IT202100022199A1 - Metodo per la produzione di oggetti mediante stampa tridimensionale e sinterizzazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO: "Metodo per la produzione di oggetti mediante stampa tridimensionale e sinterizzazione"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda in generale la produzione additiva di oggetti tridimensionali (stampa 3D) partendo da materiali in forma di colloide.

Sono noti diversi processi per la fabbricazione di oggetti solidi completamente densi mediante stampa 3D ottenuta mediante deposizione di strati successivi di materiale in forma di sospensione colloidale. In genere tali processi, quali ad esempio il robocasting, richiedono una serie di trattamenti termici che hanno lo scopo di realizzare tre operazioni: 1) rimuovere per evaporazione il solvente residuo presente nel colloide; 2) eliminare il legante per decomposizione termica (debinding); 3) sinterizzare la polvere del materiale metallico o ceramico in modo da eliminare la porosit? residua, ottenendo cos? un oggetto completamente denso con caratteristiche meccaniche comparabili con quelle ottenibili mediante lavorazione tradizionale. In generale i trattamenti di debinding e sinterizzazione vengono condotti, senza applicare pressione sul campione, in un forno in aria o in atmosfera controllata in grado di raggiungere temperature superiori ad almeno ? della temperatura di fusione del materiale, per tempi nell?ordine di alcune decine di ore o di alcuni giorni.

Uno scopo della presente invenzione ? quello di rendere disponibile un metodo alternativo per realizzare oggetti tridimensionali a partire dalla deposizione di colloidi, che permetta di ridurre i tempi richiesti per la produzione di tali oggetti.

A fronte dello scopo suddetto, forma oggetto dell?invenzione un metodo per produrre un oggetto di forma complessa, comprendente

depositare una pila di strati bidimensionali l?uno sopra l?altro, in cui in ciascuno di detti strati bidimensionali un colloide comprendente almeno un primo materiale in polvere e un legante dispersi in un solvente viene depositato secondo un pattern prestabilito,

rimuovere per evaporazione il solvente presente nel colloide,

in uno stampo contenente la pila di strati bidimensionali, versare un secondo materiale in polvere in modo tale che la pila di strati bidimensionali sia sepolta in un letto di sinterizzazione formato dal secondo materiale, detto secondo materiale avendo caratteristiche meccaniche e caratteristiche di sinterizzazione differenti da detto almeno un primo materiale,

sottoporre a calore e pressione il letto di sinterizzazione per ottenere un prodotto sinterizzato costituito da detto almeno un primo materiale, e

rimuovere il secondo materiale in forma non compattata.

Grazie all?invenzione ? possibile fabbricare un oggetto tridimensionale in conformit? con i dati relativi a un modello digitale 3D o CAD, e al contempo ? possibile condurre i trattamenti termici in un apparato che consente di applicare una pressione pseudo-isostatica utilizzando una versione modificata della tecnica di sinterizzazione rapida denominata Spark Plasma Sintering (SPS) o Field Assisted Sintering (FAST), permettendo cos? di ridurre drasticamente i tempi di produzione richiesti.

L?intero processo pu? inoltre essere a bassissimo impatto ecologico, qualora si utilizzino solo acqua come solvente, e come legante additivi polimerici non tossici quali il Pluronic?, che trovano gi? largo impiego nell?industria farmaceutica e cosmetica a causa della loro bassissima tossicit?. La procedura pu? essere applicata con piccoli aggiustamenti ad un?ampia classe di materiali metallici, ceramici e compositi, senza che siano richieste modifiche nelle apparecchiature. Infine il procedimento secondo l?invenzione consente di evitare la dispersione e lo scarto di materiale, riducendo cos? i costi relativi alle materie prime e l?impatto ecologico complessivo della tecnica.

Caratteristiche e vantaggi del procedimento secondo l?invenzione diverranno pi? chiari con la seguente descrizione dettagliata, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a titolo puramente illustrativo e non limitativo, in cui:

- la figura 1 rappresenta schematicamente una prima fase del procedimento secondo l?invenzione, realizzata con un?apparecchiatura di stampa tridimensionale; e

- le figure 2A-2C e 3A-3C rappresentano schematicamente successive fasi del procedimento secondo l?invenzione.

Con riferimento alla figura 1, si descrive ora un?apparecchiatura di produzione additiva utilizzabile nel metodo secondo l?invenzione.

L?apparecchiatura comprende una piattaforma motorizzata 1 mobile lungo due direzioni orizzontali reciprocamente ortogonali, indicate con X e Y nelle figure. La piattaforma 1 ? controllata da un?unit? di controllo 5, tramite attuatori lineari 11a e 11b collegati all?unit? di controllo 5 e rispettivamente associati alle due direzioni di movimento X e Y. Il sistema di movimentazione pu? essere realizzato in varie forme e pertanto non ? da intendersi limitato alla configurazione qui descritta.

L?apparecchiatura comprende inoltre un sistema di estrusione comprendente un distributore 4 dotato di un ugello di estrusione 3, i quali sono vincolati a un supporto 6 mobile lungo una direzione verticale, indicata con Z in figura 1. Il distributore 4 con l?ugello 3 consente di estrudere un materiale sinterizzabile in forma di colloide, comprendente essenzialmente il materiale sinterizzabile in polvere e un legante dispersi in un solvente. Secondo una forma di realizzazione possono essere presenti pi? distributori per erogare il materiale sinterizzabile. In una forma di realizzazione pu? essere previsto che pi? distributori possano essere previsti per erogare pi? materiali sinterizzabili, nel caso in cui, ad esempio, l?oggetto da realizzare sia composto da pi? materiali.

Il distributore 4 viene mantenuto in posizione fissa durante tutta la fase di generazione di un singolo strato dell?oggetto.

Con riferimento alla figura 1, su un piano di deposizione 7 della piattaforma 1 vengono estrusi strati successivi del colloide comprendente il materiale sinterizzabile sulla superficie 8a. La produzione dell?oggetto 2 viene eseguita mediante la realizzazione di singoli strati bidimensionali in una sequenza specifica, impilando progressivamente uno strato sopra l'altro in una direzione definita dall?asse Z. L?erogazione del colloide viene eseguita mantenendo il distributore alla stessa altezza fino a quando il singolo strato non ? stato completato. Il supporto 6 con il distributore 4 viene progressivamente sollevato alla fine di ogni strato in modo da lasciare inalterata la distanza tra l?ugello di estrusione 3 e la superficie superiore dell?ultimo strato depositato dell?oggetto 2 da stampare.

Il sistema di estrusione ? gestito da una elettronica 12 che interagisce automaticamente con l?unit? di controllo 5 dell?apparecchiatura.

? pertanto possibile gestire l?intero processo di stampa mediante il software e l?hardware di una comune stampante 3D commerciale. Il sistema richiede solamente la configurazione del firmware tipica delle varie stampanti commerciali.

Dalla pila di strati bidimensionali che costituisce l?oggetto 2 da produrre, si rimuove per evaporazione il solvente presente nel colloide. A seconda del solvente utilizzato, tale evaporazione pu? avvenire gi? durante la deposizione degli strati bidimensionali e completarsi una volta depositato l?ultimo strato della pila 2. In alcuni casi tale evaporazione pu? essere completata nelle fasi successive del procedimento secondo l?invenzione. In ogni caso, al termine della fase di deposizione la pila 2 di strati bidimensionali deve presentare una certa coesione al fine di poter essere rimossa dalla piattaforma 1 senza sfaldarsi.

La pila 2 di strati bidimensionali con il solvente parzialmente o completamente evaporato viene quindi posizionata all?interno di uno stampo, come rappresentato in figura 2A. Tale stampo comprende un corpo di stampo 9 e un punzone di base 8. Il punzone di base 8 ? contenuto all?interno del corpo di stampo 9 in modo da essere scorrevole lungo un asse, ad esempio un asse verticale nella figura 2A e successive.

All?interno dello stampo 8, 9 viene versato un secondo materiale in polvere 13 (tramite un contenitore o sistema di alimentazione 15 adatto) in modo da riempire tutti gli spazi presenti fra la pila 2 di strati bidimensionali e le superfici interne dello stampo. In questo modo si realizza un letto di sinterizzazione 14, formato dal secondo materiale, all?interno del quale ? sepolta la pila 2 di strati bidimensionali formata dal materiale sinterizzabile, nel seguito primo materiale (figura 2B). Il secondo materiale presenta caratteristiche meccaniche e caratteristiche di sinterizzazione differenti da quelle del primo materiale. Ad esempio, il secondo materiale 13 pu? essere un materiale che non manifesta n? deformabilit? a freddo, n? sinterizzabilit? a medie temperature (< 1500?C).

Nella parte superiore dello stampo 8, 9 viene inserito un secondo punzone 8? (figura 2C) e l?intero stampo, composto dagli elementi 8, 9, 2, 14 e 8?, pu? cos? essere inserito in un?apparecchiatura di sinterizzazione (figure 3?-3C).

In particolare, lo stampo viene inserito in un sistema Spark Plasma Sintering (SPS) o Field Assisted Sintering (FAST), indicato con 17. Per essere utilizzato in un tale sistema, le parti dello stampo 8, 9, 8? in genere sono realizzate in grafite ad alta densit?. Il sistema 17 svolge tre funzioni: i) mantiene un?atmosfera controllata durante il processo di sinterizzazione, ii) applica una pressione uniassiale sullo stampo, iii) fornisce la potenza elettrica necessaria per ottenere il riscaldamento dello stampo.

Il sistema 17 comprende tre parti principali: 1) una camera da vuoto (non rappresentata) che consente di mantenere lo stampo e il letto di polveri in esso contenuto in un basso vuoto (pressione minima ad esempio circa 102 Pa), oppure in un?atmosfera inerte costituita da gas quali azoto o argon. L?utilizzo del vuoto o dell?atmosfera inerte ha lo scopo primario di evitare il contatto tra l?ossigeno presente nell?atmosfera e la grafite dello stampo utilizzato per la densificazione del campione. La camera da vuoto presenta due pistoni di compressione 17? posti assialmente e in grado di scorrere verticalmente, che hanno lo scopo di trasferire allo stampo la compressione uniassiale e la corrente elettrica necessarie per la realizzazione del processo. I pistoni 17? sono realizzati in materiale buon conduttore elettrico, ad esempio rame.

2) Un sistema idraulico (non illustrato) per l?applicazione e il controllo della compressione uniassiale. Il sistema idraulico permette di controllare i pistoni 17? per consentire l?applicazione di un carico controllato, che pu? essere mantenuto costante durante il corso del processo per compensare ogni eventuale variazione nelle dimensioni del campione e dello stampo che possono verificarsi durante il processo di densificazione.

3) Un sistema di alimentazione 17?? in grado di fornire e controllare la potenza elettrica necessaria per ottenere il riscaldamento dello stampo e del suo contenuto.

Nel sistema 17, lo stampo viene sottoposto ad un ciclo termico rapido in presenza di pressione uniassiale controllata (rappresentata dalle frecce P nelle figure 3A e 3B). In questa fase l?unico materiale a densificare sar? la frazione di polveri sinterizzabili presenti nello stampo, ovvero quella che costituisce la pila 2 di strati bidimensionali. Durante il ciclo termico suddetto si avr? inoltre l?evaporazione dell?eventuale solvente ancora presente nel colloide e la decomposizione termica del legante (debinding). La polvere che costituisce il letto di sinterizzazione 14 rester? invece inalterata e provveder? a trasferire la pressione uniassiale in modo quasi-isostatico alla frazione sinterizzabile. Il ciclo termico richiede tipicamente pochi minuti (5-10) ad una temperatura compresa tra 1/2 e 2/3 della temperatura di fusione del materiale da sinterizzare. Alla fine del ciclo termico il contenuto dello stampo viene rimosso, la frazione costituita dalle polveri refrattarie, che non risulter? compattata, verr? rimossa con strumenti opportuni rivelando cos? l?oggetto sinterizzato, indicato con 18 in figura 3C.

Claims (5)

RIVENDICAZIONI

1. Metodo per produrre un oggetto di forma tridimensionale, comprendente

depositare una pila di strati bidimensionali (2) l?uno sopra l?altro, in cui in ciascuno di detti strati bidimensionali un colloide comprendente almeno un primo materiale in polvere e un legante dispersi in un solvente viene depositato secondo un pattern prestabilito,

rimuovere per evaporazione il solvente presente nel colloide,

in uno stampo (8, 9) contenente la pila di strati bidimensionali (2), versare un secondo materiale in polvere (13) in modo tale che la pila di strati bidimensionali (2) sia sepolta in un letto di sinterizzazione (14) formato dal secondo materiale, detto secondo materiale avendo caratteristiche meccaniche e caratteristiche di sinterizzazione differenti da detto almeno un primo materiale, sottoporre a calore e pressione il letto di sinterizzazione (14) per ottenere un prodotto sinterizzato (18) costituito da detto almeno un primo materiale, e

rimuovere il secondo materiale in forma non compattata.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui sottoporre a calore e pressione il letto di sinterizzazione (14) comprende

applicare una compressione uniassiale sul letto di sinterizzazione (14) nello stampo (8, 9, 8?).

3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui sottoporre a calore e pressione il letto di sinterizzazione (14) comprende

riscaldare il letto di sinterizzazione (14) mediante applicazione di corrente elettrica attraverso lo stampo (8, 9, 8?).

4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un primo materiale ? sinterizzabile a temperature inferiori rispetto alle temperature di sinterizzazione del secondo materiale.

5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detto almeno un primo materiale ? un materiale deformabile a freddo e il secondo materiale ? un materiale sostanzialmente non deformabile a freddo.