PL226544B1 - Urządzenie do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich i sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich za pomocą spiekania lub stapiania promieniem lasera - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich przynajmniej w części topliwych i sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich przynajmniej w części topliwych za pomocą spiekania lub stapiania promieniem lasera.

Gwałtowny rozwój urządzeń drukujących przedmioty trójwymiarowe stworzył możliwości wytwarzania przedmiotów o bardzo skomplikowanych kształtach, których wytwarzanie wcześniej znanymi technikami nie było możliwe. Jedną z możliwości wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych daje proces spiekania materiału sypkiego strumieniem światła generowanym przez urządzenie laserowe.

Z publikacji US 4863538 opisu patentowego wynalazku pt. „Method and apparatus for producing parts by selective sintering” znana jest metoda produkcji elementów polegająca na kładzeniu porcji proszku na docelowej powierzchni, skanowaniu powierzchni docelowej za pomocą promienia energetycznego, utworzeniu pierwszej warstwy poprzez spiekanie proszku na powierzchni odpowiadającej przekrojowi poprzecznemu elementu wytwarzanego, kładzeniu drugiej warstwy proszku na spieczonej warstwie elementu wytwarzanego, skanowaniu powierzchni docelowej za pomocą promienia energetycznego, spiekaniu drugiej warstwy odpowiadającej przekrojowi poprzecznemu elementu wytwarzanego, powtarzaniu kładzenia i spiekania warstwa po warstwie proszku aż do wytworzenia całego elementu.

Z kolei z publikacji US 5155324 opisu patentowego wynalazku pt. „Method for selective laser sintering with layerwise cross-scanning” znana jest metoda produkcji elementów polegająca na kładzeniu porcji proszku na docelowej powierzchni, skanowaniu powierzchni docelowej za pomocą promienia energetycznego w określonym kierunku, utworzeniu pierwszej warstwy po stopieniu proszku na powierzchni odpowiadającej przekrojowi poprzecznemu elementu wytwarzanego, kładzeniu drugiej warstwy proszku na spieczonej warstwie elementu wytwarzanego po podniesieniu tłoka z materiałem, który ma być rozprowadzany i obniżeniu wcześniej położonej warstwy o grubość drugiej warstwy, skanowaniu powierzchni docelowej za pomocą promienia energetycznego w innym kierunku, stopieniu drugiej warstwy odpowiadającej przekrojowi poprzecznemu elementu wytwarzanego, powtarzaniu kładzenia i stapiania warstwa po warstwie proszku aż do wytworzenia całego elementu.

Ponadto z opisu zgłoszeniowego P.407079 wynalazku pt. „Technologia i linia technologiczna wytwarzania indywidualnie dopasowanych kształtek z polimerów biozgodnych z opcją biodegradowalności” znany jest sposób wytwarzania dopasowanych kształtek z polimerów biozgodnych z opcją biodegradowalności po uprzednim stworzeniu modelu wirtualnego.

Celem niniejszego wynalazku jest stworzenie urządzenia do wytwarzania dedykowanych przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich, w tym dedykowanych przedmiotów trójwymiarowych z materiałów biodegradowalnych, które byłoby tanie w eksploatacji i umożliwiałoby precyzyjne, a jednocześnie szybkie odzwierciedlanie przedmiotów trójwymiarowych będących zarówno prototypami jak i przedmiotami spełniającymi kryteria eksploatacyjne.

Ideą wynalazku jest urządzenie do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich przynajmniej w części topliwych zawierające obudowę główną z umieszczoną w niej komorą roboczą z powierzchnią roboczą usytuowaną nad przestrzenią wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, moduł zasypowy rozprowadzający materiał sypki w obrębie powierzchni roboczej, z co najmniej jednym dozownikiem do dostarczania materiału sypkiego o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego, zgarniaczem z rolką i co najmniej jednym zsypnikiem odbierającym nadmiar materiału sypkiego, układ grzewczy nagrzewający materiał sypki znajdujący się co najmniej w obrębie powierzchni roboczej do temperatury poniżej temperatury topnienia materiału sypkiego, laserową głowicę skanującą kierującą promień lasera podgrzewający materiał sypki znajdujący się pod powierzchnią roboczą w obszarze rozpościerającym się w obrębie przekroju poprzecznego przedmiotu trójwymiarowego i odpowiadającego obrysowi tworzonej warstwy przedmiotu trójwymiarowego do temperatury powyżej temperatury topnienia materiału sypkiego oraz układ zasilający doprowadzający energię i układ sterujący do sterowania i kontrolowania zestawu zasypowego, układu grzewczego, laserowej głowicy skanującej charakteryzujące się tym, że przestrzeń wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, co najmniej jeden dozownik i co najmniej jeden zsypnik odbierający nadmiar materiału sypkiego tworzą moduł zasypowy utworzony z pojemników o zmienialnej objętości i umieszczony wymienialnie na płycie głównej przemieszczalnej na prowadnicach, przy czym środkowy pojemnik ma przestrzeń wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego usytuowaną nad dnem

PL 226 544 B1 przemieszczalnym za pomocą mechanizmu głównego ruchu dna, a jeden z zewnętrznych pojemników jest dozownikiem materiału sypkiego dostarczającym materiał sypki o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego przemieszczanej przez zgarniacz z rolką do przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, przy czym rolka jest napędzana przez kółko osadzone na wałku rolki, które jest sprzęgnięte z elementem cięgnowym nieprzesuwnym względem powierzchni płyty roboczej.

Korzystnie, zgarniaczem jest rolka, której pobocznica u dołu jest usytuowana na poziomie powierzchni roboczej, i która jest osadzona na wałku umieszczonym obrotowo w pomocniczej obudowie przemieszczającej się wzdłuż prostej względem powierzchni roboczej, i obracająca się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu, gdyby obtaczała się ona po powierzchni roboczej, a sprzęgnięcie kółka z wałkiem rolki jest zrealizowane za pomocą kółka zębatego zazębiającego się z paskiem zębatym usytuowanym równolegle do kierunku przemieszczania się obudowy pomocniczej rolki i nieprzesuwającym się podłużnie względem powierzchni roboczej.

Korzystnie, zgarniaczem jest rolka, której pobocznica u dołu jest usytuowana na poziomie powierzchni roboczej, i która jest osadzona na wałku umieszczonym obrotowo w pomocniczej obudowie przemieszczającej się wzdłuż prostej względem powierzchni roboczej, i obracająca się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu, gdyby obtaczała się ona po powierzchni roboczej, a sprzęgnięcie kółka z wałkiem rolki jest zrealizowane za pomocą kółka z linką stykającą się bez poślizgu z kółkiem i usytuowaną równolegle do kierunku przemieszczania się pomocniczej obudowy rolki i nieprzesuwającej się podłużnie względem powierzchni roboczej.

Korzystnie, mechanizm główny ruchu dna środkowego pojemnika zawiera nakrętkę osadzoną nieruchomo względem obudowy urządzenia i śrubę napędową, przemieszczalną wzdłuż swojej osi, współpracującą z nakrętką oraz jednostkę napędową wprawiającą w ruch obrotowy śrubę napędową współpracującą z nakrętką.

Korzystnie, mechanizm główny ruchu dna środkowego pojemnika zawiera podstawę przymocowaną do obudowy urządzenia, głowicę przymocowaną obrotowo do podstawy, sprężynę zewnętrzną o kształcie płaskownika, którego oś podłużna przekroju poprzecznego jest równoległa do osi podłużnej sprężyny zewnętrznej, a oś poprzeczna przekroju poprzecznego jest prostopadła do osi podłużnej sprężyny zewnętrznej, i który jest przymocowany jednym końcem do podstawy a drugim końcem do dna środkowego pojemnik, sprężynę wewnętrzną zwiniętą z płaskownika, którego oś podłużna przekroju poprzecznego jest prostopadła do osi podłużnej sprężyny wewnętrznej, a oś poprzeczna przekroju poprzecznego jest równoległa do osi podłużnej sprężyny wewnętrznej, i który jest przymocowany jednym końcem do podstawy a drugim końcem do dna środkowego pojemnika, przy czym zwoje sprężyny wewnętrznej zazębiają się swoimi występami umieszczonymi na zewnętrznej krawędzi z otworami stykających się zwojów sprężyny zewnętrznej umieszczonych jeden nad drugim i prowadzonych za pomocą prowadnic obrotowej głowicy przy zwiększaniu odległości pomiędzy podstawą a dnem środkowego pojemnika.

Korzystnie, mechanizm główny ruchu dna środkowego pojemnika zawiera podstawę z tunelami, dwa łańcuchy albo paski zębate przymocowane jednymi końcami do dna środkowego pojemnika, umieszczone przemieszczalnie względem ścianek tuneli i sprzęgające się ze sobą, z których co najmniej jeden jest napędzany za pomocą koła zębatego, i co najmniej jedną prowadnicę pionową prowadzącą dwa łańcuchy albo paski zębate sprzęgnięte ze sobą.

Korzystnie, zewnętrzne pojemniki pełniące rolę dozownika naprzemiennie z rolą zsypnika mają przemieszczalne dna, które są przemieszczane za pomocą mechanizmów ruchu den takich jak mechanizm główny ruchu dna środkowego pojemnika.

Korzystnie, laserowa głowica skanująca jest umieszczona na podstawie z wewnętrznymi prowadnicami, względem których laserowa głowica skanująca jest przemieszczalna, których końce są osadzone w dwóch zestawach wózków napędowych i wózków ślizgowych przemieszczalnych względem prostoliniowych prowadnic bocznych usytuowanych względem siebie pod kątem prostym, a laserowa głowica skanująca ma dwa zwierciadła kierunkowe, przy czym na jedno z nich pada promień lasera skierowany przez zwierciadło dodatkowe, umieszczone na jednym z wózków napędowych i wózków ślizgowych.

Korzystnie, laserowa głowica skanująca jest umieszczona na podstawie z wewnętrznymi prowadnicami, względem których laserowa głowica skanująca jest przemieszczalna, których końce są osadzone w dwóch zestawach wózków napędowych i wózków ślizgowych przemieszczalnych względem prostoliniowych prowadnic bocznych usytuowanych względem siebie pod kątem prostym,

PL 226 544 B1 a laserowa głowica skanująca ma zwierciadło kierunkowe, na które pada promień lasera skierowany przez zwierciadło dodatkowe, umieszczone na jednym z wózków napędowych i wózków ślizgowych.

Korzystnie, jednym z elementów układu grzewczego jest, co najmniej jedna lampa podgrzewająca, nagrzewająca powierzchnię górną nowo rozprowadzonej warstwy materiału sypkiego przynajmniej w obrębie powierzchni roboczej do temperatury poniżej temperatury topnienia materiału sypkiego.

Ideą wynalazku jest również sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich przynajmniej w części topliwych za pomocą spiekania lub stapiania promieniem lasera warstwy po warstwie rozprowadzonego materiału sypkiego na uprzednio zestalonej warstwie wytwarzanego przedmiotu trójwymiarowego za pomocą urządzenia zawierającego obudowę główną z umieszczoną w niej komorą roboczą z powierzchnią roboczą usytuowaną nad przestrzenią wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, zestaw zasypowy rozprowadzający materiał sypki w obrębie powierzchni roboczej z co najmniej jednym dozownikiem do dostarczania materiału sypkiego o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego, zgarniaczem i co najmniej jednym zsypnikiem odbierającym nadmiar materiału sypkiego, układ grzewczy nagrzewający materiał sypki znajdujący się co najmniej w obrębie powierzchni roboczej do temperatury poniżej temperatury topnienia materiału sypkiego, laserową głowicę skanującą kierującą promień lasera dogrzewający materiał sypki znajdujący się pod powierzchnią roboczą w obszarze rozpościerającym się w obrębie przekroju poprzecznego przedmiotu trójwymiarowego i odpowiadającego obrysowi tworzonej warstwy przedmiotu trójwymiarowego do temperatury powyżej temperatury topnienia materiału sypkiego oraz układ zasilający doprowadzający energię i układ sterujący do sterowania i kontrolowania zestawu zasypowego, układu grzewczego, laserowej głowicy skanującej charakteryzujący się tym, że do przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego usytuowanej w środkowym pojemniku nad dnem przemieszczalnym za pomocą mechanizmu głównego ruchu dna za pomocą co najmniej jednego dozownika dostarcza się warstwę materiału sypkiego o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego, którą przemieszcza się za pomocą zgarniacza z rolką do przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego i rozprowadza się w postaci warstwy o zadanej grubości w przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, przy czym rolka jest napędzana przez kółko osadzone na wałku rolki, które jest sprzęgnięte z elementem cięgnowym nieprzesuwnym względem powierzchni płyty roboczej, a rozprowadzoną warstwę materiału sypkiego podgrzewa się przynajmniej w obrębie powierzchni roboczej do temperatury poniżej temperatury topnienia materiału sypkiego za pomocą lampy podgrzewającej, a tylko w obszarze rozpościerającym się w obrębie przekroju poprzecznego przedmiotu trójwymiarowego i odpowiadającego obrysowi tworzonej warstwy przedmiotu trójwymiarowego uprzednio podgrzaną warstwę podgrzewa się do temperatury powyżej temperatury topnienia materiału sypkiego laserową głowicą skanującą.

Korzystnie, powierzchnię roboczą warstwy materiału sypkiego nagrzewa się za pomocą lampy podgrzewającej i/albo grzałki umieszczonej w dnie do temperatury nie wyższej niż 55°C, a uprzednio podgrzaną warstwę podgrzewa się za pomocą promienia lasera laserową głowicą skanującą do temperatury w zakresie od 150°C do 180°C.

Korzystnie, powierzchnię roboczą warstwy materiału sypkiego jednego wybranego z piasku, PLA, PLA 2, PS, wosku, nylonu-mix nagrzewa się za pomocą lampy podgrzewającej i/albo grzałki umieszczonej w dnie do temperatury nie wyższej niż 55°C dla piasku, PLA, PLA 2, nie wyższej niż 65°C dla PS, nie wyższej niż 74°C dla wosku i nie wyższej niż 105°C dla nylonu-mix, a uprzednio podgrzaną warstwę podgrzewa się za pomocą promienia lasera laserową głowicą skanującą do temperatury w zakresie od 85°C do 105°C dla piasku, w zakresie od 150°C do 180°C dla PLA, PLA 2, w zakresie od 230°C do 250°C dla PS, w zakresie od 65°C do 75°C dla wosku i w zakresie od 100°C do 120°C dla nylonu-mix.

Korzystnie, materiałem sypkim jest piasek kwarcowy powleczony żywicą furanową o udziale wagowym w materiale sypkim wynoszącym od 0,8% do 5%.

Korzystnie, powierzchnię piasku kwarcowego powleczonego żywicą furanową skanuje się promieniem lasera, z prędkością liniową w zakresie od 300 mm/s do 1200 mm/s, prowadzonego wzdłuż linii w odległości od 0,15 mm do 0,25 mm od wcześniej poprowadzonej linii po tej samej powierzchni.

Korzystnie, materiałem sypkim jest polilaktyd (PLA).

Korzystnie, powierzchnię polilaktydu skanuje się promieniem lasera, z prędkością liniową w zakresie od 600 mm/s do 2000 mm/s, prowadzonego wzdłuż linii w odległości od 0,15 mm do 0,25 mm od wcześniej poprowadzonej linii po tej samej powierzchni.

PL 226 544 B1

Korzystnie, grzałkę dna nagrzewa się do temperatury w zakresie od 45°C do 105°C w zależności od wybranego materiału sypkiego.

Korzystnie, komorę roboczą nagrzewa się do temperatury w zakresie od 35°C do 95°C w zależności od wybranego materiału sypkiego.

Korzystnie, średnica plamki promienia lasera wynosi od 0,1 mm do 1,5 mm.

Korzystnie, wraz z przedmiotem trójwymiarowym wytwarza się w przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego trójwymiarowe elementy dodatkowe.

Korzystnie, w przypadku, gdy dno pierwszego z zewnętrznych zestawów podnosi się o zadaną wartość, to dno drugiego zewnętrznego zestawu pełniącego rolę zsypnika obniża się o wartość równą wartości uprzedniej podniesienia dna dozownika pomniejszonej o wartość zależną od zadanej grubości warstwy, a zestaw pierwszy jest zestawem podającym, pełniącym rolę dozownika, a zestaw drugi jest zestawem odbierającym nadmiar materiału sypkiego pełniącym rolę zsypnika odbierającego nadmiar materiału sypkiego, a role zestawów podających i odbierających są alternatywnie zamienne w zależności od wyjściowego położenia zgarniacza.

Korzystnie, w przypadku gdy dno pierwszego z zewnętrznych zestawów pełniącego rolę dozownika podnosi się o wartość 0,7 mm, to dno drugiego zewnętrznego zestawu pełniącego rolę zsypnika obniża się o wartość 0,6 mm.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schematycznie urządzenie do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich przynajmniej w części topliwych, nazwanych dalej w skrócie materiałami sypkimi, w tym z materiałów biodegradowalnych przynajmniej w części topliwych, a Fig. 2, 3 i 4 przedstawiają wybrane podzespoły urządzenia do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich w szczegółach, Fig. 5 i 6 przedstawiają schematycznie przykładowe rozwiązania mechanizmów przemieszczania dna, Fig. 7 przedstawia schematycznie bieg strumienia światła generowanego przez laser, Fig. 8 przedstawia widok z ukosa na górną powierzchnię płyty głowicy laserowej z podzespołami, Fig. 9 i 10 przedstawiają schematycznie alternatywny bieg strumienia światła generowanego przez laser z głowicą laserową przemieszczaną za pomocą wózków, Fig. 11 i 12 przedstawiają widoki fragmentu płyty roboczej ze zgarniaczem, Fig. 13 przedstawia widok z boku zgarniacza, Fig. 14 przedstawia schemat blokowy układu elektrycznego, i Fig. 15A i 15B przedstawiają schemat blokowy procesu wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich.

Urządzenie do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich przynajmniej w części topliwych, w tym materiałów biodegradowalnych przedstawione w jednym z przykładów wykonania na Fig. 1 zawiera urządzenie 1, do selektywnego spiekania lub stapiania promieniem lasera materiału sypkiego przynajmniej w części topliwego, z obudową 10, w której jest umieszczona komora robocza 20 do selektywnego spiekania lub stapiania promieniem lasera materiału sypkiego, w tym materiału biodegradowalnego przynajmniej w części topliwego, w celu wytworzenia przedmiotów trójwymiarowych 9. Komora robocza 20 umieszczona w obudowie 10 ma powierzchnię roboczą 91 usytuowaną nad przestrzenią wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego. Ponadto wspomniane urządzenie 1 do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych 9 z materiałów sypkich zawiera jednostkę nadzorującą 7 do nadzorowania i sterowania procesem wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich, przykładowo komputer stacjonarny albo laptop z zainstalowanym oprogramowaniem CAD/CAM i interfejsem 3 użytkownika, przykładowo klawiaturą lub ekranem dotykowym do wprowadzania danych i poleceń podczas wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich, i z monitorem 2 do wizualizacji procesu wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych 9 z materiałów sypkich, które są połączone z urządzeniem 1 do selektywnego spiekania lub stapiania promieniem lasera materiału sypkiego za pomocą kabla sieciowego Ethernet 4 lub bezprzewodowo, na przykład za pomocą Wifi. Urządzenie 1 do selektywnego spiekania lub stapiania promieniem lasera materiału sypkiego, monitor 2 i interfejs 3 użytkownika są zasilane ze źródła 5 prądu. Przebieg procesu wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych 9 z materiałów sypkich można obserwować przez wziernik 11 umieszczony w ruchomej przedniej części urządzenia 1 do selektywnego spiekania lub stapiania. Dodatkowo postęp wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych 9 z materiałów sypkich jest przedstawiony na monitorze 2 w dedykowanym oprogramowaniu CAD/CAM na tle trójwymiarowego modelu 95 wytwarzanego przedmiotu.

Fig. 2 przedstawia obudowę 10 urządzenia do selektywnego spiekania lub stapiania promieniem lasera materiału sypkiego, w tym biodegradowalnego, która zawiera stelaż 12 wykonany z kształtowników 13, do którego są mocowane elementy zewnętrzne, takie jak blachy, odejmowalny

PL 226 544 B1 albo uchylny panel przedni z wziernikiem i pokrywy zewnętrzne, elementy wewnętrzne, takie jak płyta 100 głowicy laserowej z podzespołami, moduł zasypowy 201 z płytą roboczą 200 z podzespołami, płyta główna 300 z prowadnicą 301, uszczelnieniem 302, elementami ustalającymi 303 i podzespołami oraz dodatkowe układy i podzespoły, takie jak dodatkowy układ zasilający i sterujący, podzespół generowania promienia lasera i układ dostarczania gazu obojętnego do komory roboczej.

Fig. 3 przedstawia widok z przodu płyty 100 głowicy laserowej z podzespołami i modułu zasypowego z płytą roboczą 200 z podzespołami, względem której przemieszcza się zgarniacz 210. Między płytą 100 głowicy laserowej z podzespołami i płytą roboczą 200 z układem prowadzącym 220, dolną obudową 221 układu prowadzącego 220 i z podzespołami, rozpościera się komora robocza 20, do której przez zawór 136 jest doprowadzany gaz obojętny, przykładowo azot. Komora robocza 20 jest otoczona z boków i od góry prostopadłościenną obudową 135, która od dołu jest zamknięta płytą roboczą 200 przemieszczalną w jednym z przykładów wykonania wraz z modułem zasypowym. Moduł zasypowy zawiera dwa zewnętrzne zestawy 230, 250. Pomiędzy zewnętrznymi zestawami 230, 250 jest usytuowany zestaw główny 240 zawierający przestrzeń 90 wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego. Jak wynika z Fig. 3 i 8 na górnej stronie płyty 100 głowicy laserowej jest umieszczony zespół chłodzący 140 i laserowa głowica skanująca 110, która kieruje strumień światła w zakresie długości fali od 9,3 μm do 10,6 μm, określonego w opisie jako promień 105 lasera, w kierunku na przestrzeń roboczą 260, przykładowo dla PLA i piasku, usytuowaną w module zasypowym z płytą roboczą 200. Do górnej płyty obudowy 135 komory roboczej 20 jest przymocowany uchwyt 120 głównego urządzenia nagrzewającego 130. Uchwyt 120 w jednym z przykładów wykonania ma kształt pudełka otwartego u dołu. Główne urządzenie nagrzewające 130 wchodzi w skład układu grzewczego, które zawiera co najmniej jedną lampę dogrzewającą 131 powierzchnię nowo rozprowadzonej warstwy materiału sypkiego, w tym biodegradowalnego, znajdującego się co najmniej w obrębie powierzchni roboczej 91, do temperatury T_g grzania w jednym przykładzie wykonania poniżej 55°C dla PLA, to jest poniżej temperatury Tt topnienia materiału sypkiego wynoszącej w jednym przykładzie wykonania od 150°C do 180°C, i osłony odblaskowe 132, z elementami regulującymi 133 ich położenie, ogniskujące promieniowanie cieplne lamp dogrzewających 131 na określonej powierzchni, przykładowo promieniowanie w zakresie promieniowania podczerwonego. Wspomniana laserowa głowica skanująca 110 kieruje promień lasera dogrzewający materiał sypki znajdujący się pod powierzchnią roboczą w obszarze rozpościerającym się w obrębie przekroju poprzecznego przedmiotu trójwymiarowego i odpowiadającego obrysowi tworzonej warstwy przedmiotu trójwymiarowego do temperatury powyżej temperatury T_t topnienia materiału sypkiego większej od temperatury T_g grzania o wartość ΔΈ W jednym z przykładów wykonania ΔT wynosi 40°C, a w innym przykładzie wykonania ΔT wynosi 120°C. Oprócz głównego urządzenia nagrzewającego 130 wchodzącego w skład układu grzewczego, do podgrzewania materiału sypkiego znajdującego się w przestrzeni 90 wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, poniżej powierzchni roboczej 91 stosuje się grzejniki umieszczone przykładowo w dnie pojemnika głównego, w którym mieści się przestrzeń 90 wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego. Dodatkowo komora robocza 20 może być podgrzewana za pomocą dodatkowych grzałek, które mogą być umieszczone w ściankach komory roboczej 20 lub w jej wnętrzu. Dla wybranych materiałów dane dotyczące ich podgrzewania zostały przedstawione w postaci tabeli 1.

T a b e l a 1

Materiał	Temp. pow. roboczej [°C]	Temp. grzałki dna [°C]	Temp. komory [°C]	Moc lasera [W]	Prędkość skanowania [mm/s]	Grubość warstwy [mm]
max	min	max	min	max	min	max	min	max	min
Piasek	55	46	55	45	45	35	25	20	1200	300	0,27
PLA	55	46	55	45	45	35	25	20	2000	600	0,06
PLA 2	55	46	55	45	45	35	25	20	2000	600	0,1
PS	65	45	65	45	47	40	25	20	1200	600	0,1
Wosk	74	55	74	55	47	40	25	20	2200	1500	0,085
Nylon-mix	99	90	105	90	95	85	40	20	1500	800	0,1

PL 226 544 B1

W tabeli 1 podano w szczególności dane dla piasku kwarcowego, nazwanego w tabeli 1 piasek, powleczonego żywicą furanową, której udział wagowy wynosi dla jednego z przykładów wykonania 0,8%, a dla innego przykładu wykonania 5%, a dla szczególnego przykładu wykonania 3,5%, stosowanego na formy do odlewnictwa i rdzenie form, dla polilaktydu, nazwanego w tabeli 1 PLA, stosowanego na modele do odlewania metodą wosku traconego, części funkcjonalne o niskiej wytrzymałości i na modele pokazowe, dla polilaktydu, nazwanego w tabeli 1 PLA 2, z domieszką materiału ceramicznego, którego udział wagowy wynosi od 5% do 15%, w szczególności 10%, stosowanego jako materiał biokompatybilny do transplantologii, dla polistyrenu, nazwanego w tabeli 1 PS, stosowanego na modele do odlewania metodą wosku traconego, części funkcjonalne o niskiej wytrzymałości i na modele pokazowe, wosku naturalnego, nazwanego w tabeli 1 wosk, stosowanego na modele do odlewania metodą wosku traconego, nylonu-mix, o używanej obecnie nazwie handlowej Blueprinter™ M-flex, stosowanego na części funkcjonalne o wyższej wytrzymałości i sprężystości. Piasek kwarcowy powleczony żywicą furanową jest przykładem materiału sypkiego częściowo topliwego, którego powłoka wykonana z żywicy furanowej jest topliwa i umożliwia sklejenie drobin piasku kwarcowego ze sobą.

Z kolei na Fig. 4, 11 i 12 jest przedstawiona płyta robocza 200 z podzespołami w przekroju podłużnym, która jest również widoczna na Fig. 3, i która jest usytuowana poniżej płyty 100 głowicy laserowej z podzespołami. Jednym z głównych podzespołów złączonych z płytą roboczą 200 jest zestaw zasypowy 202 rozprowadzający materiał sypki w obrębie powierzchni roboczej z co najmniej jednym dozownikiem do dostarczania materiału sypkiego o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego, którego dno jest podwyższane o wielkość 1,5 mm w jednym z przykładów wykonania i 0,5 mm w innym przykładzie wykonania, a w szczególnym przypadku 0,7 mm, zgarniaczem 210 i co najmniej jednym zsypnikiem odbierającym nadmiar materiału sypkiego którego dno jest obniżane o wielkość 1,2 mm w jednym z przykładów wykonania i 0,4 mm w innym przykładzie wykonania, a w szczególnym przypadku 0,6 mm. Przestrzeń 90 wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, co najmniej jeden dozownik i co najmniej jeden zsypnik odbierający nadmiar materiału sypkiego tworzą moduł zasypowy 201 utworzony z pojemników o zmienialnej objętości, przy czym środkowy pojemnik ma przestrzeń wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego usytuowaną nad dnem przemieszczalnym za pomocą mechanizmu głównego ruchu dna, a jeden z zewnętrznych pojemników jest dozownikiem materiału sypkiego do dostarczania materiału sypkiego o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego przemieszczanej przez zgarniacz do przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego. Dozownikiem materiału sypkiego do dostarczania materiału sypkiego, w zależności od początkowego położenia zgarniacza, może być również drugi z zewnętrznych pojemników. Zgarniaczem 210 jest rolka, której pobocznica u dołu jest usytuowana na poziomie powierzchni roboczej, i która jest osadzona na wałku osadzonym obrotowo w dolnej ob udowie 221 przemieszczającej się wzdłuż prostej względem powierzchni roboczej. Rolka obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu, gdyby obtaczała się ona po powierzchni roboczej, a wałek rolki jest napędzany za pomocą elementu cięgnowego z kółkiem, którym w jednym z przykładów wykonania jest kółko zębate zazębiające się z paskiem zębatym usytuowanym równolegle do kierunku przemieszczania się obudowy pomocniczej 211 rolki i nieprzesuwającym się względem powierzchni roboczej.

Pomocnicza obudowa 211 w przykładzie pokazanym na Fig. 4, 11 i 12 ma kształt ceownika przymocowanego na końcach do obudów dolnych 221 z łożyskami liniowymi 222, przy czym do jednej z obudów dolnych przymocowana jest rama boczna 212. Wcześniej wspomniany zespół zasypowy, do którego jest przymocowana płyta robocza 200 z podzespołami, dostarcza warstwa po warstwie, przykładowo o grubości 0,05 mm, materiał sypki, w tym biodegradowalny, do przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego. W celu uzyskania większej dokładności wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich, w szczególności z materiałów biodegradowalnych, grubość dostarczanych warstw materiału sypkiego w innych przykładach wykonania wynosi 0,04 mm, 0,03 mm, 0,02 mm, a nawet 0,01 mm. Moduł zasypowy 201, w przykładzie wykonania przedstawionym na Fig. 4 i częściowo na Fig. 3, zawiera dwa zewnętrzne zestawy 230, 250 pojemników 231,251 albo cylindrów z przemieszczalnymi względem cylindrów 231,251 dnami 232, 252, które mogą poruszać się ku górze albo ku dołowi, pod wpływem działania mechanizmów 233, 253 przemieszczania dna 232, 252. Pojemniki zewnętrznych zestawów mogą mieć przekrój poprzeczny o kształcie dowolnej figury geometrycznej w szczególności koła, trójkąta albo prostokąta albo kombinacji wymienionych figur. Pomiędzy zewnętrznymi zestawami 230, 250 jest usytuowany zestaw główny 240 zawierający przestrzeń 90 wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego 9 albo elementu dodatkowego 19 mieszczącą się

PL 226 544 B1 w środkowym pojemniku 241 albo głównym, przemieszczalne dno 242 oraz główny mechanizm 243 przemieszczania dna. Mechanizmy 233, 243, 253 przemieszczania den 232, 242, 252 w przykładzie wykonania przedstawionym na Fig. 4 zawierają nakrętkę, odpowiednio 237, 247, 257, osadzoną nieruchomo względem obudowy 10 urządzenia 1 i przemieszczalną wzdłuż swojej osi, śrubę napędową, odpowiednio 235, 245, 255, współpracującą z nakrętką, odpowiednio 237, 247, 257 oraz jednostkę napędową, odpowiednio 236, 246, 256 wprawiającą w ruch obrotowy śrubę napędową, odpowiednio 235, 245, 255, współpracującą z nakrętką, odpowiednio 237, 247, 257. Podczas nakładania nowej warstwy, przemieszczalne dno jednego z pojemników, który pełni rolę dozownika 203 materiału sypkiego do dostarczania materiału sypkiego 8, podnosi się z materiałem sypkim o ustaloną wysokość, przykładowo o 0,12 mm i rolka zgarniacza 210 pokazana szczegółowo na Fig. 13 rozprowadza materiał. Ilość materiału, jaka jest dostarczana jest tak niewielka i zbita, że daje się niewielki naddatek, wynoszący przykładowo 20% objętościowo, żeby zagwarantować równomierne nałożenie nowej warstwy na poprzednią warstwę. W jednym z przykładów wykonania dzięki zastosowaniu dwóch zewnętrznych zestawów 230, 250 pełniących w jednym przypadku rolę zestawów podających, a w innym przypadku zestawów odbierających i usytuowanych po bokach zestawu głównego 240, w przypadku gdy dno jednego z zewnętrznych zestawów, przykładowo zewnętrznego zestawu 230, podnosi się o zadaną wartość, przykładowo o wartość 0,7 mm, to dno pozostałego zewnętrznego zestawu pełniącego rolę zsypnika 205, przykładowo zewnętrznego zestawu 250, obniża się o zadaną wartość, przykładowo o wartość 0,6 mm. W rozwiązaniu przedstawionym w widoku z boku na Fig. 13 zgarniacz przemieszcza się od lewej strony do strony prawej, to po założeniu, że moduł zasypowy na Fig. 4 jest przedstawiony w widoku z tego samego boku, co zgarniacz z Fig. 13, zestaw po lewej stronie figury jest zestawem podającym 230 pełniącym rolę dozownika 203, a zestaw po prawej stronie figury jest zestawem odbierającym 250 nadmiar materiału sypkiego pełniącym rolę zsypnika 205 odbierającego nadmiar materiału sypkiego.

Fig. 5 i 6 przedstawiają przykładowe rozwiązania mechanizmów 343, 443 przemieszczania dna 342, 442 zestawu głównego. Mechanizmy z Fig. 5 i 6 mogą być również zastosowane do przemieszczania den 232, 252 zestawów zewnętrznych. I tak na Fig. 5 jest przedstawiony mechanizm główny 343 ruchu dna środkowego pojemnika, który zawiera podstawę 344 przymocowaną do obudowy 10 urządzenia 1, głowicę 345 przymocowaną obrotowo do podstawy 344, sprężynę zewnętrzną 346 ukształtowaną albo zwiniętą z płaskownika, którego oś podłużna przekroju poprzecznego jest równoległa do osi podłużnej sprężyny zewnętrznej 346, a oś poprzeczna przekroju poprzecznego jest prostopadła do osi podłużnej sprężyny zewnętrznej 346, i który jest przymocowany jednym końcem do podstawy a drugim końcem do dna 342 środkowego pojemnika 241, sprężynę wewnętrzną 341 ukształtowaną albo zwiniętą z płaskownika, którego oś podłużna przekroju poprzecznego jest prostopadła do osi podłużnej sprężyny wewnętrznej 341, a oś poprzeczna przekroju poprzecznego jest prostopadła do osi podłużnej sprężyny wewnętrznej 341, i który jest przymocowany jednym końcem do podstawy a drugim końcem do dna 342 środkowego pojemnika 241. Zwoje sprężyny wewnętrznej 341 zazębiają się swoimi występami 349 umieszczonymi na zewnętrznej krawędzi z otworami 348 stykających się zwojów sprężyny zewnętrznej umieszczonych jeden nad drugim i prowadzonych za pomocą prowadnic 347 obrotowej głowicy 345 przy zwiększaniu odległości pomiędzy podstawą 344 a dnem 342 środkowego pojemnika. Podczas zwiększania odległości pomiędzy podstawą 344 a dnem 342 środkowego pojemnika zwoje sprężyny zewnętrznej tworzą pobocznicę walca a zwoje sprężyny wewnętrznej, oddziałując na zwoje sprężyny zewnętrznej powodują ich wzajemne dociskanie do siebie i usytuowanie w jednakowej odległości od osi podłużnej sprężyny. Z kolei na Fig. 6 jest przedstawiony mechanizm główny 443 przemieszczania dna 442 środkowego pojemnika, który zawiera podstawę 444 z tunelami 445, dwa łańcuchy albo paski zębate 446, 447, przymocowane jednymi końcami do dna 442 środkowego pojemnika 241, umieszczone przemieszczalnie względem ścianek tuneli 445 i sprzęgające się ze sobą, z których co najmniej jeden jest napędzany za pomocą koła zębatego 448, i co najmniej jedną prowadnicę pionową 449 prowadzącą dwa łańcuchy albo paski zębate 446, 447 sprzęgnięte ze sobą. Dzięki mechanizmom przedstawionym na Fig. 5 i 6 jest możliwe wytwarzanie przedmiotów długich, gdyż wysokość mechanizmu w pozycji początkowej jest nawet kilkakrotnie większa od wysokości usytuowania dna w pozycji końcowej.

Zestaw zasypowy wraz z mechanizmami napędów den tworzą moduł zasypowy 201 pokazany na Fig. 2, który jest wymienialnie mocowany na płycie głównej 300 przemieszczalnej na prowadnicach 301 i którego pozycja jest ustalana za pomocą elementów ustalających 303. Dzięki takiemu mocowaniu modułu zasypowego 201 jest możliwa szybka wymiana zamocowanego modułu na moduł

PL 226 544 B1 o innych wymiarach, zwłaszcza wymiarach poprzecznych. W jednym z przykładów wykonania, zwłaszcza wtedy, gdy korpus modułu zasypowego 201 w najprostszej postaci zawiera płytę przednią, płytę tylną i dwie płyty boczne oraz cztery płyty środkowe, moduł zasypowy 201 jest wykonany w wielu wariantach, tworzących zestaw modułów zasypowych 201 dostosowanych do wytwarzania przedmiotów o różnych wymiarach poprzecznych, przykładowo cienkich i długich przedmiotów w odróżnieniu od grubych i krótkich przedmiotów, aby oszczędzić ilość materiału sypkiego dostarczanego do przestrzeni wytwarzania przedmiotu. Po wyborze określonego korpusu modułu zasypowego 201, korpus ustawia się na płycie 300 i ustala się jego pozycję za pomocą elementów ustalających, a od góry do korpusu mocuje się płytę 200.

Fig. 7 przedstawia schematycznie bieg strumienia światła generowanego przez źródło laserowe, określanego w skrócie jako promień 105 lasera, a Fig. 8 przedstawia widok aksonometryczny z ukosa na płytę 100 głowicy laserowej 110 z podzespołami, w tym ze źródłem laserowym 190, soczewką skupiającą 180 i kierunkowymi zwierciadłami 181, 182. Promień 105 lasera, który jest generowany przez źródło laserowe, przechodzi przez rozszerzacz 170 wiązki i jest kierowany na zestaw 150 kierunkowego zwierciadła 151 albo pryzmatu przemieszczania poprzecznego promienia 105 lasera, przemieszczanego za pomocą układu napędowego 152 i na zestaw 160 kierunkowego zwierciadła 161 albo pryzmatu przemieszczania podłużnego promienia 105 lasera, przemieszczanego za pomocą układu napędowego 162. Za pomocą promienia lasera jest skanowany przekrój poprzeczny wytwarzanego przedmiotu 9 przy tworzeniu każdej warstwy 92 wytwarzanego przedmiotu 9. Układ sterujący laserową głowicą skanującą wywołuje taki ruch zwierciadeł, aby promień lasera przemieszczał się wzdłuż określonej linii, na przykład linii prostej równoległej do osi podłużnej przekroju poprzecznego wytwarzanego przedmiotu.

Z kolei Fig. 9 przedstawia inny przykład wykonania laserowej głowicy skanującej 101 z układem przemieszczającym i kierującej promieniem lasera 105 w kierunku na wykonywany przedmiot 9. W tym przykładzie wykonania laserowa głowica skanująca 101 z kierunkowymi zwierciadłami 275, 285 jest umieszczona na podstawie 207 z wewnętrznymi prowadnicami 271,281, względem których laserowa głowica skanująca jest przemieszczalna, których końce są osadzone w dwóch zestawach wózków napędowych 270, 280 i wózków ślizgowych 273, 283 przemieszczalnych względem prostoliniowych prowadnic bocznych 272, 282, usytuowanych względem siebie pod kątem prostym. Promień lasera w tym przykładzie wykonania jest kierowany na jedno z kierunkowych zwierciadeł 275, 285 za pomocą dodatkowego zwierciadła 265, które jest umieszczone na jednym z wózków napędowych 270, 280 i wózków ślizgowych 273, 283, przykładowo na wózku napędowym 273.

Podobne rozwiązanie do rozwiązania z Fig. 9 jest przedstawione na Fig. 10. Różnica w obu rozwiązaniach polega na tym, że laserowa głowica skanująca 101 z układem przemieszczającym i kierującej promieniem lasera 105, przedstawiona na Fig. 10, ma jednokierunkowe zwierciadło 375 i jest umieszczona na podstawie 307 z wewnętrznymi prowadnicami 371,381, względem których laserowa głowica skanująca jest przemieszczalna, których końce są osadzone w dwóch zestawach wózków napędowych 370, 380 i wózków ślizgowych 373, 383 przemieszczalnych względem prostoliniowych prowadnic bocznych 372, 382, usytuowanych względem siebie pod kątem prostym. Promień lasera jest kierowany na kierunkowe zwierciadło 375 za pomocą dodatkowego zwierciadła 365, które jest umieszczone na jednym z wózków napędowych 370, 380 i wózków ślizgowych 373, 383, przykładowo na wózku napędowym 373.

Widok z ukosa przedstawiają również Fig. 11 i 12, z tym, że jest to widok na fragment płyty roboczej 200 ze zgarniaczem 210 pokazanym w widoku z boku na Fig. 13. Zgarniacz 210 posiada obudowę 211 o kształcie ceownika otwartego od dołu i przymocowaną na końcach do dolnych obudów 221 układu prowadzącego 220 z łożyskami liniowymi 222. W ramie bocznej 212 znajdują się otwory 217, w których są umieszczone elementy mocujące 216 łożysk napinających pasek albo linkę zgarniacza 210. Łożyska liniowe 222 są osadzone suwliwie na prowadnicach liniowych 223. Co najmniej do jednej z dolnych obudów 221 od dołu jest przymocowany główny pasek napędzający 225, przykładowo pasek zębaty, który jest naciągnięty za pomocą dolnego kółka napinającego 226 przymocowanego obrotowo na wałku dolnym 227, osadzonym z możliwością przesuwu w rowku podłużnym elementu dolnego płyty roboczej 200. Przemieszczanie się głównego paska napędzającego powoduje przemieszczanie się zgarniacza 210 względem stołu roboczego 204 głównej płyty roboczej 200. Zadaniem zgarniacza 210 jest równomierne rozprowadzanie materiału sypkiego 8 o zadanej grubości, w tym materiału biodegradowalnego, w postaci warstwy na stole roboczym z powierzchnią roboczą 91, która zgodnie z wynalazkiem jest powierzchnią nowo położonej warstwy materiału sypkiego 98. Nowa

PL 226 544 B1 warstwa o grubości g jest rozprowadzana po powierzchni dystrybucyjnej 99, która zgodnie z wynalazkiem jest górną powierzchnią ostatnio stopionej albo spieczonej najwyższej warstwy wytwarzanego przedmiotu. Grubości g nowej warstwy odpowiada wielkość h1, która jest wielkością mierzoną, która odpowiada obniżeniu dna 242 z grzałką 249 pojemnika głównego ograniczonego po bokach ściankami bocznymi 238, 258. Z kolei wielkość h₂ jest wielkością obniżenia dna zsypnika mierzoną w pionie. Zgarniacz 210 zawiera wałek główny 213, na którego co najmniej jednym końcu jest osadzone w jednym z przykładów wykonania, nieobrotowo względem wałka głównego 213, pomocnicze kółko napędzające 215, przykładowo pomocnicze zębate kółko napędzające albo kółko napędzające 295 z powierzchnią roboczą, pokazane na Fig. 12, sprzęgające się przykładowo za pomocą sił tarcia z elementem cięgnowym, przykładowo linką 294, która w celu zwiększenia siły tarcia może opasywać kółko, co najmniej jeden raz. Do pomocniczego kółka napędzającego 215, 295, jest dociskany za pomocą osadzonych obrotowo pomocniczych kółek napinających wspomniany wcześniej, nieprzesuwny względem płyty głównej 200, element cięgnowy 214, 294, przykładowo nieprzemieszczalny pomocniczy pasek zębaty albo linka. Przemieszczanie się zgarniacza 210 względem nieprzemieszczalnego elementu cięgnowego 214 powoduje obrót wałka głównego 213, na którym wewnątrz obudowy 211 jest osadzona rolka zgarniająca 218 wraz z wkładką oczyszczającą 219 zgarniacza 210. W zgarniaczu 210 zastosowano pasywny system obrotu rolki, to znaczy rolka obraca się podczas przemieszczania się ruchem liniowym zgarniacza względem nieprzemieszczalnego pomocniczego paska, a prędkość obrotowa rolki zgarniającej 218 jest uzależniona od prędkości przemieszczania się zgarniacza 210. Takie rozwiązanie napędu rolki zgarniającej 218 jest możliwe dzięki niskiej temperaturze nie przekraczającej 60°C wewnątrz komory głównej, w której jest wytwarzany przedmiot trójwymiarowy 9 albo przedmioty trójwymiarowe z materiałów sypkich 8. Napędy rolki za pomocą elementów cięgnowych nieprzesuwnych względem powierzchni roboczej nie wymagają oddzielnych silników i są lżejsze od napędów z silnikami.

Fig. 14 przedstawia schemat blokowy układu elektrycznego urządzenia do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych 9 z materiałów sypkich 8. W jednym z przykładów wykonania układ elektryczny zawiera jednostkę nadzorującą 510, którą może być jednostka nadzorująca pokazana na Fig. 1 i oznaczona cyfrą 7 do nadzorowania i sterowania procesem wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich, przykładowo komputer stacjonarny albo laptop, który poprzez przełącznik sieciowy 520 komunikuje się i odbiera sygnały z układu 550 sterowania laserową głowicą skanującą i jego podzespołów, z układu sterowania mechanizmu ruchu den i mechanizmu ruchu zgarniacza i z układu 580 kontrolującego nagrzewanie komory oraz z systemów bezpieczeństwa.

Fig. 15A i 15B przedstawiają schemat blokowy kolejnych kroków procesu wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich za pomocą spiekania lub stapiania promieniem lasera warstwy po warstwie rozprowadzonego materiału sypkiego na uprzednio zestalonej warstwie wytwarzanego przedmiotu trójwymiarowego za pomocą urządzenia, które zostało przedstawione w różnych przykładach wykonania na Fig. od 1 do 12. I tak po starcie w kroku 601 i wybraniu w kroku 602 materiału sypkiego, z którego zostanie wykonany przedmiot, w kroku 603 następuje zaimportowanie modelu przedmiotu. Model ten w kroku 604 jest ustawiany wirtualnie w przestrzeni, która jest powiązana z przestrzenią wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego usytuowaną w środkowym pojemniku. W kroku 605 następuje kompilacja, która polega na stworzeniu, na podstawie zaimportowanego modelu, sekwencji instrukcji zawartych w oprogramowaniu i wykonywanych przez urządzenie, a w kroku 606 przyjmuje się bazy dla wszystkich osi. Po otwarciu drzwi albo zdjęciu panelu bocznego w kroku 607, zostaje wysunięty moduł zasypowy w kroku 608, nasypany materiał w kroku 609, wypoziomowany materiał względem zgarniacza w kroku 610, wsunięty moduł zasypowy w kroku 611 i zamknięcie drzwi albo założenie panelu bocznego w kroku 612. W kroku 613 sprawdza się czy urządzenie jest gotowe i w przypadku, gdy urządzenie nie jest gotowe do pracy powraca się do kroku 606. W przypadku, gdy urządzenie jest gotowe do pracy rozpoczyna się wydruk przedmiotu w kroku 614, po którym następuje rozgrzanie urządzenia do zadanej temperatury w kroku 615. Następnie, zgodnie ze sposobem według wynalazku w przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego usytuowanej w środkowym pojemniku nad dnem przemieszczalnym za pomocą mechanizmu głównego ruchu dna, które obniża się w kroku 617 o grubość warstwy przeznaczonej do topnienia materiału sypkiego i za pomocą, co najmniej jednego dozownika dostarcza się warstwę materiału sypkiego o objętości nie mnie jszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego w krok u 616, którą przemieszcza się w kroku 618 za pomocą zgarniacza do przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego i rozprowadza się w postaci warstwy 92 o zadanej grubości w przestrzeni wytwarzania przed miotu

PL 226 544 B1 trójwymiarowego, przy czym zgarniaczem jest rolka, której pobocznica u dołu jest usytuowana na poziomie powierzchni roboczej, i która jest osadzona na wałku umieszczonym obrotowo w pomocniczej obudowie przemieszczającej się wzdłuż prostej względem powierzchni roboczej, i obracająca się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu, gdyby obtaczała się ona po powierzchni roboczej, a wałek rolki jest napędzany, przykładowo za pomocą linki z kółkiem albo koła zębatego zazębiającego się z paskiem zębatym usytuowanym równolegle do kierunku przemieszczania się obudowy pomocniczej rolki i nieprzesuwającym się względem powierzchni roboczej. Następnie w kroku 619 rozprowadzoną warstwę materiału sypkiego podgrzewa się w obrębie powierzchni roboczej do temperatury nie wyższej niż temperatura topnienia materiału sypkiego za pomocą lampy podgrzewającej, a tylko w obszarze rozpościerającym się w obrębie przekroju poprzecznego przedmiotu trójwymiarowego i odpowiadającego obrysowi tworzonej warstwy 92 przedmiotu trójwymiarowego 9, pokazanego na Fig. 7, uprzednio podgrzaną warstwę podgrzewa się w kroku 620 do temperatury powyżej temperatury topnienia materiału sypkiego promieniem lasera kierowanym przez laserową głowicą skanującą. Podgrzewanie przeprowadza się poprzez prowadzenie najpierw promienia lasera po obrysie przekroju przedmiotu wytwarzanego odpowiadającego wytwarzanej warstwie, a następnie prowadzenie promienia lasera wzdłuż linii jedna obok drugiej na całym obszarze przekroju, co przykładowo pokazano na Fig. 7 i co w opisie było określone jako skanowanie. Kroki od 616 do 620 powtarza się sprawdzając w kroku 621 czy zeskanowana warstwa jest warstwą ostatnią. W przypadku, gdy jest to ostatnia warstwa w kroku 622 wyciąga się wykonany przedmiot z urządzenia i w kroku 623 kończy się proces wytwarzania przedmiotu.

Claims (23)

1. Urządzenie do wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich, przynajmniej w części topliwych, zawierające obudowę główną z umieszczoną w niej komorą roboczą z powierzchnią roboczą usytuowaną nad przestrzenią wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, moduł zasypowy rozprowadzający materiał sypki w obrębie powierzchni roboczej z co najmniej jednym dozownikiem do dostarczania materiału sypkiego o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego, zgarniaczem z rolką i co najmniej jednym zsypnikiem odbierającym nadmiar materiału sypkiego, układ grzewczy nagrzewający materiał sypki, znajdujący się co najmniej w obrębie powierzchni roboczej, do temperatury poniżej temperatury topnienia materiału sypkiego, laserową głowicę skanującą, kierującą promień lasera podgrzewający materiał sypki, znajdujący się pod powierzchnią roboczą w obszarze rozpościerającym się w obrębie przekroju poprzecznego przedmiotu trójwymiarowego, odpowiadającego obrysowi tworzonej warstwy przedmiotu trójwymiarowego, do temperatury powyżej temperatury topnienia materiału sypkiego oraz układ zasilający doprowadzający energię i układ sterujący do sterowania i kontrolowania zestawu zasypowego, układu grzewczego oraz laserowej głowicy skanującej, znamienne tym, że przestrzeń (90) wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego (9), co najmniej jeden dozownik i co najmniej jeden zsypnik odbierający nadmiar materiału sypkiego (8) tworzą moduł zasypowy (201), utworzony z pojemników (231, 241, 251) o zmienialnej objętości i umieszczony wymienialnie na płycie głównej (300), przemieszczalnej na prowadnicach (301) względem obudowy, przy czym środkowy pojemnik (241) ma przestrzeń wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego (9) usytuowaną nad dnem (242) przemieszczalnym za pomocą mechanizmu głównego (243) ruchu dna, a jeden z zewnętrznych pojemników (231,251) jest dozownikiem materiału sypkiego dostarczającym materiał sypki o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego przemieszczanej przez zgarniacz (210) z rolką (218) do przestrzeni (90) wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego (9), przy czym rolka (218) jest napędzana przez kółko (215, 295) osadzone na wałku rolki (218), które jest sprzęgnięte z elementem cięgnowym (214, 294), nieprzesuwnym względem powierzchni (200) płyty roboczej.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zgarniaczem (210) jest rolka, której pobocznica u dołu jest usytuowana na poziomie powierzchni roboczej i która jest osadzona na wałku, umieszczonym obrotowo w pomocniczej obudowie (211) przemieszczającej się wzdłuż prostej względem powierzchni roboczej, i obracająca się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu, gdyby obtaczała się po powierzchni roboczej, a sprzęgnięcie kółka z wałkiem

PL 226 544 B1 rolki jest zrealizowane za pomocą kółka zębatego (215), zazębiającego się z paskiem zębatym (214), usytuowanym równolegle do kierunku przemieszczania się obudowy pomocniczej rolki i nieprzesuwającym się podłużnie względem powierzchni roboczej.

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zgarniaczem (210) jest rolka, której pobocznica u dołu jest usytuowana na poziomie powierzchni roboczej i która jest osadzona na wałku umieszczonym obrotowo w pomocniczej obudowie (211) przemieszczającej się wzdłuż prostej względem powierzchni roboczej, i obracająca się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu, gdyby obtaczała się po powierzchni roboczej, a sprzęgnięcie kółka z wałkiem rolki jest zrealizowane za pomocą kółka (295) z linką (294), stykającą się bez poślizgu z kółkiem (295), i usytuowaną równolegle do kierunku przemieszczania się pomocniczej obudowy rolki i nieprzesuwającej się podłużnie względem powierzchni roboczej.

4. Urządzenie według jednego z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienne tym, że mechanizm główny (243) ruchu dna (242) środkowego pojemnika (241) zawiera nakrętkę (247) osadzoną nieruchomo względem obudowy (10) urządzenia (1) i śrubę napędową (245) przemieszczalną wzdłuż swojej osi, współpracującą z nakrętką (247) oraz jednostkę napędową (246), wprawiającą w ruch obrotowy śrubę napędową (245) współpracującą z nakrętką (247).

5. Urządzenie według jednego z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienne tym, że mechanizm główny (343) ruchu dna (342) środkowego pojemnika (241) zawiera podstawę (344) przymocowaną do obudowy (10) urządzenia (1) głowicę (345) przymocowaną obrotowo do podstawy (344), sprężynę zewnętrzną (346) o kształcie płaskownika, którego oś podłużna przekroju poprzecznego jest równoległa do osi podłużnej sprężyny zewnętrznej (346), a oś poprzeczna przekroju poprzecznego jest prostopadła do osi podłużnej sprężyny zewnętrznej (346), i który jest przymocowany jednym końcem do podstawy a drugim końcem do dna (342) środkowego pojemnika (241), sprężynę wewnętrzną (341) zwiniętą z płaskownika, którego oś podłużna przekroju poprzecznego jest prostopadła do osi podłużnej sprężyny wewnętrznej (341), a oś poprzeczna przekroju poprzecznego jest równoległa do osi podłużnej sprężyny wewnętrznej (341), i który jest przymocowany jednym końcem do podstawy a drugim końcem do dna (342) środkowego pojemnika (241), przy czym zwoje sprężyny wewnętrznej (341) zazębiają się swoimi występami (349) umieszczonymi na zewnętrznej krawędzi z otworami (348) stykających się zwojów sprężyny zewnętrznej, umieszczonych jeden nad drugim i prowadzonych za pomocą prowadnic (347) obrotowej głowicy (345), przy zwiększaniu odległości pomiędzy podstawą (344) a dnem (342) środkowego pojemnika (241).

6. Urządzenie według jednego z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienne tym, że mechanizm główny (443) ruchu dna (442) środkowego pojemnika (241) zawiera podstawę (444) z tunelami (445), dwa łańcuchy albo paski zębate (446, 447) przymocowane jednymi końcami do dna (442) środkowego pojemnika (241), umieszczone przemieszczalnie względem ścianek tuneli (445) i sprzęgające się ze sobą, z których co najmniej jeden jest napędzany za pomocą koła zębatego (448), i co najmniej jedną prowadnicę pionową (449) prowadzącą dwa łańcuchy albo paski zębate (446, 447) sprzęgnięte ze sobą.

7. Urządzenie według jednego z zastrzeżeń od 1 do 6, znamienne tym, że zewnętrzne pojemniki (231, 251) pełniące rolę dozownika naprzemiennie z rolą zsypnika mają przemieszcza lne dna, które są przemieszczane za pomocą mechanizmów ruchu den, takich jak mechanizm główny (243, 343, 443) ruchu dna (242, 342, 442) środkowego pojemnika (241).

8. Urządzenie według jednego z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienne tym, że laserowa głowica skanująca (101) jest umieszczona na podstawie (207) z wewnętrznymi prowadnicami (271,

281) , względem których laserowa głowica skanująca (101) jest przemieszczalna, których końce są osadzone w dwóch zestawach wózków napędowych (270, 280) i wózków ślizgowych (273, 283), przemieszczalnych względem prostoliniowych prowadnic bocznych (272,

282) usytuowanych względem siebie pod kątem prostym, a laserowa głowica skanująca (101) ma dwa zwierciadła kierunkowe (275, 285), przy czym na jedno z nich pada promień (105) lasera skierowany przez zwierciadło dodatkowe (265), umieszczone na jednym z wózków napędowych (270, 280) i wózków ślizgowych (273, 283).

9. Urządzenie według jednego z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienne tym, że laserowa głowica skanująca (101) jest umieszczona na podstawie (307) z wewnętrznymi prowadnicami (371, 381), względem których laserowa głowica skanująca (101) jest przemieszczalna, których końce są osadzone w dwóch zestawach wózków napędowych (370, 380) i wózków ślizgoPL 226 544 B1 wych (373, 383), przemieszczalnych względem prostoliniowych prowadnic bocznych (372, 382) usytuowanych względem siebie pod kątem prostym, a laserowa głowica skanująca (101) ma zwierciadło kierunkowe (385), na które pada promień (105) lasera skierowany przez zwierciadło dodatkowe (365), umieszczone na jednym z wózków napędowych (370, 380) i wózków ślizgowych (373, 383).

10. Urządzenie według jednego z zastrzeżeń od 1 do 9, znamienne tym, że jednym z elementów układu grzewczego jest, co najmniej jedna lampa podgrzewająca (131) nagrzewająca powierzchnię górną nowo rozprowadzonej warstwy materiału sypkiego, przynajmniej w obrębie powierzchni roboczej, do temperatury poniżej temperatury topnienia materiału sypkiego.

11. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych z materiałów sypkich, przynajmniej w części topliwych, za pomocą spiekania lub stapiania promieniem lasera warstwy po warstwie rozprowadzonego materiału sypkiego na uprzednio zestalonej warstwie wytwarzanego przedmiotu trójwymiarowego za pomocą urządzenia zawierającego obudowę główną z umieszczoną w niej komorą roboczą z powierzchnią roboczą usytuowaną nad przestrzenią wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, moduł zasypowy rozprowadzający materiał sypki w obrębie powierzchni roboczej, z co najmniej jednym dozownikiem do dostarczania materiału sypkiego o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego, zgarniaczem i co najmniej jednym zsypnikiem odbierającym nadmiar materiału sypkiego, układ grzewczy nagrzewający materiał sypki znajdujący się co najmniej w obrębie powierzchni roboczej do temperatury poniżej temperatury topnienia materiału sypkiego, laserową głowicę skanującą kierującą promień lasera dogrzewający materiał sypki, znajdujący się pod powierzchnią roboczą w obszarze rozpościerającym się w obrębie przekroju poprzecznego przedmiotu trójwymiarowego, odpowiadającego obrysowi tworzonej warstwy przedmiotu trójwymiarowego, do temperatury powyżej temperatury topnienia materiału sypkiego oraz układ zasilający doprowadzający energię i układ sterujący do sterowania i kontrolowania zestawu zasypowego, układu grzewczego oraz laserowej głowicy skanującej, znamienny tym, że do przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego usytuowanej w środkowym pojemniku nad dnem, przemieszczalnym za pomocą mechanizmu głównego ruchu dna, za pomocą co najmniej jednego dozownika dostarcza się warstwę materiału sypkiego o objętości nie mniejszej niż objętość zasypowa warstwy materiału sypkiego, którą przemieszcza się za pomocą zgarniacza z rolką do przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego i rozprowadza się w postaci warstwy o zadanej grubości w przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, przy czym rolka jest napędzana przez kółko osadzone na wałku rolki, które jest sprzęgnięte z elementem cięgnowym nieprzesuwnym względem powierzchni płyty roboczej, a rozprowadzoną warstwę materiału sypkiego podgrzewa się przynajmniej w obrębie powierzchni roboczej do temperatury poniżej temperatury topnienia materiału sypkiego za pomocą lampy podgrzewającej, a tylko w obszarze rozpościerającym się w obrębie przekroju poprzecznego przedmiotu trójwymiarowego i odpowiadającego obrysowi tworzonej warstwy przedmiotu trójwymiarowego uprzednio podgrzaną warstwę podgrzewa się do temperatury powyżej temperatury topnienia materiału sypkiego laserową głowicą skanującą.

12. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 11, znamienny tym, że powierzchnię roboczą warstwy materiału sypkiego nagrzewa się za pomocą lampy podgrzewającej i/albo grzałki umieszczonej w dnie do temperatury nie wyższej niż 55°C, a uprzednio podgrzaną warstwę podgrzewa się za pomocą promienia lasera laserową głowicą skanującą do temperatury w zakresie od 85°C do 180°C.

13. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 11, znamienny tym, że powierzchnię roboczą warstwy materiału sypkiego jednego wybranego z piasku, PLA, PLA 2, PS, wosku, nylonu-mix nagrzewa się za pomocą lampy podgrzewającej i/albo grzałki umieszczonej w dnie do temperatury nie wyższej niż 55°C dla piasku, PLA, PLA 2, nie wyższej niż 65°C dla PS, nie wyższej niż 74°C dla wosku i nie wyższej niż 105°C dla nylonu-mix, a uprzednio podgrzaną warstwę podgrzewa się za pomocą promienia lasera laserową głowicą skanującą do temperatury w zakresie od 85°C do 105°C dla piasku, PLA, PLA 2, w zakresie od 230°C do 250°C dla PS, w zakresie od 65°C do 75°C dla wosku i w zakresie od 100°C do120°C dla nylonu-mix.

PL 226 544 B1

14. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że materiałem sypkim jest piasek kwarcowy powleczony żywicą furanową o udziale wagowym w materiale sypkim wynoszącym od 0,8% do 5%.

15. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 14, znamienny tym, że powierzchnię piasku kwarcowego powleczonego żywicą furanową skanuje się promieniem lasera, z prędkością liniową w zakresie od 300 mm/s do 1200 mm/s, prowadzonego wzdłuż linii w odległości od 0,2 mm do 0,5 mm od wcześniej poprowadzonej linii po tej samej powierzchni.

16. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że materiałem sypkim jest polilaktyd (PLA).

17. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 16, znamienny tym, że powierzchnię polilaktydu skanuje się promieniem lasera, z prędkością liniową w zakresie od 600 mm/s do 2000 mm/s, prowadzonego wzdłuż linii w odległości od 0,15 mm do 0,35 mm od wcześniej poprowadzonej linii po tej samej powierzchni.

18. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według jednego z zastrzeżeń od 11 do 17, znamienny tym, że grzałkę dna nagrzewa się do temperatury w zakresie od 45°C do 105°C w zależności od wybranego materiału sypkiego.

19. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według jednego z zastrzeżeń od 11 do 18, znamienny tym, że komorę roboczą nagrzewa się do temperatury w zakresie od 35°C do 95°C w zależności od wybranego materiału sypkiego.

20. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według jednego z zastrzeżeń od 11 do 19, znamienny tym, że średnica plamki promienia lasera wynosi od 0,1 mm do 1,5 mm.

21. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 11, znamienny tym, że wraz z przedmiotem trójwymiarowym wytwarza się, w przestrzeni wytwarzania przedmiotu trójwymiarowego, trójwymiarowe elementy dodatkowe.

22. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 11, znamienny tym, że w przypadku gdy dno pierwszego z zewnętrznych zestawów podnosi się o zadaną wartość, to dno drugiego zewnętrznego zestawu pełniącego rolę zsypnika obniża się o wartość równą wartości uprzedniej podniesienia dna dozownika pomniejszonej o wartość zależną od zadanej grubości warstwy, a zestaw pierwszy jest zestawem podającym, pełniącym rolę dozownika, a zestaw drugi jest zestawem odbierającym nadmiar materiału sypkiego pełniącym rolę zsypnika odbierającego nadmiar materiału sypkiego, a role zestawów podających i odbierających są alternatywnie zamienne w zależności od wyjściowego położenia zgarniacza.

23. Sposób wytwarzania przedmiotów trójwymiarowych według zastrz. 22, znamienny tym, że w przypadku gdy dno pierwszego z zewnętrznych zestawów pełniącego rolę dozownika podnosi się o wartość od 1,5 mm do 0,5 mm, w szczególności 0,7 mm, to dno drugiego zewnętrznego zestawu pełniącego rolę zsypnika obniża się o wartość od 1,2 mm do 0,4 mm, w szczególności 0,6 mm.