
- predisporre l?accensione delle sorgenti laser e dei sistemi ottici indipendenti (103) o separatamente dei moduli (111) e direzionare i fasci laser (107) nei settori di lavoro (112) posti tra l?elemento centrale diffusivo (108) e i due elementi laterali aspiranti (109);
- traslare il sistema di aspirazione ed immissione gas (105) sopra il letto di polvere (102) lungo l?asse X per esporre i settori di lavoro (113) e (114) alla radiazione elettromagnetica (107) per applicazioni di additive manufacturing;
- traslare il sistema di aspirazione ed immissione gas (105) in direzione X verso la parte terminale di detto piano di lavoro (101) e in direzione opposta alla racla (104) e spostare il pistone (106) in direzione Z verso il basso;
- spegnere le sorgenti laser durante il passaggio della racla (104) per la stesura della polvere in detto piano di lavoro (101); - posizionare il sistema di aspirazione ed immissione gas (105) sopra detto piano di lavoro (101) e attivare le sorgenti laser.
Claims (10)
1. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing comprendente:
- una matrice di sistemi ottici indipendenti (103) progettati per veicolare i fasci di radiazione elettromagnetica (107) in un?area predeterminata di un piano di lavoro (101), detta matrice di sistemi ottici indipendenti (103) in grado di sovrapporre in un range tra il 50% e il 100% detti fasci di radiazione elettromagnetica (107) in detta area predeterminata di un piano di lavoro (101), detta matrice di sistemi ottici indipendenti (103) essendo connessa alla superficie superiore di una macchina utensile; ed
- un piano di lavoro (101), progettato per alloggiare un letto di polvere (102), connesso operativamente ad un pistone (106).
2. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta matrice di sistemi ottici indipendenti (103) ? scalabile e componibile in molteplici moduli (111) di sistemi laser e di scansione ottica e/o galvanometrici in corrispondenza dell?area di lavoro necessaria ad attuare il processo di additive manufacturing.
3. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti moduli (111) autonomi sono progettati con almeno 4 laser ciascuno dei quali emette un fascio di radiazione elettromagnetica (107) in grado di effettuare lavorazioni di additive manufacturing nella corrispondente aree (119) in ciascun settore di lavoro (112) con una sovrapposizione totale del in un range tra il 50% e il 100%.
4. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti moduli (111) autonomi sono progettati con almeno 4 laser ciascuno dei quali emette un fascio di radiazione elettromagnetica (107) in grado di effettuare lavorazioni di additive manufacturing nelle corrispondenti aree (115), (116), (117) e (118) in ciascun settore di lavoro (112) con una sovrapposizione parziale nel range tra il 30% e il 50%.
5. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti settori di lavoro (112) sono delimitati da un sistema (105) di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto necessario per rimuovere localmente i fumi di processo dall?area di lavoro e per immettere i gas di assistenza al processo, detto sistema (105) di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto connesso operativamente al piano di lavoro (101).
6. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) ? provvisto di un elemento centrale diffusivo (108), atto ad immettere il gas di processo in settori di lavoro (112) e due elementi laterali aspiranti (109), atti a rimuovere i fumi derivanti dal processo dai settori di lavoro (112), detto elemento centrali diffusivo (108) e detti elementi laterali aspiranti (109) connessi operativamente al piano di lavoro (101).
7. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) ? progettato per effettuare un movimento di traslazione lungo l?asse X necessario per esporre i settori di lavoro (113) e (114) ad una radiazione elettromagnetica (107) per applicazioni di additive manufacturing.
8. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) ? progettato per traslare in direzione X verso la parte terminale dal piano di lavoro (101) e in direzione opposta ad una racla (104) per consentire il passaggio di detta racla (104) in detto piano di lavoro (101) e permettere a detta racla (101) la stesura della polvere.
9. Sistema multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema di aspirazione dei fumi e di immissione dei gas di supporto (105) ? in grado di immettere localmente i gas necessari al processo in detto piano di lavoro (101), e di aspirare localmente i fumi di processo da detto piano di lavoro (101).
10. Metodo di additive manufacturing eseguito utilizzando il multi laser (100) per additive manufacturing secondo la rivendicazione 8, detto metodo comprendendo le fasi di:
- direzionare la racla (104) lungo il piano di lavoro (101) in direzione X per la stesura del letto di polvere (102) oltre il bordo di detto piano di lavoro (101); - posizionare il sistema di aspirazione ed immissione gas (105) sopra il letto di polvere (102) in detto piano di lavoro (101);
- predisporre l?accensione delle sorgenti laser e dei sistemi ottici indipendenti (103) o separatamente dei moduli (111) e direzionare i fasci laser (107) nei settori di lavoro (112) posti tra l?elemento centrale diffusivo (108) e i due elementi laterali aspiranti (109); - traslare il sistema di aspirazione ed immissione gas (105) sopra il letto di polvere (102) lungo l?asse X per esporre i settori di lavoro (113) e (114) alla radiazione elettromagnetica (107) per applicazioni di additive manufacturing; - traslare il sistema di aspirazione ed immissione gas (105) in direzione X verso la parte terminale di detto piano di lavoro (101) e in direzione opposta alla racla (104) e spostare il pistone (106) in direzione Z verso il basso;
- spegnere le sorgenti laser durante il passaggio della racla (104) per la stesura della polvere in detto piano di lavoro (101);
- posizionare il sistema di aspirazione ed immissione gas (105) sopra detto piano di lavoro (101) e attivare le sorgenti laser.
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