PL244194B1 - Drukarka 3D z płytą środowiska lokalnego i sposób drukowania 3D - Google Patents

Abstract

Drukarka 3D z płytą środowiska lokalnego i sposób drukowania 3D, zwłaszcza polimerów wysokotemperaturowych tj. PEEK, polegający na modelowaniu termoplastycznym materiałem polimerowym w otoczeniu środowiska lokalnego, przy równomiernym nagrzewaniu, do temperatury równej lub wyższej od temperatury spajania specyficznej dla materiału modelującego, całej górnej powierzchni drukowanego przedmiotu przez płytę środowiska lokalnego (8), mogącą emitować gaz osłonowy, podczas gdy temperatura w pozostałej części komory środowiska ogólnego (5) drukarki utrzymywana jest przez moduł kontroli cyrkulacji i temperatury (4) na poziomie temperatury pozwalającym na zachowanie stabilności kształtu modelowanego komponentu, wytwarzając gradient temperatury w atmosferze otoczenia górnych warstw drukowanego przedmiotu, umożliwiając poprawę przyczepności międzywarstwowej i zwiększoną kontrolę nad strukturą krystaliczną, przy czym sposób wytwarzania może obejmować cykle naprzemiennych, dodatkowych operacji o różnych temperaturach środowiska lokalnego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest drukarka 3D (ang. three-dimentional) wyposażona w moduł płyty środowiska lokalnego i sposób drukowania 3D w technologii warstwowego wytwarzania uplastycznionym tworzywem polimerowym FFF/FDM (ang. Fused Filament Fabrication/Fused Deposition Modelling) lub kompozytem o termoplastycznej osnowie polimerowej CFF (ang. Composite Filament Fabrication), będących jednymi z technik wytwarzania przyrostowego (ang. Additive Manufacturing), zwanego też szybkim prototypowaniem (ang. Rapid Prototyping), mające zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu, zwłaszcza w przemyśle środków transportu - np. do wykonywania komponentów o bardzo skomplikowanych kształtach, w przemyśle maszynowym - np. do wytwarzania krótkoseryjnych komponentów specjalnych, w przemyśle paliwowym - np. do szybkiego wytwarzania polimerowych części zamiennych na platformach wiertniczych, a także w medycynie - m.in. do wytwarzania implantów i protez.

Drukowanie 3D (ang. 3D printing) w technologii FFF, zwanej inaczej FDM, polega na warstwowym ekstrudowaniu uplastycznionej kompozycji polimerowej lub kompozytu o termoplastycznej osnowie polimerowej, najczęściej w postaci odwijanego ze szpuli włókna - tzw. filamentu, na podstawie trójwymiarowego modelu cyfrowego, przetworzonego przez specjalistyczne oprogramowanie na warstwy oraz generujące komendy ruchu głowicy drukującej względem platformy roboczej i podawania filamentu. Wytłaczany przez głowicę drukującą materiał polimerowy łączy się z materiałem osadzonym na poprzedniej warstwie i krzepnie po spadku temperatury. W typowych drukarkach 3D materiał osadzany ma postać warstw płaskich ścieżek osadzanych sekwencyjnie na płaszczyźnie płyty roboczej i kolejnych, oddalonych prostopadle od jej płaszczyzny, wydrukowanych warstwach. W drukarkach 3D tego typu są ponadto kontrolowane parametry takie jak: temperatura głowicy uplastyczniającej, temperatura platformy roboczej, temperatura i cyrkulacja w komorze drukarki - zwłaszcza w przypadku drukowania polimerów wysokotemperaturowych z grupy PAEK (polialkilenoetheroketon).

Drukowanie 3D przedmiotów metodami ekstrudowanego filamentu, ze względu na szereg swoich zalet znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu, jednak posiada nieodłączną wadę, która te zastosowania ogranicza - własności wytrzymałościowe tak wydrukowanych elementów są silnie anizotropowe (zależne od kierunku), szczególne w stosunku do osi prostopadłej do płaszczyzny drukowania, w której wytrzymałość na rozciąganie jest zwykle kilkakrotnie gorsza niż w osiach w płaszczyźnie drukowania, czego główną przyczyną jest relatywnie słaba przyczepność międzywarstwowa (interlayer bonding) nanoszonych w procesie drukowania warstw tworzywa polimerowego, co rzutuje na silne pogorszenie własności wytrzymałościowych w złożonych stanach naprężeń wydrukowanych przedmiotów.

W przypadku drukowania 3D polimerów półkrystalicznych kolejnym problemem technicznym jest kontrola rozkładu temperatury w trakcie wytwarzania przedmiotu, szczególnie w zakresie od temperatury topnienia (Tm) do temperatury zeszklenia (Tg), co przez wpływ na stopień i sposób krystalizacji zmienia jego własności wytrzymałościowe i użytkowe. Innym problemem technicznym w drukarkach 3D jest zapewnienie środowiska drukowania w gazach innych niż powietrze otoczenia.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia i sposobu drukowania 3D za jego pomocą, poprawiającego parametry wytrzymałościowe i użytkowe wytworzonych elementów poprzez polepszenie wzajemnego przylegania drukowanych warstw oraz poprawienie kontroli procesu krzepnięcia modelujących tworzyw polimerowych, zwłaszcza wysokotemperaturowych polimerów półkrystalicznych.

Z patentu US62722872B1 (USA) znane jest urządzenie do drukowania trójwymiarowych obiektów w ogrzewanej komorze roboczej przez dozowanie materiału modelującego z głowicy drukującej na podstawę, według wzoru określonego przez sygnały sterujące ze sterownika. Elementy sterowania ruchem urządzenia są umieszczone na zewnątrz ogrzewanej komory i są od niej izolowane termicznie przez odkształcalny izolator termiczny, będący stropem komory roboczej, umożliwiający sterowaniem ruchem głowicy drukującej w płaszczyźnie XY. Izolacja termiczna elementów sterowania ruchem od komory roboczej pozwala na utrzymywanie jej wnętrza w wysokiej temperaturze. W patencie US2004104515A1 (USA), dotyczącym sposobu działania tego urządzenia, opisano zespół składający się z grzałek, wentylatora i kanałów prowadzących na zewnętrznej części komory grzewczej drukarki, który powodując wymuszoną konwekcję ogrzanego powietrza wewnątrz komory termicznej drukarki 3D wpływa na poprawę jakości drukowanych termoplastów, szczególnie o wysokiej temperaturze zeszklenia.

W rozwiązaniu tym przewidziano układ mający na celu wytworzenie atmosfery jednorodnie ogrzanego powietrza w otoczeniu wytwarzanych przedmiotów, bez wytwarzania dodatkowych stref ciepła w poszczególnych nakładanych warstwach, przez co ograniczona jest kontrola nad własnościami wytrzymałościowymi wytwarzanych przedmiotów.

We wniosku patentowym WO2017210490A1 ujawniono metodę mającą poprawiać przyleganie międzywarstwowe przy drukowaniu 3D przez zastosowanie wleczonej rolki dociskającej podany materiał i miejscowe ogrzewanie w pobliżu głowicy drukującej. W jednym z wykonań opisywanego urządzenia głowica drukująca filamentem, przemieszczająca się w płaszczyźnie drukowania, wyposażona jest w dyszę podającą gorące powietrze w bezpośrednim jej pobliżu, tworząc „stopione jeziorko (m elt pool), oraz dyszę chłodzącą po przeciwnej stronie.

We wskazanym i podobnych rozwiązaniach, gdzie dodatkowo ogrzewane jest jedynie strefa w bezpośrednim pobliżu głowicy drukującej, konieczne jest dostarczenie dużej energii cieplnej na małą powierzchnię modelowanego przedmiotu, co może powodować osłabienie własności wytrzymałościowych i użytkowych wydrukowanych przedmiotów na skutek degradacji termicznej polimerów i powstałych naprężeń między warstwami wydruków.

Drukarka 3D z płytą środowiska lokalnego według wynalazku, pokazana schematycznie na Fig. 1, modeluje wytwarzany przyrostowo przedmiot 1 termoplastycznym materiałem polimerowym 2. Komora środowiska ogólnego 5 drukarki 3D może zawierać przyłącze wylotowe gazów 3, które służy do odprowadzania gazów doprowadzanych do płyty środowiska lokalnego lub/i modułu kontroli cyrkulacji i temperatury 4 w jej wnętrzu lub wysysania gazów, wytwarzając podciśnienie w jej wnętrzu. Umieszczona wewnątrz komory środowiska ogólnego 5 głowica drukująca 6, stanowiąca zespół z płytą środowiska lokalnego 8, przemieszcza się względem stołu roboczego 7 wytłaczając materiał modelujący wytwarzany przedmiot. Powierzchnia płyty środowiska lokalnego 8 jest równoległa do płaszczyzny stołu roboczego, odległa od drukowanej warstwy o 0-50 mm i swoją powierzchnią, w każdym położeniu głowicy drukującej względem stołu roboczego w trakcie modelowania wytłaczanym materiałem, pokrywa całkowicie obszar zakresu drukowania.

Termoplastyczny materiał polimerowy podawany jest najczęściej w postaci odwijanego ze szpuli włókna - tzw. filamentu, za pomocą zintegrowanego lub zewnętrznego podajnika zwanego ekstruderem. Zastosowanym materiałem polimerowym może być polimer wypełniony dodatkami, kompozycja polimerów lub kompozyt o osnowie polimerowej wypełniony włóknem ciętym lub ciągłym. Przyłącze wylotowe gazów 3 może służyć do odprowadza gazów z komory środowiska ogólnego 5, które następnie mogą być filtrowane i/lub wyprowadzane w bezpiecznym dla otoczenia środowisku przy czym w zależności od wariantu wykonania drukarki 3D, odprowadzanie gazów i/lub doprowadzanie gazów osłonowych może następować przez wytworzenie podciśnienia w układzie przyłącza wylotowego gazów. Moduł kontroli cyrkulacji i temperatury 4 służy do utrzymywania kontrolowanej temperatury w ogólnym środowisku otoczenia wytwarzanego przedmiotu wewnątrz komory środowiska ogólnego 5, która zwykle jest niższa od temperatury w środowisku lokalnym, wytwarzanym przez płytę środowiska lokalnego 8 w otoczeniu górnych warstw drukowanego przedmiotu. Głowica drukująca składa się najczęściej z podgrzewanej komory uplastyczniającej oraz dyszy drukującej. Zespół głowicy drukującej i płyty środowiska lokalnego może przemieszczać się względem stołu roboczego równolegle do jego płaszczyzny, w dowolnym wykonaniu układu kinematycznego, mogącym być konfiguracją napędów ruchów względnych osi posuwistych i obrotowych. Odległość płyty środowiska lokalnego 8 od powierzchni warstwy drukowanego przedmiotu może być nastawiana na stałe lub sterowana w zastrzeganym zakresie, a rozmiar jej powierzchni jest co najmniej dwa razy większy od zakresu drukowania w każdym jego kierunku w płaszczyźnie stołu roboczego, aby całkowicie pokrywała jego obszar.

W korzystnym wykonaniu wynalazku płyta środowiska lokalnego 8 jest promiennikiem ciepła. W korzystnym wykonaniu płyta środowiska lokalnego 8 posiada pory lub perforacje, przez które emitowany jest gaz osłonowy w kierunku drukowanego przedmiotu. W korzystnym wykonaniu płyta środowiska lokalnego 8 zaopatrzona jest w przewód doprowadzający gaz 9. W korzystnym wykonaniu gaz podawany jest pod ciśnieniem. W korzystnym wykonaniu gaz podawany jest przez wytworzenie podciśnienia wewnątrz komory środowiska ogólnego 5. W korzystnym wykonaniu może posiadać wewnętrzny moduł nadmuchowo-grzewczy 10 sprężający podawany gaz wewnątrz komory środowiska ogólnego 5. W korzystnym wykonaniu podawany gaz jest rozgrzewany na zewnątrz komory środowiska ogólnego 5. W korzystnym wykonaniu może posiadać moduł grzewczy gazu osłonowego 11 wewnątrz komory środowiska ogólnego 5. W korzystnym wykonaniu do płyty środowiska lokalnego 8 może być podawany gaz stanowiący atmosferę otoczenia drukowanego przedmiotu, przez wewnętrzny moduł nadmuchowogrzewczy 10 jednocześnie z gazem osłonowym doprowadzanym przez przewód 9. W korzystnym wykonaniu emitowanym gazem jest osuszone powietrze. W korzystnym wykonaniu emitowanym gazem jest oczyszczone powietrze. W korzystnym wykonaniu emitowanym gazem jest gaz chemicznie obojętny. W korzystnym wykonaniu emitowanym gazem jest gaz chemicznie aktywny. W korzystnym wykonaniu odległość płyty środowiska lokalnego 8 od powierzchni drukowania jest regulowana. W korzystnym wykonaniu materiałem modelującym jest kompozyt polimeru wypełnionego włóknem ciętym lub ciągłym.

Przykład realizacji wykonania drukarki 3D z płytą środowiska lokalnego według wynalazku pokazano schematycznie w częściowym przekroju na Fig. 2A, który zawiera: wytwarzany przyrostowo przedmiot 21, przewód doprowadzający filament polimerowy 22, przyłącze wylotowe gazów 23, moduł kontroli cyrkulacji i temperatury 24, komorę środowiska ogólnego 25, głowicę drukującą 26, stół roboczy 27, płytę środowiska lokalnego 28, elastyczne przyłącze doprowadzające gaz osłonowy 29, ramę drukarki 30, moduł grzewczy gazu osłonowego 31, przewody chłodnicy głowicy drukującej 32, elastyczny izolator termiczny 33, napęd liniowy osi X 34, napęd liniowy osi Y 35, napęd liniowy osi Z 36, płytowy izolator termiczny 37, uszczelniacz płytowego izolatora termicznego 38, mocowanie stołu roboczego 39, system sterowania 40, system filtracji wylotu 41, źródło gazu osłonowego 42 i system chłodzenia głowicy 43.

Schemat na Fig. 2B przedstawia szczegóły konstrukcyjne modułu płyty środowiska lokalnego 28 w zespole z głowicą drukującą 26, według przykładu realizacji wynalazku z Fig. 2A, który zawiera: przewód doprowadzający filament polimerowy 22, elastyczne przyłącze doprowadzające gaz osłonowy 29, moduł grzewczy gazu osłonowego 31, przewody chłodnicy głowicy drukującej 32, podajnik filamentu polimerowego 44, napęd podajnika filamentu polimerowego 45, chłodnicę głowicy drukującej 46, płaszcz chłodnicy głowicy drukującej 47, czujnik temperatury emitowanego gazu osłonowego 48, dyszę drukującą 49, komorę uplastyczniającą głowicy drukującej 50, termowytrzymałą płytę porowatą 51, ceramiczny izolator termiczny 52 i kanał doprowadzający gaz osłonowy 53.

W przykładzie wykonania według niniejszego ujawnienia, zespół głowicy drukującej i płyty środowiska lokalnego przemieszcza się w płaszczyźnie stołu roboczego X, Y, natomiast przemieszczenie w prostopadłej do jego powierzchni osi Z realizowane jest przez zespół stołu roboczego. Układy napędu osi i podajnik filamentu pozostają na zewnątrz komory środowiska ogólnego, a atmosfera jej wnętrza jest oddzielona od atmosfery zewnętrznej przez płytowy izolator termiczny oraz elastyczny, mieszkowy izolator termiczny.

Moduł kontroli cyrkulacji i temperatury pracuje w układzie zamkniętym, gdzie przetłaczane gazy nie przedostają się na zewnątrz komory środowiska ogólnego; składa się z przeciwległych nadmuchów i bloków zasysających wewnątrz komory środowiska ogólnego oraz przyłączonych do nich dmuchaw, wentylatorów i wymienników ciepła na zewnątrz komory środowiska ogólnego.

Drukarka 3D według niniejszego wykonania przystosowana jest do wytwarzania modelowanych przedmiotów w atmosferze środowiska lokalnego gazu osłonowego, np. azotu. Gaz osłonowy doprowadzany jest do zespołu płyty środowiska lokalnego przez elastyczne przyłącze na zewnątrz komory środowiska ogólnego i kanał wewnętrzny. Do wyprowadzania gazów na zewnątrz komory środowiska ogólnego służy przyłącze wylotowe gazów, które może być przyłączone do zewnętrznego systemu filtracji.

Zespół płyty środowiska lokalnego zawiera głowicę drukującą, która składa się z dyszy drukującej, komory uplastyczniającej, chłodnicy głowicy drukującej i płaszcza chłodnicy głowicy drukującej. W przykładowym wykonaniu zimna części głowicy drukującej chłodzona jest cieczą w obiegu zamkniętym, doprowadzaną do głowicy drukującej i odprowadzaną do zewnętrznego systemu chłodzenia głowicy przez elastyczne przewody na zewnątrz komory środowiska ogólnego.

W zespole płyty środowiska lokalnego, poza głowicą drukującą znajduje się moduł grzewczy gazu osłonowego, zamontowany wewnątrz ceramicznego izolatora termicznego, podgrzewający dostarczony wewnętrznym kanałem doprowadzającym gaz osłonowy ze źródła gazu osłonowego, emitowany przez termowytrzymałą płytę porowatą w kierunku powierzchni wytwarzanego przedmiotu.

Parametry procesu drukowania w ujawnionym przykładowo urządzeniu są kontrolowane przez system sterowania, który poza zadawaniem komend ruchów drukowanych ścieżek i podawanego filamentu, kontroluje takie parametry jak: ciśnienie emitowanego gazu osłonowego, temperatura emitowanego gazu osłonowego, temperatura komory środowiska ogólnego, intensywność cyrkulacji w komorze środowiska ogólnego, temperatura grzania komory uplastyczniającej głowicy drukującej, temperatura chłodzenia zimnej części głowicy drukującej, a także czasy operacji w cyklach temperaturowych drukowania. W innych wykonaniach wynalazku mogą być sterowane takie parametry jak temperatura stołu roboczego, wartość podciśnienia wewnątrz komory środowiska ogólnego czy temperatura i intensywność nadmuchu chłodzącego płyty środowiska lokalnego.

Należy rozumieć, że ujawniony przykład realizacji wynalazku w żaden sposób nie ogranicza zakresu ochrony patentowej wynalazku. Specjaliści w tej dziedzinie rozpoznają typowe i znane w stanie techniki komponenty drukarek 3D drukujących termotopliwym filamentem polimerowym, a elementy charakterystyczne dla wynalazku odtworzą bez konieczności wkładu twórczego, stosując oczywiste w stanie techniki modyfikacje w formie i szczegółach, bez odchodzenia od ducha i zakresu niniejszego wynalazku.

Sposób drukowania 3D według wynalazku polega na modelowania termoplastycznymi materiałami polimerowymi, zwłaszcza polimerami wysokotemperaturowymi z grupy PAEK (polialkilenoetheroketon), takimi jak PEEK (polietheroetheroketon).

Temperatury przemian strukturalnych różnych termoplastycznych tworzyw polimerowych mają ścisły związek z ich własnościami mechanicznymi. Przy ich przetwarzaniu główne przemiany zachodzą w temperaturach: zeszklenia (Tg) i topnienia (Tm). W przypadku materiałów półkrystalicznych, takich jak PEEK bardzo istotna jest także przemiana rekrystalizacji, zachodząca w przedziale temperatur zeszklenia (Tg) i topnienia (Tm). Materiały te składają się z faz amorficznych i faz krystalicznych. Przebieg wysokości temperatur i czasu ich ekspozycji, a także środowisko gazowe otoczenia w procesie przetwórstwa tych materiałów ma kluczowy wpływ na sposób i stopień krystalizacji wytwarzanych z nich komponentów, co determinuje ich własności mechaniczne i użytkowe.

W trakcie wytwarzania przedmiotów za pomocą drukarki 3D będącej przedmiotem wynalazku, której dotyczy opisywany sposób, górne warstwy drukowanego przedmiotu 1 są poddane lokalnemu środowisku otoczenia wytworzonemu przez stanowiącą zespół z głowicą drukującą 6 płytę środowiska lokalnego 8, o powierzchni równoległej do płaszczyzny stołu roboczego 7, odległej od drukowanej warstwy o 0-50 mm, która swoją powierzchnią, w każdym położeniu głowicy drukującej względem stołu roboczego w trakcie modelowania wytłaczanym materiałem, całkowicie pokrywa jego kontur, podgrzewając równomiernie całą górną powierzchnię drukowanego przedmiotu do temperatury równej lub wyższej od temperatury spajania specyficznej dla materiału modelującego, podczas gdy temperatura w pozostałej części komory środowiska ogólnego 5 drukarki utrzymywana jest przez moduł kontroli cyrkulacji i temperatury 4 na poziomie temperatury pozwalającym na zachowanie stabilności kształtu modelowanego komponentu, przy czym sposób wytwarzania może obejmować cykle naprzemiennych, dodatkowych operacji o różnych temperaturach środowiska lokalnego, kiedy materiał modelujący nie jest wytłaczany.

Wytworzenie lokalnego, kontrolowanego środowiska w otoczeniu górnych warstw drukowanego komponentu realizowane przez płytę środowiska lokalnego umożliwia podgrzanie całej jego powierzchni kontaktowej w trakcie wytłaczania kolejnych ścieżek polimerowego materiału modelującego, do specyficznej dla niego temperatury spajania, wpływając na, kluczową dla własności mechanicznych modelowanych przedmiotów, poprawę przyczepności międzywarstwowej, podczas gdy temperatura wewnątrz komory środowiska ogólnego jest niższa, co pozwala utrzymać akceptowalną stabilność wymiarową wytwarzanych komponentów. Temperatura pozwalająca na zachowanie stabilności kształtu modelowanego komponentu jest zależna od rodzaju materiału modelującego i jest dobierana przez specjalistę w dziedzinie. Przez „górne warstwy” należy rozumieć ostatnio wytłoczone, najbardziej oddalone od płaszczyzny stołu roboczego warstwy modelowanego przedmiotu, a przez jego „górną powierzchnię”, powierzchnię, na której wytłaczane są kolejne ścieżki materiału modelującego.

W typowych drukarkach 3D z komorą środowiskową, gdzie rozgrzana do temperatury topnienia (Tm) lub wyższej, warstwa polimeru modelującego jest szybko schładzana do temperatury zbliżonej do temperatury zeszklenia (Tg), a także w drukarkach 3D realizujących szybkie cykle termiczne wstępnego nagrzewania i chłodzenia wzdłuż zbliżającej się ścieżki, w drukowanych przedmiotach powstają naprężenia termiczne, a warunki krystalizacji polimerów półkrystalicznych są znacznie ograniczone ze względu na dużą lepkość fazy ciekłej w pobliżu temperatury zeszklenia (Tg), co może negatywnie wpływać na ich własności użytkowe.

Dzięki zastosowaniu płyty środowiska lokalnego w drukarce 3D będącej przedmiotem zastrzeżenia, sterując parametrami temperatury i cyrkulacji w komorze środowiska ogólnego drukarki oraz parametrami temperatury i ciśnienia emitowanych gazów płyty środowiska lokalnego, możliwe jest wytworzenie kontrolowanego gradientu temperatury w górnych warstwach drukowanego komponentu, gdzie kolejne nanoszone jego warstwy są schładzane stopniowo, niwelując naprężenia termiczne i stwarzając korzystne warunki temperaturowe do krystalizacji w polimerach półkrystalicznych tj. PEEK, która następuje najintensywniej w środkowej części zakresu pomiędzy temperaturą zeszklenia (Tg) i temperaturą topnienia (Tm), wytwarzając strukturę fazową o korzystnych własnościach mechanicznych i użytkowych tj. granica plastyczności, moduł sprężystości i wiązkość.

W korzystnym wykonaniu wynalazku cykl wytwarzania obejmuje kolejno: operację wstępnego nagrzewania całej górnej powierzchni drukowanego przedmiotu przez płytę środowiska lokalnego 8 do temperatury równej lub wyższej od temperatury spajania specyficznej dla materiału modelującego;

operację wytłaczania termoplastycznego materiału modelującego wzdłuż ścieżki warstwy drukowanego przedmiotu z jednoczesnym równomiernym podgrzewaniem całej jego górnej powierzchni przez płytę środowiska lokalnego 8; operację aktywnego chłodzenia nowo wytłoczonej, jednej lub kilku warstw, mającą na celu utrzymanie akceptowalnej stabilności wymiarowej modelowanego przedmiotu, przy czym czas cyklu jest większy niż 10 sekund.

W trakcie procesu drukowania do wytwarzanego przedmiotu, znajdującego się w środowisku wewnątrz komory środowiska ogólnego, doprowadzane jest ciepło z materiału modelującego, a także może być doprowadzane przez płytę środowiska lokalnego, w którego atmosferze odbywa się nanoszenie kolejnych warstw druku, co może spowodować utratę jego stabilności wymiarowej. Aby temu zapobiec, operacje drukowania jego warstw mogą być przeplatane operacjami aktywnego chłodzenia przez płytę środowiska lokalnego. Parametry procesu chłodzenia stanowią kompromis pomiędzy akceptowalnym odkształceniem wytwarzanych przedmiotów a prędkością ich drukowania i są dobierane przez specjalistę w dziedzinie. Następująca po operacji chłodzenia i poprzedzająca operację drukowania, operacja wstępnego nagrzewania przez płytę środowiska lokalnego ma na celu doprowadzenie powierzchni wytwarzanego przedmiotu, na którym będą nanoszone kolejne warstwy druku, do specyficznej dla materiału modelującego temperatury spajania. Ponadto, cykle temperaturowe w górnych warstwach modelowanych komponentów umożliwiają wydłużenie czasu ich ekspozycji w korzystnym dla procesu krystalizacji zakresie temperatur pomiędzy temperaturą zeszklenia (Tg) i temperaturą topnienia (Tm), przy akceptowalnej tolerancji ich odkształcenia.

W korzystnym wykonaniu płyta środowiska lokalnego 8 przez pory lub perforacje emituje gaz osłonowy w kierunku drukowanego przedmiotu, wypierając atmosferę komory środowiska ogólnego z górnych warstw drukowanego przedmiotu. Wytworzenie środowiska lokalnego składu gazu w otoczeniu górnych warstw drukowanych komponentów umożliwia zmianę ich własności mechanicznych, wpływając m.in. na przyczepność międzywarstwową i stopień krystalizacji materiału modelującego, a także ich czystość, co ma szczególne znaczenie w przypadku implantów medycznych. Dzięki płycie środowiska lokalnego możliwe jest także aktywne chłodzenie wydrukowanych warstw w atmosferze gazu osłonowego.

W korzystnym wykonaniu emitowany gaz jest rozgrzany do temperatury wyższej niż temperatura w pozostałej części komory środowiska ogólnego 5. Wytworzenie środowiska lokalnego temperatury gazu w otoczeniu górnych warstw drukowanych komponentów umożliwia zmianę ich własności mechanicznych, wpływając m.in. na przyczepność międzywarstwową oraz sposób i stopień krystalizacji materiału modelującego.

Dzięki temu, że powierzchnia płyty środowiska lokalnego pokrywa swoją powierzchnią całkowicie obszar zakresu drukowania, górne warstwy drukowanych przedmiotów są odizolowane od atmosfery środowiska ogólnego w komorze środowiska ogólnego, zarówno w czasie nanoszenia warstw materiału modelującego, jak i w czasie jego aktywnego chłodzenia, warunki jego krzepnięcia mogą być optymalizowane przez specjalistę w dziedzinie.

Intensywność degradacji termicznej polimerów powyżej ich temperatury topnienia odpowiada ogólnym zależnościom temperaturowym prędkości reakcji chemicznych, czyli wpływ wydłużenia czasu jest w przybliżeniu liniowy, natomiast wpływ zwiększenia temperatury jest w przybliżeniu wykładniczy. Zatem wydłużony czas ekspozycji przy mniejszej temperaturze jest zdecydowanie korzystniejszy pod względem degradacji termicznej polimerów. Postępowanie procesu degradacji termicznej jest przy tym szczególnie intensywne w środowisku utleniającym.

W drukarkach 3D gdzie stosuje się miejscowe nagrzewanie powierzchni wytwarzanych z polimerów termoplastycznych przedmiotów podczas drukowania w celu poprawienia przyczepności międzywarstwowej, np. za pomocą lasera czy promiennika podczerwieni, ze względu na konieczność doprowadzenia dużej energii cieplnej w krótkim czasie, wysoka temperatura, której poddawana jest powierzchnia polimeru, może prowadzić do jej degradacji termicznej, powodując uszkodzenia strukturalne a także emisję lotną prowadzącą do mikroporowatości, sprzyjając kruchemu pękaniu i pękaniu zmęczeniowemu, a także pogarszając własności wytrzymałościowe wytworzonych tak przedmiotów.

Dzięki zastosowaniu płyty środowiska lokalnego w drukarce 3D będącej przedmiotem zastrzeżenia, nagrzewanie powierzchni polimerowych materiałów termoplastycznych do specyficznej dla nich temperatury spajania podczas drukowania komponentów, może być przeprowadzane przez cały czasu cyklu wytłaczania warstw wydruku, w kontrolowanej temperaturze, poza zakresem intensywnej degradacji polimeru, nieprzekraczającej temperatury atmosfery emitowanego gazu, wywierając korzystny wpływ na własności mechaniczne i użytkowe wydrukowanych komponentów.

W korzystnym wykonaniu emitowanym gazem jest osuszone powietrze. Wilgoć zawarta w powietrzu stanowiącym otoczenie drukowanego przedmiotu może pogarszać przyczepność między nanoszonymi warstwami materiału polimerowego i powodować powstawanie w nim defektów strukturalnych. Wytworzenie lokalnego środowiska osuszonego powietrza w miejscu drukowania może zatem korzystnie wpływać na własności mechaniczne wytworzonych komponentów.

W korzystnym wykonaniu emitowanym gazem jest oczyszczone powietrze. Przez wytworzenie lokalnego środowiska oczyszczonego powietrza w otoczeniu górnej powierzchni drukowanego przedmiotu, możliwe jest uzyskanie wysokiej czystości chemicznej modelowanych komponentów, co jest szczególnie istotne w ich zastosowaniach medycznych.

W korzystnym wykonaniu emitowanym gazem jest gaz chemicznie obojętny. Zastosowanie gazu chemicznie obojętnego , np. azotu, w środowisku lokalnym otoczenia górnej powierzchni przedmiotów wytwarzanych z półkrystalicznych wysokotemperaturowych tworzyw polimerowych tj. PEEK może znacząco ograniczyć ich degradację termiczną w procesie drukowania, powodowaną przez, wpływającą na pogorszenie kinetyki krystalizacji, dyfuzję tlenu do polimerów, przyczyniając się do poprawy własności mechanicznych modelowanych komponentów. Ponadto atmosfera gazu obojętnego emitowanego przez płytę środowiska lokalnego korzystnie wpływa na czystość dyszy drukującej, mającej skłonność do osadzania utlenionego materiału polimerowego.

W korzystnym wykonaniu emitowanym gazem jest gaz chemicznie aktywny. Zastosowanie gazu chemicznie aktywnego, np. ozonu, w środowisku lokalnym otoczenia górnej powierzchni wytwarzanych przedmiotów, umożliwia chemiczne aktywowanie energetyczne warstwy wierzchniej polimerów przez zwiększenie wartości swobodnej energii powierzchniowej i poprawiając adhezję może być korzystne dla przyczepności międzywarstwowej w procesie drukowania 3D.

Na schemacie blokowym pokazanym na Fig. 3 przedstawiono przykładowy sposób 30 drukowania 3D za pomocą drukarki 3D z płytą środowiska lokalnego, będącej przedmiotem wynalazku, polegający na: operacji 31 wytłaczania materiału modelującego wzdłuż ścieżki pierwszej warstwy modelowanego przedmiotu na powierzchni stołu roboczego; następnie operacji 32 podgrzewania wstępnego całej górnej powierzchni modelowanego przedmiotu w atmosferze środowiska lokalnego; a następnie operacji 33 wytłaczania materiału modelującego wzdłuż ścieżki kolejnej warstwy modelowanego przedmiotu z jednoczesnym podgrzewaniem całej górnej powierzchni w atmosferze środowiska lokalnego, przy czym operacja 33 wykonywana jest cyklicznie aż do całkowitego wydrukowania przedmiotu.

W przykładzie realizacji pokazanym na Fig. 4 pokazano sposób 40 drukowania 3D za pomocą drukarki 3D z płytą środowiska lokalnego, będącej przedmiotem wynalazku, polegający na: operacji 41 wytłaczania materiału modelującego wzdłuż ścieżki pierwszej warstwy modelowanego przedmiotu na powierzchni stołu roboczego; następnie operacji 42 podgrzewania wstępnego całej górnej powierzchni modelowanego przedmiotu w atmosferze środowiska lokalnego; następnie operacji 43 wytłaczania materiału modelującego wzdłuż ścieżki kolejnej warstwy modelowanego przedmiotu z jednoczesnym podgrzewaniem całej górnej powierzchni w atmosferze środowiska lokalnego; a następnie operacji 44 wygrzewania całej górnej powierzchni modelowanego przedmiotu w atmosferze środowiska lokalnego, przy czym operacje 43 i 44 wykonywana są cyklicznie, naprzemiennie aż do całkowitego wytworzenia przedmiotu.

W kolejnym przykładzie realizacji pokazanym na Fig. 5 pokazano sposób 50 drukowania 3D za pomocą drukarki 3D z płytą środowiska lokalnego, będącej przedmiotem wynalazku, polegający na: operacji 51 wytłaczania materiału modelującego wzdłuż ścieżki pierwszej warstwy modelowanego przedmiotu na powierzchni stołu roboczego; następnie operacji 52 podgrzewania wstępnego całej górnej powierzchni modelowanego przedmiotu w atmosferze środowiska lokalnego; następnie operacji 53 wytłaczania materiału modelującego wzdłuż ścieżki kolejnej warstwy modelowanego przedmiotu z jednoczesnym podgrzewaniem całej górnej powierzchni w atmosferze środowiska lokalnego; a następnie operacji 54 chłodzenia całej górnej powierzchni modelowanego przedmiotu w atmosferze środowiska lokalnego, przy czym operacje 52, 53 i 54 wykonywana są cyklicznie, kolejno aż do całkowitego wytworzenia przedmiotu.

W innym przykładzie realizacji pokazanym na Fig. 6 pokazano sposób 60 drukowania 3D za pomocą drukarki 3D z płytą środowiska lokalnego, będącej przedmiotem wynalazku, polegający na: operacji 61 wytłaczania materiału modelującego wzdłuż ścieżki pierwszej warstwy modelowanego przedmiotu w atmosferze gazu osłonowego środowiska lokalnego na powierzchni stołu roboczego; następnie operacji 62 wytłaczania materiału modelującego wzdłuż ścieżki kolejnej warstwy modelowanego przedmiotu w atmosferze gazu osłonowego środowiska lokalnego; a następnie operacji 63 chłodzenia całej górnej powierzchni modelowanego przedmiotu w atmosferze gazu osłonowego środowiska lokalnego, przy czym operacje 62 i 63 wykonywana są cyklicznie, naprzemiennie aż do całkowitego wytworzenia przedmiotu.

Chociaż niniejszy wynalazek został opisany w odniesieniu do korzystnych przykładów wykonania, specjaliści w tej dziedzinie rozpoznają, że można dokonać modyfikacji w formie i szczegółach, bez odchodzenia od ducha i zakresu wynalazku. Należy rozumieć, że przykłady te w żaden sposób nie ograniczają zakresu ochrony patentowej wynalazku.

Claims (24)

1. Drukarka 3D modelująca wytwarzany przyrostowo przedmiot (1) termoplastycznym materiałem polimerowym (2), mogąca zawierać przyłącze wylotowe gazów (3), zawierająca moduł kontroli cyrkulacji i temperatury (4) wewnątrz komory środowiska ogólnego (5), w której głowica drukująca (6) przemieszcza się względem stołu roboczego (7), znamienna tym, że głowica drukująca stanowi zespół z płytą środowiska lokalnego (8) o powierzchni równoległej do płaszczyzny stołu roboczego, odległej od drukowanej warstwy o 0-50 mm, która swoją powierzchnią, w każdym położeniu głowicy drukującej względem stołu roboczego w trakcie modelowania wytłaczanym materiałem, pokrywa całkowicie obszar zakresu drukowania.

2. Drukarka 3D według zastrz. 1, znamienna tym, że płyta środowiska lokalnego (8) jest promiennikiem ciepła.

3. Drukarka 3D według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że płyta środowiska lokalnego (8) posiada pory lub perforacje, przez które emitowany jest gaz osłonowy w kierunku drukowanego przedmiotu.

4. Drukarka 3D według zastrz. 3, znamienna tym, że płyta środowiska lokalnego (8) zaopatrzona jest w przewód doprowadzający gaz (9).

5. Drukarka 3D według zastrz. 4, znamienna tym, że gaz podawany jest pod ciśnieniem.

6. Drukarka 3D według zastrz. 4 albo 5, znamienna tym, że gaz podawany jest przez wytworzenie podciśnienia wewnątrz komory środowiska ogólnego (5).

7. Drukarka 3D według jednego z zastrz. 4-6, znamienna tym, że może posiadać wewnętrzny moduł nadmuchowo-grzewczy (10) sprężający podawany gaz wewnątrz komory środowiska ogólnego (5).

8. Drukarka 3D według zastrz. 4, znamienna tym, że podawany gaz jest rozgrzewany na zewnątrz komory środowiska ogólnego (5).

9. Drukarka 3D według zastrz. 3 albo4, znamienna tym, że może posiadać moduł grzewczy gazu osłonowego (11) wewnątrz komory środowiska ogólnego (5).

10. Drukarka 3D według zastrz. 3, znamienna tym, że do płyty środowiska lokalnego (8) może być podawany gaz stanowiący atmosferę otoczenia drukowanego przedmiotu, przez wewnętrzny moduł nadmuchowo-grzewczy (10) jednocześnie z gazem osłonowym doprowadzanym przez przewód (9).

11. Drukarka 3D według jednego z zastrz. 3-10, znamienna tym, że emitowanym gazem jest osuszone powietrze.

12. Drukarka 3D według jednego z zastrz. 3-11, znamienna tym, że emitowanym gazem jest oczyszczone powietrze.

13. Drukarka 3D według jednego z zastrz. 3-12, znamienna tym, że emitowanym gazem jest gaz chemicznie obojętny.

14. Drukarka 3D według jednego z zastrz. 3-13, znamienna tym, że emitowanym gazem jest gaz chemicznie aktywny.

15. Drukarka 3D według jednego z zastrz. 1-3, znamienna tym, że odległość płyty środowiska lokalnego (8) od powierzchni drukowania jest regulowana.

16. Drukarka 3D według jednego z zastrz. 1-15, znamienna tym, że materiałem modelującym jest kompozyt polimeru wypełnionego włóknem ciętym lub ciągłym.

17. Sposób drukowania 3D polegający na modelowaniu przyrostowym termoplastycznym materiałem polimerowym (2), zwłaszcza polimerów wysokotemperaturowych z grupy PAEK, znamienny tym, że w trakcie wytwarzania górne warstwy drukowanego przedmiotu (1) są poddane lokalnemu środowisku otoczenia wytworzonemu przez stanowiącą zespół z głowicą drukującą (6) płytę środowiska lokalnego (8), o powierzchni równoległej do płaszczyzny stołu roboczego (7), odległej od drukowanej warstwy o 0-50 mm, która swoją powierzchnią, w każdym położeniu głowicy drukującej względem stołu roboczego w trakcie modelowania wytłaczanym materiałem całkowicie pokrywa jego kontur, podgrzewając równomiernie całą górną powierzchnię drukowanego przedmiotu do temperatury równej lub wyższej od temperatury spajania specyficznej dla materiału modelującego, podczas gdy temperatura w pozostałej części komory środowiska ogólnego (5) drukarki utrzymywana jest przez moduł kontroli cyrkulacji i temperatury (4) na poziomie temperatury pozwalającym na zachowanie stabilności kształtu modelowanego komponentu, przy czym sposób wytwarzania może obejmować cykle naprzemiennych, dodatkowych operacji o różnych temperaturach środowiska lokalnego, kiedy materiał modelujący nie jest wytłaczany.

18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że cykl wytwarzania obejmuje kolejno: operację wstępnego nagrzewania całej górnej powierzchni drukowanego przedmiotu przez płytę środowiska lokalnego (8) do temperatury równej lub wyższej od temperatury spajania specyficznej dla materiału modelującego; operację wytłaczania termoplastycznego materiału modelującego wzdłuż ścieżki warstwy drukowanego przedmiotu z jednoczesnym równomiernym podgrzewaniem całej jego górnej powierzchni przez płytę środowiska lokalnego (8); operację aktywnego chłodzenia nowo wytłoczonej, jednej lub kilku warstw, mającą na celu utrzymanie akceptowalnej stabilności wymiarowej modelowanego przedmiotu, przy czym czas cyklu jest większy niż 10 sekund.

19. Sposób według jednego z zastrz. 17-18, znamienny tym, że płyta środowiska lokalnego (8) przez pory lub perforacje emituje gaz osłonowy w kierunku drukowanego przedmiotu, wypierając atmosferę komory środowiska ogólnego z górnych warstw drukowanego przedmiotu.

20. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że emitowany gaz jest rozgrzany do temperatury wyższej niż temperatura w pozostałej części komory środowiska ogólnego (5).

21. Sposób według jednego z zastrz. 19-20, znamienny tym, że emitowanym gazem jest osuszone powietrze.

22. Sposób według jednego z zastrz. 19-21, znamienny tym, że emitowanym gazem jest oczyszczone powietrze.

23. Sposób według jednego z zastrz. 19-22, znamienny tym, że emitowanym gazem jest gaz chemicznie obojętny.

24. Sposób według jednego z zastrz. 19-23, znamienny tym, że emitowanym gazem jest gaz chemicznie aktywny.