ITVI20080311A1 - Macchina stereolitografica perfezionata e testata di modellazione per una macchina stereolitografica - Google Patents

Description

MACCHINA STEREOLITOGRAFICA PERFEZIONATA E TESTATA DI MODELLAZIONE PER UNA MACCHINA STEREOLITOGRAFICA.

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne una macchina stereolitografica particolarmente adatta alla realizzazione rapida di prototipi per l'industria.

La presente invenzione concerne altresì una testata di modellazione per una macchina stereolitografica del tipo suddetto.

Com'è noto, una macchina stereolitografica consente di realizzare oggetti tridimensionali mediante una molteplicità di strati sovrapposti, ottenuti esponendo una resina liquida ad una stimolazione selettiva per provocarne la solidificazione nei punti corrispondenti al volume dell'oggetto da produrre.

Secondo una forma esecutiva nota, illustrata schematicamente in fig.

1 , una macchina stereolitografica A comprende una vasca B per il contenimento della resina liquida C, delimitata inferiormente da un fondo trasparente D.

II fondo è realizzato in un materiale resiliente, generalmente in plastica, per i motivi che saranno presto chiariti.

La macchina comprende inoltre una testata di modellazione E disposta nella vasca e provvista inferiormente di una superficie piana per il supporto dell’oggetto tridimensionale F in formazione.

Sono inoltre presenti mezzi attuatori G che spostano la testata in direzione ortogonale al fondo della vasca.

Per realizzare l'oggetto, la testata di modellazione viene immersa nella resina liquida fino a disporne la superficie piana ad una distanza rispetto al fondo della vasca pari allo spessore di uno strato dell'oggetto da produrre, pari a qualche centesimo di millimetro.

Durante l'abbassamento della testata, la resina liquida interposta tra la testata ed il fondo della vasca viene spinta ai lati della testata provocando, per reazione, una pressione sulla testata e sul fondo della vasca.

La pressione aumenta man mano che la testata si avvicina al fondo della vasca, in quanto il passaggio disponibile per il deflusso della resina è sempre più stretto.

Questa situazione è rappresentata in fig. 2, dove si osserva che la pressione della testata provoca una flessione del fondo,

Per evitare che la suddetta pressione causi la rottura del fondo della vasca è necessario limitare la velocità di abbassamento della testata di modellazione, con l'inconveniente di prolungare la durata della fase di abbassamento.

Quando la distanza tra la testata di modellazione ed il fondo della vasca è pari allo spessore di uno strato dell’oggetto da realizzare, la resina che si trova tra i due elementi viene esposta selettivamente ad un fascio laser proveniente da un emettitore disposto inferiormente al fondo della vasca, indicato in fig. 1 con H.

L’esposizione avviene nelle zone corrispondenti al volume dell'oggetto da realizzare e produce la polimerizzazione della resina, la quale solidifica e si aggrappa alla superficie piana della testata di modellazione.

Successivamente, la testata viene sollevata assieme al primo strato dell'oggetto.

Durante questa operazione si verifica un “effetto ventosa”, ben noto al tecnico del settore, che trattiene la testata in contatto con il fondo della vasca, impedendone il distacco.

Si genera pertanto una sollecitazione di trazione sul fondo della vasca, opposta a quella precedentemente descritta in relazione all’operazione di abbassamento.

Questa condizione viene illustrata in fig. 4, dove si osserva che il fondo della vasca si flette a causa della suddetta trazione.

Per evitare che la trazione provochi la rottura del fondo della vasca è necessario che il fondo presenti una sufficiente resilienza e, pertanto, esso viene realizzato preferibilmente in plastica trasparente, introducendo ulteriori inconvenienti che verranno descritti in seguito. La testata viene sollevata fino a farla uscire dalla resina, per consentire un completo livellamento della resina all'interno della vasca.

Durante il sollevamento, il fondo della vasca è soggetto ad una trazione dovuta alla difficoltà di deflusso della resina dai lati della testata verso la sua parte inferiore.

Pertanto, analogamente all’abbassamento, è necessario limitare anche la velocità di sollevamento della testata, con l'inconveniente di rallentare l'operazione di sollevamento.

La testata rimane in posizione sollevata per il tempo necessario a consentire il livellamento della resina nella vasca, dopodiché viene nuovamente immersa nella resina e le operazioni precedentemente descritte vengono ripetute per ciascuno strato dell’oggetto da realizzare.

A causa della suddetta lentezza dei movimenti della testata, le operazioni di abbassamento e di sollevamento della testata possono incidere fino al 60% sul tempo di realizzazione complessivo dell'oggetto.

Di conseguenza, la macchina del tipo sopra descritto presenta l'inconveniente di richiedere un tempo di lavorazione elevato rispetto al tempo effettivo strettamente necessario per solidificare i vari strati dell'oggetto.

Inoltre, nelle macchine stereolitografiche del tipo noto sopra descritto, l'aggrappaggio dell’oggetto alla testata di modellazione è talvolta insufficiente, favorendo il distacco dell’oggetto durante la lavorazione. Il distacco dell’oggetto dalla testata causa l'inconveniente di dover ripetere l'intero processo, con evidente spreco di tempo e di materiale.

Un ulteriore inconveniente delle macchine stereolitografiche di tipo noto è legato alla flessibilità del fondo della vasca che, come si è detto, viene realizzata generalmente in plastica.

Più precisamente, prima di iniziare la produzione dell'oggetto, è necessario fornire alla macchina la quota precisa del fondo della vasca, che verrà poi utilizzata come riferimento in tutto il processo. La determinazione di tale quota viene effettuata abbassando la testata fino a portarla a contatto del fondo della vasca, senza tuttavia deformare quest'ultima.

In pratica, a causa dell’elevata flessibilità del fondo, accade talvolta che la posizione di riferimento venga impostata ad una quota più bassa di quella reale, corrispondente ad una leggera deformazione del fondo stesso, come schematicamente illustrato in fig. 3.

Durante la successiva produzione dell’oggetto, la suddetta deformazione del fondo impedisce la corretta solidificazione dei primi strati dell’oggetto, pregiudicandone l’adesione alla testata di modellazione.

Pertanto, l’oggetto si può staccare dalla testata, causando gli inconvenienti già menzionati in precedenza.

La presente invenzione si prefigge di superare tutti gli inconvenienti sopra descritti appartenenti all'arte nota.

In particolare, è un primo scopo dell'invenzione realizzare una macchina stereolitografica che consenta di produrre un oggetto tridimensionale più rapidamente rispetto alle macchine stereolitografiche del tipo noto sopra descritto.

È altresì scopo dell'invenzione ridurre la possibilità di un distacco dell’oggetto dalla testata di modellazione.

I suddetti scopi vengono raggiunti da una testata di modellazione per una macchina stereolitografica secondo la rivendicazione 1.

Gli stessi scopi vengono inoltre raggiunti da una macchina stereolitografica secondo la rivendicazione 9.

Ulteriori caratteristiche di dettaglio dell'invenzione vengono riportate nelle rivendicazioni dipendenti.

In particolare, la testata di modellazione dell'invenzione comprende fori passanti atti a consentire il deflusso della resina liquida attraverso la testata quando questa è immersa nella resina stessa.

Vantaggiosamente, il suddetto deflusso facilita il passaggio della resina tra la superficie inferiore della testata e i lati della stessa, così da ridurre le sollecitazioni prodotte sul fondo della vasca dal movimento della testata di modellazione.

Di conseguenza, vantaggiosamente, è possibile aumentare la velocità di abbassamento e di sollevamento della testata, così da ridurre il tempo totale necessario alla realizzazione dell'oggetto.

Inoltre, i fori nella testata consentono di ridurre notevolmente l’effetto ventosa che precede il sollevamento, limitando le sollecitazioni sul fondo della vasca.

Pertanto, vantaggiosamente, è possibile realizzare il fondo con un materiale più rigido e meno resiliente rispetto alla plastica, come ad esempio il vetro.

Vantaggiosamente, l'uso di un fondo più rigido consente di ridurre gli errori di impostazione iniziale della macchina.

Inoltre, il vetro è meno sensibile al fascio laser rispetto alla plastica trasparente e, pertanto, si degrada molto meno.

Di conseguenza, vantaggiosamente, la testata di modellazione dell'invenzione consente di prolungare la durata del fondo della vasca rispetto alle macchine di tipo noto.

I suddetti scopi e vantaggi, assieme ad altri che verranno specificati in seguito, si comprenderanno durante la descrizione di una preferita forma esecutiva dell'invenzione, che viene data a titolo indicativo ma non limitativo con riferimento alle seguenti tavole di disegno allegate, dove:

la fig. 1 rappresenta schematicamente una macchina stereolitografica di tipo noto, in vista assonometrica;

le figg. da 2 a 4 rappresentano parzialmente la macchina nota di fig. 1 , in diverse posizioni operative, in vista frontale;

- la fig. 5 rappresenta la macchina stereolitografica dell'invenzione;

la fig. 6 rappresenta la testata di modellazione deirinvenzione, appartenente alla macchina di fig. 5;

le figg. da 7 a 11 rappresentano la macchina di fig. 5, in differenti configurazioni operative;

- la fig. 12 rappresenta un dettaglio della fig. 10.

La macchina stereolitografica dell'invenzione, particolarmente adatta alla realizzazione rapida di prototipi per l'industria, viene schematicamente illustrata in fig. 5, dove viene indicata complessivamente con 6.

Si osserva che la suddetta macchina 6 comprende una vasca 7 per il contenimento di una resina liquida 11 che solidifica sotto l'effetto di una stimolazione predefinita, ad esempio mediante polimerizzazione indotta da un fascio di luce laser.

La vasca 7 è delimitata inferiormente da un fondo 8 trasparente alla suddetta stimolazione.

La stimolazione viene prodotta da un emettitore 9, preferibilmente ma non necessariamente di tipo laser, disposto inferiormente al fondo 8. È inoltre presente una testata di modellazione 1 , rappresentata in dettaglio in fig. 6, comprendente una piastra 2 sulla quale si individua una superficie di supporto 2a per un oggetto 12 da realizzare, affacciata al fondo 8 della vasca 7.

La testata di modellazione 1 è operativamente connessa a mezzi attuatori 10 che la movimentano secondo una direzione di spostamento X sostanzialmente ortogonale al fondo 8 della vasca 7. Secondo l'invenzione, la piastra 2 è provvista di una molteplicità di fori passanti 3 che consentono il deflusso della resina liquida 11 da un lato all’altro della piastra 2 stessa quando questa è immersa nella resina liquida 11.

Come appare evidente dalle figg. 7 e 8, durante l'abbassamento della testata 1 all'interno della vasca 7, la resina 11 disposta al di sotto della superficie di supporto 2a può defluire attraverso i fori 3, riducendo vantaggiosamente la spinta sul fondo 8 della vasca 7 rispetto alle macchine del tipo noto sopra descritto.

Pertanto, vantaggiosamente, la testata 1 dell’invenzione può venire abbassata più rapidamente rispetto alle macchine di tipo noto.

Evidentemente, i fori 3 consentono il deflusso della resina anche durante il sollevamento della testata 1 , come illustrato in fig. 10, limitando anche in questo caso le sollecitazioni sul fondo 8 e permettendo di sollevare la testata 1 più rapidamente rispetto alle macchine di tipo noto.

Il movimento più rapido della testata 1 consente di velocizzare le operazioni di abbassamento e sollevamento della testata 1, raggiungendo lo scopo di ridurre la durata totale della lavorazione. Ancora vantaggiosamente, la presenza dei fori 3 determina una riduzione notevole dell’effetto ventosa, particolarmente accentuato quando la testata 1 è disposta con la superficie di supporto 2a molto vicina al fondo 8 della vasca 7.

Pertanto, è possibile realizzare il fondo 8 in un materiale più rigido rispetto alla plastica.

II fondo più rigido è soggetto ad una minore deformazione durante l'impostazione iniziale della macchina 6 e consente pertanto, vantaggiosamente, di ridurre gli errori nel rilevamento della posizione di riferimento rispetto alle macchine note.

Inoltre, la ridotta deformazione del fondo 8 consente di solidificare i primi strati dell’oggetto 12 in modo ottimale, riducendo le possibilità di distacchi successivi dell’oggetto 12 e raggiungendo, pertanto, un altro scopo dell'invenzione.

Preferibilmente, per la realizzazione del fondo rigido 8 viene impiegato il vetro che, vantaggiosamente, subisce un minor deterioramento per effetto degli agenti chimici, atmosferici e, in particolare, delazione dei raggi laser, rispetto ai fondi in plastica impiegati nelle macchine di tipo noto.

Pertanto, vantaggiosamente, il vetro consente di realizzare un fondo 8 di maggior durata, contribuendo a diminuire le spese di manutenzione della macchina 6.

Oltre ai vantaggi sopra menzionati, i fori 3 della piastra 2 comportano anche l’ulteriore vantaggio di favorire l'aggrappaggio dell’oggetto 12 in formazione.

Infatti, come si osserva nel dettaglio di fig. 12, i primi strati dell’oggetto 12 (che nelle figure vengono rappresentati in tratteggio) solidificano almeno in parte all'interno dei fori 3, creando un accoppiamento più stabile con la superficie di supporto 2a.

Preferibilmente, la superficie di supporto 2a è ruvida per, vantaggiosamente, favorire ulteriormente il suddetto aggrappaggio dell’oggetto 12.

Sebbene i fori passanti 3 della piastra 2 siano sufficienti a garantire il deflusso della resina, è tuttavia preferibile che la piastra 2 sia supportata da una contropiastra 4.

La piastra 2 e la contropiastra 4 sono collegate attraverso distanziali 5, che definiscono un’intercapedine in comunicazione con i fori passanti 3 della piastra 2, attraverso la quale la resina 11 può defluire dai fori 3 ai lati della testata 1 e viceversa.

Vantaggiosamente, la realizzazione del suddetto percorso di deflusso mediante una piastra forata 2 collegata ad una contropiastra 4 è particolarmente semplice da realizzare.

Inoltre, vantaggiosamente, la contropiastra 4 consente il collegamento della testata 1 ai mezzi attuatori 10 senza che questi ultimi interferiscano con il deflusso della resina attraverso la piastra 2.

La separazione tra la piastra 2 ed i mezzi attuatori 10 consente anche di distribuire i fori 3 in modo sostanzialmente uniforme su tutta la superficie 2a della piastra 2 per, vantaggiosamente, massimizzare la sezione di passaggio della resina ed evitare la presenza di zone morte, nelle quali il deflusso della resina avverrebbe con maggior difficoltà.

Vantaggiosamente, i distanziali 5 sono disposti sulla periferia della piastra 2, in particolare in corrispondenza dei vertici della stessa, per ostacolare il meno possibile il deflusso della resina.

E’ tuttavia evidente che varianti esecutive dell’invenzione possono prevedere distanziali 5 in numero e in posizioni diverse rispetto a quanto qui illustrato.

Preferibilmente ma non necessariamente, la piastra 2 è realizzata in acciaio inossidabile che, vantaggiosamente, presenta una elevata resistenza agli agenti chimici.

Inoltre, preferibilmente, la piastra 2 presenta uno spessore compreso tra 1 e 2 mm, per limitarne il peso senza pregiudicarne la rigidezza. Per quanto concerne i fori passanti 3, il loro diametro è preferibilmente compreso tra 1 ed 1.5 mm, e l’interasse è preferibilmente compreso tra 3 e 5 mm.

La dimensione e la disposizione sopra indicate per i fori permettono di assicurare un buon deflusso della resina senza penalizzare la rigidezza della piastra 2.

E’ peraltro evidente che la piastra 2 può venire realizzata in un materiale e con uno spessore diversi da quelli sopra indicati e che, inoltre, i fori 3 possono avere una dimensione ed una disposizione diverse da quelle sopra descritte, secondo le particolari esigenze del costruttore.

In ulteriori varianti esecutive dell'invenzione, non rappresentate, la testata di modellazione 1 può anche venire realizzata in pezzo unico anziché come un assieme di piastra 2 e contropiastra 4, purché sia dotata di fori per il deflusso della resina liquida 11 attraverso la testata 1 stessa.

Operativamente, il processo di produzione dell’oggetto inizia con l’abbassamento della testata di modellazione 1 all'interno della vasca 7 per immergerla nella resina liquida 11, come illustrato nelle figg. 7 e 8.

Durante l'abbassamento, una parte della resina liquida 11 defluisce verso i lati della vasca 7, passando attraverso i fori 3 della piastra 2 e l'intercapedine tra la piastra 2 e la contropiastra 4.

II suddetto deflusso, che risulta tanto maggiore quanto più la piastra 2 è vicina al fondo 8 della vasca 7, limita la pressione sul fondo 8 stesso, consentendo di abbassare la testata di modellazione 1 più rapidamente rispetto alle macchine di tipo noto.

Inoltre, l’elevata sezione di deflusso, distribuita in modo pressoché uniforme su tutta la superficie della piastra 2, riduce la velocità di deflusso della resina, evitando che essa venga spinta troppo violentemente verso i lati della vasca 7 e ne fuoriesca.

Quando la testata 1 ha raggiunto una distanza prefissata rispetto al fondo 8, come rappresentato in fig. 9, l'emettitore laser 9 effettua una scansione selettiva di tale strato, per solidificarlo in corrispondenza del volume solido dell'oggetto.

Terminata la solidificazione, la testata 1 viene sollevata e portata al di sopra del livello della resina liquida 11, come si osserva in fig. 10.

In questa fase, i fori 3 della piastra 2 consentono di ridurre l'effetto ventosa rispetto a quello che si presenta nelle macchine di tipo noto, evitando la rottura del fondo 8 della vasca 7 anche se questo è realizzato in vetro, o in un altro materiale di analoga fragilità.

Durante il sollevamento, la resina torna ad occupare il volume lasciato libero dalla testata 1, defluendo attraverso l’intercapedine tra contropiastra 4 e piastra 2 ed attraverso i fori 3 presenti in quest’ultima.

Il suddetto deflusso previene trazioni eccessive sul fondo 8 e consente, pertanto, di sollevare la testata 1 più rapidamente rispetto alle macchine di tipo noto.

La testata 1 viene mantenuta in posizione sollevata fino a quando la resina nella vasca 7 si è livellata, dopodiché le operazioni precedenti vengono ripetute per ciascuno ulteriore strato dell'oggetto 12 da realizzare.

Per quanto finora detto, si comprende che l'invenzione raggiunge gli scopi prefissati.

In particolare, i fori di deflusso nella testata di modellazione consentono di incrementare la velocità di spostamento della testata stessa rispetto alle macchine di tipo noto, così da ridurre il tempo complessivo per produrre l'oggetto.

Inoltre, i fori consentono un aggrappaggio più efficace dell’oggetto alla superficie di supporto, così da ridurre le possibilità di un suo distacco dalla testata di modellazione.

In fase esecutiva, alla testata di modellazione ed alla macchina dell'invenzione potranno essere apportate ulteriori o varianti che, quantunque non descritte e non rappresentate nei disegni, qualora dovessero rientrare nell'ambito delle rivendicazioni che seguono, si dovranno ritenere tutte protette dal presente brevetto.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1) Testata di modellazione (1) per una macchina stereolitografica (6) atta a realizzare oggetti tridimensionali (12) mediante solidificazione di una resina liquida (11), comprendente una piastra (2) provvista di una superficie di supporto (2a) per un oggetto (12) da realizzare, caratterizzata dal fatto che detta piastra (2) è provvista di una molteplicità di fori passanti (3) atti a consentire il deflusso di detta resina liquida (11) attraverso detta piastra (2) ed è supportata da una contropiastra (4) collegata a detta piastra (2) mediante distanziali (5).
2. 2) Testata (1) secondo la rivendicazione 1) caratterizzata dal fatto che detti fori passanti (3) sono distribuiti in modo sostanzialmente uniforme su detta superficie di supporto (2a).
3. 3) Testata (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1) o 2) caratterizzata dal fatto che detti distanziali (5) sono disposti sulla periferia di detta piastra (2).
4. 4) Testata (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detta piastra (2) presenta uno spessore compreso tra 1 e 2 mm.
5. 5) Testata (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detta piastra (2) è in acciaio inossidabile.
6. 6) Testata (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detta superficie di supporto (2a) è ruvida.
7. 7) Testata (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detti fori passanti (3) hanno un diametro compreso tra 1 mm ed 1.5 mm.
8. 8) Testata (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detti fori passanti (3) presentano interasse compreso tra 3 e 5 mm.
9. 9) Macchina stereolitografica (6) per la realizzazione di oggetti tridimensionali (12) tramite una resina liquida (11) atta a solidificare per effetto di una stimolazione predefinita, comprendente: - una vasca (7) per il contenimento di detta resina liquida (11), delimitata inferiormente da un fondo (8) trasparente a detta stimolazione; - un emettitore (9) di detta stimolazione, disposto inferiormente a detto fondo (8); - una testata di modellazione (1) comprendente una piastra (2) provvista di una superficie di supporto (2a) per un oggetto (12) da realizzare, affacciata a detto fondo (8); - mezzi attuatori (10) per lo spostamento di detta testata (1) secondo una direzione di spostamento (X) sostanzialmente ortogonale a detto fondo (8); caratterizzata dal fatto che detta piastra (2) comprende una molteplicità di fori passanti (3) atti a consentire il deflusso di detta resina liquida (11) attraverso detta piastra (2) quando detta piastra (2) è immersa in detta resina liquida (11).
10. 10) Macchina (6) secondo la rivendicazione 9) caratterizzata dal fatto che detta testata (1) comprende una contropiastra (4) per il supporto di detta piastra (2), connessa a detti mezzi attuatori (10).
11. 11) Macchina (6) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9) o 10) caratterizzata dal fatto che detto fondo (8) di detta vasca (7) è in vetro.
12. 12) Macchina (6) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9) a 11) caratterizzata dal fatto che detta stimolazione è un fascio di luce laser. Per incarico.