PL222794B1 - Sposób wytwarzania trójwymiarowych obiektów z termoplastów i drukarka 3D - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania obiektów trójwymiarowych z termoplastów i drukarka 3D przeznaczona do wytwarzania obiektów w technologii FDM (fused deposition modeling), zwłaszcza do produkcji szybkich prototypów.

Większość znanych urządzeń do wytwarzania obiektów trójwymiarowych z termoplastów oparta jest o technologię FDM (fused deposition modeling), według patentu US 5121329. W tej metodzie materiał w postaci pręta z termoplastycznego polimeru podawany jest na podgrzewaną głowicę, gdzie następnie zostaje wyciskany przez dysze. Głowica porusza się względem obszaru roboczego nakładając polimer w płaszczyźnie XY. Aby otrzymać drugą warstwę przesuwa się ona w osi Z i nakłada kolejną warstwę na poprzednią. Powtarzając ten schemat z przekrojów otrzymuje się model trójwymiarowy. Typowym materiałem jest ABS i PLA. Metoda ta ma kilka istotnych ograniczeń dlatego wykorzystywana jest do produkcji niewielkich obiektów. Podczas drukowania większych obiektów dochodzi do rozwarstwienia materiału co stanowi główny problem nowego rozwiązania. Defekt ten powiązany jest ze skurczem chłodzonego polimeru. W obecnych konstrukcjach stosuje się zazwyczaj podgrzewaną płytę roboczą, lub utrzymuje się stałą temperaturę w całym obszarze roboczym aby zapobiegać nadmiernemu skurczowi materiału. Pierwsze rozwiązanie prezentuje większość drukarek 3D, w tym stworzone w projekcie „Rep-Rap”. Dzięki niemu niskie warstwy drukowanego elementu utrzymują stałą temperaturę. Natomiast ogrzewanie kolejnych warstw jest ograniczone przez transfer ciepła z niższych warstw, oraz przez warunki termiczne w komorze, tj. chłodzenie powietrzem. W komercyjnych urządzeniach tego typu stosuje się zamkniętą komorę, w której utrzymuje się podwyższoną temperaturę. Przykładem takiego rozwiązania jest urządzenie według patentu US 6722872. Wadą tego urządzenia jest zmniejszony transfer ciepła, oraz konieczność izolowania wrażliwych elementów urządzenia. Mniejszy transfer ciepła spowalnia zestalanie polimeru przez co utrudniona jest produkcja z dużą prędkością. Kolejnym problemem w tej metodzie jest konieczność stosowania materiału podporowego w drukowaniu niektórych elementów. Używając metody bezpośredniego nanoszenia roztopionego materiału nie można otrzymać elementów typu strop, czy niepodparta belka. Żeby obejść to ograniczenie stosuje się kilka rozwiązań. W komercyjnych zastosowaniach zazwyczaj wykorzystuje się rozpuszczalne materiały podporowe np. według patentu EP 1105828. Wadą tego rozwiązania jest konieczność dublowania elementów układu, podajników materiału i głowic drukujących, oraz większe zużycie materiału podporowego. Innym powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest podpieranie tym samym materiałem który stosuje się do produkcji gotowego elementu. Wymaga to późniejszej obróbki przez pracownika, a w niektórych aplikacjach ta nie znajduje zastosowania tj. zamknięte profile. Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych wad.

Sposób wytwarzania obiektów trójwymiarowych z termoplastów, w którym obiekt jest wytwarzany warstwowo z roztopionego polimeru w technologii FDM, według wynalazku polega na tym, że każdą warstwę chłodzi się płynem chłodzącym, wypełniającym komorę roboczą do wysokości wytwarzanej warstwy, przy czym poziom płynu chłodzącego podnosi się po wytworzeniu kolejnej warstwy o wielkość skoku głowicy drukującej. Płyn chłodzący utrzymuje się korzystnie w temperaturze między 60°C a 100°C. Ponadto jako płyn chłodzący stosuje się korzystnie olej silikonowy, zwłaszcza metylosilikonowy.

Drukarka 3D, działająca w technologii FDM, wyposażona w układ mechaniczny poruszający głowicą drukującą w komorze roboczej o temperaturze kontrolowanej przez termostat, według wynalazku charakteryzuje się tym, że komora robocza stanowi zbiornik na płyn chłodzący wyposażony w pompę do regulacji poziomu płynu chłodzącego. Pompa jest umieszczona korzystnie w komorze roboczej poniżej poziomu płynu chłodzącego.

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia jednorodne warunki termiczne w trakcie wytwarzania obiektu. Zastosowanie płynnego medium chłodzącego zwiększa transfer ciepła od wytłaczanego polimeru w porównaniu z powietrzem, przy tej samej różnicy temperatur. Użycie płynu wypornościowego, zmniejsza zapotrzebowanie na struktury podtrzymujące wytwarzany element. Zastosowanie oleju silikonowego jako medium chłodzącego zapewnia dobre warunki termiczne procesu, a przy tym zmniejsza straty płynu, oraz ogranicza nagrzewanie układu mechanicznego.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

fig. 1 przedstawia schematycznie urządzenie w widoku z boku, fig. 2 przedstawia urządzenie na wstępnym etapie drukowania, fig. 3 przedstawia urządzenie na kolejnym etapie drukowania, a fig. 4 przedstawia urządzenie po wytworzeniu drukowanego obiektu.

PL 222 794 B1

Jak przedstawiono na fig. 1, urządzenie składa się z podgrzewanej głowicy drukującej 1, układu mechanicznego 2 poruszającego głowicą drukującą 1, komory roboczej 3, oraz z elektronicznie sterowanego termostatu 4 i pompy 6. Głowica drukująca 1 jest zakończona dyszą 7. Pompa 6 jest umieszczona w komorze roboczej 3 poniżej poziomu płynu chłodzącego. Układ mechaniczny 2 jest umieszczony poza komorą roboczą 3. Komora robocza 3 stanowi zbiornik płynu chłodzącego 5 podczas drukowania. Urządzenie jest wyposażone w termostat 4 i pompę 6. Tak wykonana drukarka 3D działa w technologii FDM. Głowica drukująca 1 porusza się wewnątrz komory roboczej 3 tak, że dysza 7 głowicy drukującej 1 jest zanurzona w płynie chłodzącym 5. Termostat 4 utrzymuje stałą temperaturę płynu chłodzącego 5, a pompa 6, służąca do regulacji poziomu płynu chłodzącego, uzupełnia go do poziomu drukowanej warstwy. Na następnych figurach rysunku przedstawiono schematycznie kolejne etapy drukowania.

Sposób wytwarzania trójwymiarowych obiektów z termoplastów według wynalazku polega na nanoszeniu kolejnych warstw roztopionego polimeru, przy jednoczesnym podnoszeniu poziomu płynu chłodzącego 5. Płyn chłodzący 5 jest utrzymywany w temperaturze poniżej temperatury topnienia polimeru, a powyżej temperatury pokojowej, tak, aby możliwe było uformowanie drukowanego elementu przy jednoczesnym zachowaniu wymiarów w trakcie procesu. Dla typowych materiałów stosowanych w technologii FDM, takich jak ABS i PLA, jest to temperatura od 60°C do 100°C. Jako płyn chłodzący 5 stosuje oleje silikonowe, które mają temperaturę wrzenia wyższą niż temperatura wytłaczanego polimeru, oraz mają mniejszą gęstość od wytłaczanego polimeru. Powszechne oleje metylosilikonowe spełniają te warunki.

Na fig. 2 widoczna jest pierwsza warstwa polimeru 8a nakładana w komorze roboczej 3, wypełnionej powyżej poziomu tej warstwy płynem chłodzącym 5.

Na fig. 3 widoczna jest kolejna warstwa polimeru 8b. Poziom płynu chłodzącego 5 został uzupełniony przez pompę 6 do poziomu dyszy głowicą drukującą 7 tak, że kolejna warstwa drukowana jest na poprzedniej. Gotowy element 8c zanurzony w płynie chłodzącym 5 przedstawiony jest na fig. 4.

Zaletą urządzenia i sposobu według wynalazku jest redukcja struktur podporowych i zapewnienie jednorodnych warunków termicznych w trakcie wytwarzania elementu. Zastosowanie płynnego medium chłodzącego zwiększa transfer ciepła od wytłaczanego polimeru w porównaniu z powietrzem, przy tej samej różnicy temperatur. Jednocześnie użycie płynu wypornościowego, zmniejsza zapotrzebowanie na struktury podtrzymujące wytwarzany element. Zastosowanie oleju silikonowego jako medium chłodzącego zapewnia dobre warunki termiczne procesu, jednocześnie przez małą lotność zmniejsza straty płynu, oraz ogranicza nagrzewanie układu mechanicznego.

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia jednorodne warunki termiczne w trakcie wytwarzania obiektu. Zastosowanie płynnego medium chłodzącego zwiększa transfer ciepła od wytłaczanego polimeru w porównaniu z powietrzem, przy tej samej różnicy temperatur. Jednocześnie użycie płynu wypornościowego, zmniejsza zapotrzebowanie na struktury podtrzymujące wytwarzany element. Zastosowanie oleju silikonowego jako medium chłodzącego zapewnia dobre warunki termiczne procesu, jednocześnie przez małą lotność zmniejsza straty płynu, oraz ogranicza nagrzewanie układu mechanicznego.

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania obiektów trójwymiarowych z termoplastów, w którym obiekt jest wytwarzany warstwowo z roztopionego polimeru w technologii FDM, znamienny tym, że każdą warstwę chłodzi się płynem chłodzącym (5), wypełniającym komorę roboczą (3) do wysokości wytwarzanej warstwy, przy czym poziom płynu chłodzącego (5) podnosi się po wytworzeniu kolejnej warstwy o wielkość skoku głowicy drukującej (1).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperaturę płynu chłodzącego (5) utrzymuje się w zakresie od 60°C do 100°C.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że jako płyn chłodzący (5) stosuje się olej silikonowy, korzystnie metylosilikonowy.

4. Drukarka 3D, działająca w technologii FDM, wyposażona w układ mechaniczny (2) poruszający głowicą drukującą (1) w komorze roboczej (3) o temperaturze kontrolowanej przez termostat (4), znamienna tym, że komora robocza (3) stanowi zbiornik na płyn chłodzący (5) wyposażony w pompę (6) do regulacji poziomu płynu chłodzącego.

5. Drukarka według zastrz. 4, znamienna tym, że pompa (6) jest umieszczona w komorze roboczej (3) poniżej poziomu płynu chłodzącego.