ITUA20163798A1 - Macchina stereolitografica con sistema antiaderente gel - Google Patents

Description

Macchina stereolitografica con sistema antiaderente gel.

La presente invenzione riguarda metodi ed apparecchi per la fabbricazione di oggetti tridimensionali solidi, semi solidi ed elastomerici da materiali inizialmente liquidi, attraverso una variazione di stato fisico di un composto chimico con la finalità di ottenere una geometria precedentemente descritta in modalità digitale.

Le tecniche convenzionali di fabbricazione additiva di oggetti tridimensionali, si basano sulla costruzione di un oggetto tridimensionale che viene eseguita in maniera graduale o layer-bylayer. In particolare, la formazione dello strato è eseguita mediante solidificazione di una sostanza liquida sensibile all'azione di una radiazione energetica in grado di causarne una reazione chimica che ne provochi il cambio di stato. Due tecniche sono note: una in cui si formano nuovi strati sulla superficie superiore dell'oggetto crescente; l'altra in cui nuovi strati sono ricavate in corrispondenza della superficie inferiore dell'oggetto crescente.

Se nuovi strati sono formati sulla superficie superiore dell'oggetto crescente, dopo ogni irraggiamento l'oggetto in costruzione si abbassa nella vasca della sostanza liquida, un nuovo strato di sostanza si riversa sulla parte superiore e una nuovo ciclo ha inizio. Un primo esempio di tale tecnica è data a C.Hull, brevetto US5236637. Uno svantaggio di tali tecniche dette "top down" è la necessità di immergere l'oggetto in una vasca (profonda almeno quanto l'altezza massima di costruzione degli oggetti) di sostanza liquida e ricostituire costantemente uno strato preciso di sostanza liquida sulla superficie della vasca.

Se nuovi strati sono formati nella parte inferiore dell'oggetto crescente, dopo ogni irradiazione dell'oggetto in costruzione, l'oggetto deve essere separato dal fondo della vasca contenente la sostanza liquida. Mentre tali tecniche dette "bottom up" hanno il potenziale di eliminare la necessità di una vasca profonda in cui l'oggetto è sommerso in quanto lavorano sollevando l'oggetto da una vasca relativamente poco profonda, un problema con tali tecniche di fabbricazione "bottom up”, è l'attenzione posta al distacco dell'oggetto tridimensionale dal fondo della vasca, infatti dopo la polimerizzazione di uno strato, si creano forze quali l'effetto ventosa ed interazioni fisiche e chimiche tra il fondo della vasca e la sostanza polimerizzata. Nelle macchine stereolitografiche che adottano il metodo “bottom up” l'oggetto tridimensionale da produrre viene realizzato su un piano di supporto posto parallelo al fondo della vasca, tale piano è motorizzato in direzione ortogonale rispetto al fondo del recipiente stesso.

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

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

Un emettitore atto a dirigere un fascio energetico, il cui scopo è di solidificare un singolo strato di sostanza liquida sensibile è posto sotto la vasca contenente la sostanza stessa.

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

Differenti metodi possono essere applicati per distaccare il layer polimerizzato dal fondo della vaschetta senza rovinare l'oggetto in costruzione, alcuni prevedono sistemi meccanici, come motorizzazioni della vasca per eseguire un movimento di “tilt”, altri prevedono sistemi chimico/fisici, quindi con un rivestimento delle pareti della vasca con materiali come PDMS (Polydimethylsiloxane ) o FEP (Fluorinated ethylene propylene) . In altri casi viene utilizzato un insieme dei due sistemi come ad esempio nel brevetto WO2014037826A1 in cui vengono applicati un sistema di movimentazione motorizzato della vasca ed un materiale di interfaccia posto sul fondo della stessa.

Tali approcci introducono un processo di distacco o agevolazione del distacco che complica il macchinario e rallenta la costruzione dell'oggetto tridimensionale.

Di conseguenza, vi è la necessità di metodi alternativi ed apparecchi per la fabbricazione tridimensionale che possono avere metodi di distacco più efficienti nei sistemi "bottom-up" per poterne migliorare ed accelerare il processo.

L'oggetto dell'invenzione comprende una macchina stereolitografica utilizzante un apposito gel, atto a creare una superficie di distacco nella fase di interferenza tra sostanza liquida sensibile e superficie di esposizione alla radiazione energetica polimerizzante, la composizione di tale gel e come questo viene applicato al fondo vasca.

Il gel distaccante sopracitato rappresentato in figura 4 è costituito da un materiale colloidale bi-fasico elastico, a sua volta costituito da un liquido (materiale B) disperso e inglobato nella fase solida o matrice (materiale A).

Il materiale A è costituito da una matrice organica o inorganica di natura termoplastica, termoindurente, fotopolimerizzante oppure a base solvente, in grado di reticolare e trattenere al suo interno il materiale B. Esempi non limitanti possono essere matrici proteiche, polimeriche, polisaccaridi, derivati della silice e argille.

Il materiale B è costituito da una fase liquida organica o inorganica, con e senza capacità di modificare la sua viscosità relativamente alla temperatura e con capacità antiaderenti nei confronti della sostanza liquida e/o polimerizzata. Esempi non limitanti possono essere silossani polimerizzati, dimetichone e fluorati liquidi o miscele di essi.

Il gel composto dal materiale A e B deve essere permeabile alla radiazione energetica polimerizzante la sostanza liquida sensibile.

Il gel composto dal materiale A e B può inoltre contenere in sospensione, soluzione o emulsione, materiali di origine sia terrestre che extraterrestre, in grado di correggere o modificare le proprietà chimico fisiche del gel ed il suo comportamento all'esposizione della radiazione energetica.

L'adesione del gel distaccante alle pareti interne della vasca contenente la sostanza liquida, può avvenire per interazioni fisico meccaniche o interazioni chimiche tra il gel e le pareti che compongono la vasca, oppure attraverso l'utilizzo di un promotore di adesione (materiale C), tra il materiale A componente il gel e le pareti della vasca. Il materiale C può essere totalmente permeabile, parzialmente permeabile oppure impermeabile alla radiazione polimerizzante.

Principali differenze con i principali sistemi di rivestimento utilizzati, 0min 5 max:

GEL PDMS FEP DURATA DELLA VASCA 4 2 5

FACILITA' DISTACCO PEZZO 5 4 3 OPACIZZAZIONE NEL 1 5 0

TEMPO STAMPA A VELOCITA' 5 0 0

ELEVATE FACILITA' DISTACCO PEZZI 5 3 0

GROSSI (superfici superiori ai

20cm2)

TRASPARENZA 5 5 4

RADIAZIONE POLIMERIZZANTE

Si può notare nella tabella comparativa come l'utilizzo di un gel contenente agenti distaccanti conferisca caratteristiche migliori alla macchina stereolitografica che lo impiega rispetto i sistemi di rivestimento comunemente utilizzati.

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

- La figura 1 mostra una vista assonometrica della macchina stereolitografica in oggetto; - La figura 2 mostra una vista assonometrica della vasca rivestita con il gel;

- La figura 3 mostra in dettaglio una sezione del recipiente di figura 2;

- La figura 4 mostra un dettaglio della composizione delle macrostrutture dei materiali A, B e C componenti il gel ed il promotore di adesione;

- La figura 5 mostra una sezione laterale della macchina stereolitografica della figura 1 con illustrate la sostanza liquida sensibile e l'oggetto tridimensionale in lavorazione;

La macchina stereolitografica indicata complessivamente in figura 1, comprende una piastra di appoggio 2 che supporta un recipiente 3 adatto a contenere una sostanza liquida di viscosità adatta al processo stereolitografico.

L'emettitore 4 posto sotto la piastra di appoggio 2 emette una radiazione energetica 5 verso il recipiente 3, in modo da ottenere una solidificazione selettiva della sostanza liquida in esso contenuta.

Preferibilmente ma non necessariamente, detta sostanza liquida è una resina fotosensibile adatta a polimerizzare quando eccitata da una specifica radiazione 5.

L'invenzione è particolarmente adatta per macchine stereolitografiche figura 1 dove lo strato di sostanza adiacente al fondo 3a del recipiente 3 viene sottoposta ad eccitazione. La resina fotosensibile 9 è rappresentata contenuta nella vasca 3 in figura 5.

Il fondo 3a del recipiente 3 è trasparente e permeabile alla radiazione energetica. La piastra di appoggio 2 è provvista di un'apertura passante 2a, rivolta verso il fondo 3a, attraverso la quale la radiazione energetica può raggiungere il fondo 3a e di conseguenza la resina fotosensibile. La figura 2 mostra una vista assonometrica della vasca 3 la cui sezione è descritta in figura 3. La figura 3 mostra una sezione della vasca 3, essa è costituita dal piano del recipiente 3a di spessore variabile in metacrilato trasparente, uno strato di spessore variabile di promotore di adesione 6, formato da una miscela tra un adesivo a base di trimetossivinilsilano e cloroformio, che ricopre una parte variabile del fondo della vasca 3a e della spalla della vasca 3b. In figura 3, si può vedere lo strato di gel antiaderente 7 formato da una matrice polimerica in polimetilsilossano ed una frazione liquida composta da una miscela costituita da dimethicone a 350cS e dimethicone a 500cS in quantità variabile. La miscela delle differenti componenti della frazione liquida, conferisce al gel antiaderente 7 la capacità di una risposta correlata tra temperatura e viscosità della fase liquida. Le reazioni di polimerizzazione della resina fotosensibile possono essere esotermiche, in questo caso si garantisce una diminuzione di viscosità della fase liquida solo nei punti di polimerizzazione, con un conseguente rilascio topico di distaccante sulla superficie del gel adiacente allo strato di resina irradiato. Questa caratteristica può aumentare la durata nel tempo delle capacità antiaderenti del gel ed aiuta a preservare la matrice solida dall'opacizzazione nel tempo. Lo strato di gel antiaderente 7 può avere spessore variabile. La macchina stereolitografica figura 1 comprende inoltre un piano di stampa 8 adatto a supportare l'oggetto tridimensionale in lavorazione 10 (figura 5). La macchina stereolitografica figura 1 comprende il telaio di supporto 1 adatto per lo spostamento del piano 8 secondo una direzione di movimento Z ortogonale alla piastra di appoggio 2.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Macchina stereolitografica caratterizzata da: -un piano di stampa (8); -mezzi emettitori (4) atti a dirigere una radiazione energetica (5) verso il recipiente (3); -un recipiente (3), con fondo trasparente (3a) permeabile alla radiazione energetica (5) adatto a contenere un liquido; -un recipiente (3), con l'interno rivestito con uno strato di gel; 2) Macchina stereolitografica come da rivendicazione 1, caratterizzata da un rivestimento della vasca (3) con un gel composto da una matrice solida che trattiene una fase liquida con azione antiaderente nei confronti di una sostanza in fase liquida o polimerizzata sensibile ad una radiazione; 3) Macchina stereolitografica come da rivendicazioni 1 e 2, dove il gel distaccante aderisce alla vasca attraverso un promotore di adesione;