ITUB20159240A1 - Apparecchiatura per additive manufacturing e procedimento di additive manufcturing - Google Patents

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Description

“APPARECCHIATURA PER ADDITIVE MANUFACTURING E PROCEDIMENTO DI AUDITIVE MANUFCTURING<'>
La presente invenzione riguarda un’apparecchiatura per additive manufacturing ed un procedimento per il suo utilizzo al fine di realizzare un processo di additive manufacturing.
Il termine additive manufacturing si riferisce ad un processo con il quale dati di progetto tridimensionali vengono usati per costruire un componente deponendo progressivamente vari strati di materiale. L’ additive manufacturing è una tecnica di produzione professionale chiaramente distinta da metodi convenzionali di rimozione di materiale: invece di produrre un semilavorato partendo da un blocco solido si costruiscono componenti strato-per-strato partendo da materiali che sono disponibili in forma di polvere sottile. E’ possibile utilizzare molte diverse tipologie di materiali, in particolare metalli, plastiche o componenti compositi.
Il processo inizia deponendo uno strato sottile di materiale in polvere in una piattaforma (letto) di costruzione. Viene quindi utilizzato un fascio laser che fonde la polvere esattamente in punti predefiniti in base di progetto del componente. La piattaforma viene poi abbassata e viene applicato un successivo strato di polvere, e il materiale viene nuovamente fuso in modo da legarsi allo strato sottostante nei punti predefiniti.
Nella figura 1 è mostrata un’apparecchiatura per additive manufacturing 1 secondo la tecnica nota.
Tale apparecchiatura comprende una sorgente laser, un’associata ottica per la trasmissione di un fascio e un’ottica scanner, complessivamente indicati con il riferimento 2, atti ad emettere un fascio laser 4 il quale viene indirizzato su un letto di polvere 6.
Il letto di polvere 6 è alimentato da un pistone dispenser di polvere 6 a il quale immette la polvere, in una zona di alimentazione 7, su una piattaforma 6b. Il pistone dispenser 6a si muove verticalmente verso l’alto lungo una direzione A man mano che la polvere viene utilizzata.
Una racla 8 si muove trasversalmente rispetto alla piattaforma 6b lungo una direzione B parallela al piano su cui giace il letto di polvere 6 spostando tal modo la polvere dalla zona di alimentazione 7 verso una zona di lavorazione 10 in cui il fascio laser 4 realizza progressivamente un lavorato 12 sinterizzando (laser melting) lo strato di polvere appena deposto dalla racla 8. Anche nella zona di lavorazione 10 è presente una piattaforma 6b’ su cui è deposta la polvere portata dalla racla 8 e un pistone di supporto 6 a’ il quale si abbassa verticalmente lungo una direziona C man mano che il lavorato 12 prende forma e aumenta di dimensione.
Nella zona di lavorazione 10 sono vantaggiosamente presenti, disposte trasversalmente rispetto al letto di polvere 6 e parallelamente al piano su cui giace un letto di polvere, una bocchetta di emissione e una bocchetta di aspirazione (non mostrate in figura) ad essa contrapposta, atte rispettivamente a produrre una lama di un gas predeterminato, ad esempio argon, e ad aspirarlo. Il gas viene utilizzato per ripulire la zona di lavorazione 10 dai vapori prodotti dalla sublimazione della polvere; tali vapori non devono infatti ri* condensare sul lavorato 12 perché altrimenti creerebbero dei difetti di lavorazione.
L’apparecchiatura di figura 1 è un sistema statico che non può crescere facilmente in dimensioni per realizzare pezzi grossi; all’ aumentare delle dimensioni del lavorato 12 dovrebbe aumentare conseguentemente la dimensione della bocchetta di emissione e della bocchetta di aspirazione, ma se viene emessa una lama di aria troppo estesa, l’aria produce delle turbolenze sulla superficie del letto di polvere 6 che non consentono una lavorazione ottimale poiché danneggiano l’uniformità e P omogeneità del letto di polvere 6 stesso.
Inoltre nelP apparecchiatura di figura 1, a causa del fatto che la sorgente laser 2 è in posizione fissa, è necessario che la racla 8 termini la deposizione del letto di polvere 6 sulla piattaforma 6b' prima di poter attivare la sorgente 2 ed iniziare la produzione del lavorato 12. Ci sono pertanto molti intervalli, tra una lavorazione e quella successiva, che limitano la produttività del sistema, in quanto è necessario attendere il termine della stesura di un nuovo letto di polvere prima di cominciare una nuova lavorazione.
Similmente, il danneggiamento di un componente porta ad una lunga interruzione del funzionamento.
Scopo della presente invenzione è dunque quello di proporre un’apparecchiatura per additive manufacturing che consenta di eliminare le turbolenze d’aria che si sviluppano nel realizzare lavorati di grandi dimensioni e che abbia un’elevata produttività.
Forme di realizzazione della presente invenzione riguardano un’apparecchiatura per additive manufacturing e un processo di additive manufacturing che supera gli svantaggi della tecnica nota.
In una forma di realizzazione, l’apparecchiatura per additive manufacturing comprende una piattaforma atta a alloggiare un letto di polvere adagiato su di essa; due colonne di supporto fissate verticalmente a lati opposti di detta piattaforma; un elemento trasversale fissato trasversalmente tra le coione; un dispositivo basato su una sorgente laser a diodo laser fissato a detto elemento trasversale e atto ad emettere un raggio laser verso il letto di polvere; una racla fissata trasversalmente alla base delle colonne, le colonne (108) essendo predisposte per scorrere lungo detti lati in modo da trascinare la racla sul letto di polvere; in cui la racla scorre in una direzione opposta rispetto alla direzione di uscita del raggio laser dal dispositivo.
In un’altra forma di realizzazione, la piattaforma è supportata da un pistone atto a muoversi verticalmente.
In un’altra forma di realizzazione, l’elemento trasversale è predisposto per scorrere verticalmente lungo guide delle colonne.
In un’altra forma di realizzazione, una bocchetta di aspirazione è fissata alla racla in modo da aspirare i vapori di sublimazione della polvere man mano che il fascio laser crea un lavorato sul letto di polvere.
In un’altra forma di realizzazione, un’unità di controllo controlla i movimenti delle colonne.
In un’altra forma di realizzazione, il dispositivo basato su una sorgente laser a diodo laser comprende un’unità elettronica di controllo predisposta per ricevere un segnale di ingresso rappresentativo di un target di lavorazione di un lavorato da realizzare e per inviare un primo segnale di controllo verso una sorgente di luce per controllarne la potenza, la sorgente di luce emettendo un raggio laser verso uno scanner laser) predisposto per focalizzare detto raggio laser verso un letto di polvere dal quale si ricava il lavorato.
In un’altra forma di realizzazione, un metodo di additive manufacturing comprende le operazioni di predisporre un’apparecchiatura per additive manufacturing comprende una piattaforma atta a alloggiare un letto di polvere adagiato su di essa; due colonne di supporto fissate verticalmente a lati opposti di detta piattaforma; un elemento trasversale fissato trasversalmente tra le coione; un dispositivo basato su una sorgente laser a diodo laser fissato a detto elemento trasversale e atto ad emettere un raggio laser verso il letto di polvere; una racla fissata trasversalmente alla base delle colonne, le colonne essendo predisposte per scorrere lungo detti lati in modo da trascinare la racla sul letto di polvere; in cui la racla scorre in una direzione opposta rispetto alla direzione di uscita del raggio laser dal dispositivo; trascinare orizzontalmente la racla sul letto di polvere facendo scorrere le colonne lungo i lati della piattaforma fino ad un bordo trasversale terminale di detta piattaforma; ruotare il dispositivo a diodo laser attorno ad un asse longitudinale dell’elemento trasversale; trascinare orizzontalmente la racla sul letto di polvere in direzione opposta a quella precedente.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
la Figura 1, già descritta, mostra un’apparecchiatura per additive manufacturing secondo la tecnica nota;
la Figura 2, mostra un’apparecchiatura per additive manufacturing secondo la presente invenzione; e
la Figura 3 mostra un dispositivo a diodo laser utilizzato in un’apparecchiatura per additive manufacturing secondo la presente invenzione.
La Figura 2 mostra un’apparecchiatura 100 per additive manufacturing secondo la presente invenzione.
Essa comprende un letto di polvere 102 adagiato orizzontalmente su una piattaforma 104, preferibilmente di forma rettangolare, supportata da un pistone 106 atto a muoversi in modo per sé noto verticalmente lungo una direzione verticale Z, in modo da spostare detta piattaforma 104 lungo la direzione Z.
Alla piattaforma 104 sono fissate verticalmente due colonne di supporto 108, rispettivamente a lati opposti di detta piattaforma 104.
Un elemento trasversale 110 è fissato in modo scorrevole tra due colonne 108, detto elemento trasversale 110 essendo atto a scorrere verticalmente lungo guide verticali 112 delle colonne 108. Alternativamente, tale elemento trasversale 110 è in posizione fissa. Un dispositivo basato su una sorgente a diodo laser 112 (descritto in dettaglio in seguito) è fissato a detto elemento trasversale 110 ed è atto ad emettere un fascio laser 112a verso il letto di polvere 102.
Alla base delle colonne 108 è fissato, in maniera trasversale, una racla 114. Le colonne 108 sono predisposte per scorrere lungo i lati della piattaforma 104 a cui sono fissate, in una direzione di scorrimento X trascinando in tal modo la racla 114 che stende la polvere sul letto di polvere 102. La direzione di scorrimento X è opposta alla direzione di uscita del raggio laser 112a dal dispositivo laser 112.
Quando le colonne 108 arrivano in corrispondenza di uno dei due bordi trasversali terminali della piattaforma 104 riprendono il loro scorrimento in direzione opposta e contemporaneamente l’elemento trasversale 110 il dispositivo laser 112 ruota, in modo noto ad un tecnico dell’arte, attorno ad un asse longitudinale Y deH’elemento trasversale 110 in modo che il fascio laser 112a venga emesso nuovamente in direzione opposta rispetto alla direzione di avanzamento della racla 114.
Il procedimento di additive manufacturing secondo la presente invenzione si basa dunque suH’utilizzo dell’apparecchiatura 100 e comprende quindi le fasi di:
- trascinare orizzontalmente la racla 114 sul letto di polvere 102 facendo scorrere le colonne 108 lungo i lati della piattaforma 104 fino ad un bordo trasversale terminale di detta piattaforma 104;
- ruotare il dispositivo a diodo laser 112 attorno ad un asse dell’elemento trasversale 110; - trascinare orizzontalmente la racla 114 sul letto di polvere 102 in direzione opposta a quella precedente.
Una bocchetta di aspirazione (lama) 1 16 è fissata alla racla 114 in modo da poter aspirare i vapori di sublimazione della polvere man mano che il fascio laser 112a crea un lavorato sul letto di polvere 102.
Un’unità di controllo 118 è collegata all’ apparecchiatura 100 per controllare i movimenti delle colonne e del dispositivo laser 112 e per gestire il funzionamento dell 'apparecchiatura 100 stessa.
La Figura 3 mostra uno schema del dispositivo basato su una sorgente laser a diodi (ad alta brillanza) per addìtive manufacturing 112 utilizzato nell’apparecchiatura di Figura 2. Tale dispositivo 112 comprende un’unità elettronica di controllo 52 comprendente in modo per sé noto mezzi di memoria 54, la quale è predisposta per ricevere un segnale di ingresso 55a e per inviare un primo segnale di controllo 55b ad una sorgente di luce 56, preferibilmente un diodo laser ad alta potenza.
Il segnale di ingresso 55a è un segnale di controllo numerico rappresentativo di un target di lavorazione desiderato (potenza del laser, velocità di scansione, geometria del lavorato da realizzare, e percorso di lavorazione etc,), e proviene dall’unità di controllo 118 dell’apparecchiatura 100.
Il primo segnale di controllo 55b è un segnale atto a controllare la potenza della sorgente di luce 56 sulla base di un valore di potenza desiderata contenuta nel segnale di ingresso 55a.
La sorgente di luce 56 è predisposta per emettere un raggio laser interno 56a, il quale attraversa delle lenti 57, che ne aggiustano la qualità, e viene poi riflesso attraverso due specchi dicroici 58 ed infine inviato ad uno scanner laser 60 predisposto per focalizzare il raggio laser di uscita 112a verso il letto di polvere 102 di figura 1.
Lo scanner laser 60 muove il raggio laser 112a sul letto di polvere 102 sulla base di parametri di posizione e velocità di scansione (funzione del target di lavorazione desiderato come espresso dal segnale di ingresso 55a) ricevuti dall’unità di controllo 52 tramite un secondo segnale di controllo 55c e determinati in modo noto ad un tecnico del settore sulla base del segnale di ingresso 55 a.
Il dispositivo basato su sorgente laser a diodi 50 comprende inoltre un sensore di dimensione 62, preferibilmente un sensore di tipo CMOS o ToF, per il controllo della dimensione della pozza fusa creata dal raggio laser 112a nel letto di polvere 102 durante il processo, ed un pirometro o fotodiodo 64 per il controllo in tempo reale della temperatura di detto letto di polvere 102. Il sensore 62 e il pirometro 64 sono predisposti per misurare rispettivamente la forma e la temperatura della pozza fusa ad intervalli di tempo predeterminati, ad esempio ogni l(K)ps, e per inviare rispettivi segnali di misura 62 a e 64a all 'unità di controllo 52 in tempo reale, la quale a sua volta modificherà il primo segnale di controllo 55b in modo da avere un raggio laser interno 56a modificato. I sensori 62 e 64 ricevono in ingresso un raggio riflesso 56b proveniente dalla pozza fusa e che torna indietro tramite lo scanner 60 dopo il processo di lavorazione e che ha una lunghezza d’onda differente (per esempio 200-600 nm) rispetto alla lunghezza d’onda del raggio laser interno 56a di partenza (per esempio 1056 nm). L’uso degli specchi dicroici 58 permette che il raggio laser interno 56a (per esempio 1096 nm) sia completamente riflesso verso lo scanner 60 e che, invece, il raggio riflesso 56b che torna indietro dalla pozza fusa (per esempio 300- 600 nm) sia completamente trasferito e analizzato dai sensori 62 e 64.
Gli specchi dicroici 58 sono trasparenti per la radiazione che torna indietro dopo il processo e riflettono completamente quella del raggio laser interno 56a utile alla lavorazione.
In particolare, l’unità di controllo 52 è predisposta per analizzare i segnali di misura 62a e 64a e per richiedere alla sorgente 56 una nuova potenza in modo da ottenere la temperatura desiderata per il letto di polvere 102 in tempo reale. La temperatura desiderata è funzione del target di lavorazione desiderato.
II dispositivo 50 consente di eseguire un controllo in retroazione di temperatura e dimensioni in tempo reale della pozza fusa nel letto di polvere 102 durante la lavorazione del letto di polvere 102, poiché i sensori 62 e 64 si trovano in prossimità sia del laser 52 sia dello scanner laser 60.
La soluzione della presente invenzione è compatta e di costo contenuto, consente un uso flessibile e permette di eseguire un controllo di anello ( reai time elosed loop).
Alternativamente, nell’ apparecchiatura 1 può essere usato qualsiasi altro dispositivo laser atto ad emettere un raggio 112a diretto verso il letto di polvere 102.
L’apparecchiatura della presente invenzione ha una architettura modulare. Grazie all’utilizzo del dispositivo basato su sorgente laser a diodi 112 compatto che includa tutta la parte sorgente, monitoraggio e scanner, si può avere un’architettura- macchina con colonne ed elementi trasversali (architettura a portale).
Il portale può essere dimensionato sulla base della grandezza del letto di polvere 102 desiderato.
La bocchetta di aspirazione 116 è inclusa sulla racla 114 in modo da poter aspirare sempre in corrispondenza della lavorazione (ottimizzazione delL aspirazione), e questo limita la formazione di turbolenze di aria in caso di produzione di lavorati di grandi dimensioni.
L’apparecchiatura della presente invenzione annulla i tempi morti del processo di lavorazione aumentando la produttività: mentre la racla 114 stende il letto di polvere 102 è possibile attivare il dispositivo laser 112 per iniziare la realizzazione del lavorato.
E’ inoltre possibile integrare ulteriori di dispositivi (anche laser) per il preriscaldamento e il post-riscaldamento del letto di polvere 102 (raffreddamento assistito per migliorare le proprietà del materiale).
Il sistema di aspirazione vicino al processo, ottimizza il processo stesso.
Possibilità di facile inserimento di devices per il pre riscaldamento e il post riscaldamento.
In una variante dell’ invenzione, all’elemento trasversale sono fissati una pluralità di dispositivi laser 112, posti in parallelo, in modo da poter realizzare componenti di grandi dimensioni lavorando contemporaneamente in punti diversi del letto di polvere 102. Le dimensioni della lama di aspirazione non contribuiscono a creare turbolenze poiché la bocchetta di aspirazione 116 si muove con la racla 114 e la lavorazione avviene durante la stesura del letto di polvere 102.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per additive manufacturing (100) comprendente: - una piattaforma (104) atta a alloggiare un letto di polvere (102) adagiato su di essa; - due colonne di supporto (108) fissate verticalmente a lati opposti di detta piattaforma (104); - un elemento trasversale (110) fissato trasversalmente tra le coione (108); - un dispositivo basato su una sorgente laser a diodo laser (112) fissato a detto elemento trasversale (110) e atto ad emettere un raggio laser (112a) verso il letto di polvere (102); - una racla (114) fissata trasversalmente alla base delle colonne (108), dette colonne (108) essendo predisposte per scorrere lungo detti lati in modo da trascinare la racla (114) sul letto di polvere (102); in cui la racla (114) scorre in una direzione opposta rispetto alla direzione di uscita del raggio laser (112a) dal dispositivo (112).
  2. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 2, in cui la piattaforma (104) è supportata da un pistone (106) atto a muoversi verticalmente.
  3. 3. Apparecchiatura (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto elemento trasversale (110) è predisposto per scorrere verticalmente lungo guide (112) delle colonne (108).
  4. 4. Apparecchiatura (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendete inoltre una bocchetta di aspirazione (116) fissata alla racla (114) in modo da aspirare i vapori di sublimazione della polvere man mano che il fascio laser (112a) crea un lavorato sul letto di polvere (102).
  5. 5. Apparecchiatura (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un’unità di controllo (118) atta a controllare i movimenti delle colonne.
  6. 6. Apparecchiatura (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo basato su una sorgente laser a diodo laser (112) comprende: - un’unità elettronica di controllo (118) predisposta per ricevere un segnale di ingresso (55 a) rappresentativo di un target di lavorazione di un lavorato da realizzare e per inviare un primo segnale di controllo (55b) verso una sorgente di luce (56) per controllarne la potenza, detta sorgente di luce (56) emettendo un raggio laser (112a) verso uno scanner laser (60) predisposto per focalizzare detto raggio laser (56a) verso un letto di polvere dal quale si ricava il lavorato.
  7. 7. Metodo di additive manufacturing comprendente le operazioni di: - predisporre un’apparecchiatura (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; - trascinare orizzontalmente la racla (114) sul letto di polvere (102) facendo scorrere le colonne (108) lungo i lati della piattaforma (104) fino ad un bordo trasversale terminale di detta piattaforma (104); - ruotare il dispositivo a diodo laser (112) attorno ad un asse longitudinale dell’ elemento trasversale (110); - trascinare orizzontalmente la racla (114) sul letto di polvere (102) in direzione opposta a quella precedente.
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