RO130498A0 - Procedeu şi imprimantă 3-d de realizare a obiectelor ce conţin reţele de materiale împletite - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o imprimantă 3D pentru realizarea obiectelor care conţin reţele de materiale împletite şi la un procedeu de realizare a acestora, bazat pe depunerea de materiale diferite, cum sunt materialele termoplastice, compozite sau polimeri, în straturi de bază în care vor fi incluse reţele orientate, de tip ţesătură, din fibre de materiale diferite. Imprimanta 3D conform invenţiei este constituită dintr-un motor () care generează o mişcare de translaţie după axa Z, prin intermediul firului (), pentru culisa () stânga şi culisa () dreapta, un motor () care generează o mişcare de translaţie după axa Y, cu ajutorul unei curele () dinţate, pentru suportul () port-duze şi placa () suport, un motor () care generează o mişcare de translaţie după axa X, cu ajutorul şurubului () cu bile, pentru placa () suport, un motor () care generează două mişcări de rotaţie independente, cu ajutorul roţilor () dinţate, pentru masa () rotativă pe care se printează obiectul (), un motor () care generează o mişcare de rotaţie după axa Z, pentru ghidajul (), cu ajutorul roţii () dinţate, o curea () dinţată care transmite o mişcare de rotaţie dependentădupă axa Z, cu ajutorul cuplajului () electromagnetic, roţii () dinţate, axului () şi discului (), şi o culisă () cu mişcarea de translaţie dependentă de rotaţia discului () şi de relaţia r= r+ h/2(sinZalpha) după care acesta este profilat. Procedeul conform invenţiei constă într-o succesiune controlată de faze de depunere adezivă, prin termofuziune, a unor materiale cupunct de topire cuprins între 90 şi 400°C, prin intermediul celor 3 duze (), a unor straturi de material intercalate, cu grosimi g < 1 mm, sub formă plină, sub formă de minicilindri sau subformă de curbe sinusoidale intercalate între minicilindri, fazele de depunere repetându-se în aceeaşi ordine până se obţine înălţimea dorită a obiectului care urmează a fi realizat.

Description

Prezenta invenție se referă la un procedeu și imprimantă 3-D de realizare a obiectelor ce conțin rețele de materiale împletite bazat pe depunerea de materiale cu proprietăți diferite cum ar fi materialele termoplastice (ABS, HDPE, PLA, PVA), polimeri sau compozite, în straturi de bază în care vor fi incluse rețele orientate, de tip țesătură, din fibre de materiale diferite. Procedeul va fi realizat pe o imprimantă 3-D cu cap de printare (cap port- duze), cu trei duze care are în structura lui un mecanism de generare a unor curbe ciclice. Metoda printarii 3-D a unor obiecte prin depunere aditivă de material în straturi a fost prezentată prima dată de S. Crump în 1989 în brevetul US.Nr.5121329, care inițial presupunea costuri mărite de implementare. Ca o tehnologie concurentă printării 3-D poate fi amintită sterolitografierea propusă de C.W. Huli conform brevetului US. Nr. 4575330. Datorită creșterii performanțelor acționărilor si sistemelor de comandă si control utilizate in construcția imprimantelor 3-D s-a mărit performanța și fiabilitatea acestora. O importanță deosebită se acordă mării productivității imprimantelor 3-D, astfel în literatura de specialitate sunt propuse mai multe soluții tehnice în acest sens. O astfel de soluție este prezentată de N. D. Schumacher conform brevetului US. 8827684 în care se face referire la mărirea producțivității unei imprimate prin dezvoltarea unor capete de printare cu duze multiple care depun simultan materialul termoplastic aflat sub formă de filamente (fire) ce sunt stocate sub formă de bobine. Filamentul este antrenat, de un motor pas cu pas, prin intermediul unui extruder intr-o duză încălzită unde are loc topirea controlată a materialului după care acesta este evacuat prin duza de printare peste stratul depus anterior, conform softului de conducere a procesului.

Scopul invenției este realizarea unui procedeu prin depunerea de material în straturi, care să permită obținerea de obiecte ce vor conține rețele orientate de fibre împletite, dobândind astfel proprietăți mecano-fizice dorite cum ar fi de exemplu un anumit coeficient de elasticitate sau de amortizare după o anumită direcție. Un alt scop al invenției este reducerea numărului de motoare de acționare prin folosirea mișcării principale de translație a capului de printare pentru poziționarea duzei 40 (cea care depune material sub formă de fire împletite) prin intermediul unui mecanism de generare de curbe ciclice. Deasemenea un alt scop al invenței este realizarea depunerii de material sub formă de fire

ίΆ- 2 Ο 1 5 Ο Ο ' ; 5 - ^{2 6} -02- 2ΟΒ care să reprezinte curbe ciclice a căror parametri caracteristici (amplitudinea și perioada) să poată fi modificați în corelație cu proprietățile impuse obiectului realizat.

Problema pe care o rezolvă invenția este aceea de a realiza un procedeu și o imprimantă 3-D care să permită obținerea de obiecte prin depunerea adezivă în straturi a diferitelor materiale ce au punct de topire intre 90° C și 400°_C și în a căror structură se pot însera rețele de tip țesătură orientată cu parametri ce pot fi modificați în mod controlat.

Invenția prezintă următoarele avantaje: -posibilitatea obținerii de obiecte a căror structură internă poate fi realizată astfel încât să corespundă anumitor solicitări externe; folosirea unui mecanism reglabil pentru poziționarea duzei de printare a firelor curbe cilice, la care antrenarea se realizează prin cuplare la transmisia prin cureua dințată ce realizează mișcarea de translație în plan orizontal a capului port-duze de printare.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției “Procedeu și imprimantă 3-D de realizare a obiectelor ce conțin rețele de materiale împletite ” în legătură cu care figurile 1,2,3,4,5,6 prezintă,:

Fig.l- Vedere de ansamblu al instalației ;

Fig.2 - Secțiuni privind capul port-duze;

Fig.3 - Vedere frontală a două discuri interschimbabile profilate sinusoidal.

Fig.4 - Vederi în perspectivă a capului port-duze când se generează două curbe ciclice de amplitudini diferite

Fig.5 - Schemă privind succesiunea fazelor de printare a uni strat complet

Fig.6 - Schemă privind realizarea orientării diferite a țesăturii de fire din două straturi

Imprimantă 3-D are posibilitatea de a face cinci mișcări principale independente ( trei translații după axele X, Y, Z ; și două rotații după axa Z) și o mișcare de rotație și una de translație cuplate cu mișcarea de translație după axa Y ce antrenează mecanismul de generare a curbelor ciclice.

în corelație cu figura 1 se pot explicita notațiile făcute astfel: elementele de ghidare pe veriticală 1 a capului port-duze; motorul pas cu pas 2 care deplasează după direcția X masa rotativă port-obiect; roata de curea dințată 3 care este lăgăruită în culisa stânga 4 pentru deplasarea pe verticală ; cureaua dințată 5 care antrenează capul port-duze după direcția Y;

elementele 6 de ghidare pe orizontală

după direcția Y a capului port-duze; firul 7 ce î 5 -02- 2015 antrenează deplasarea pe verticală a capului port-duze; amprenta de material 8 lăsată de duza 9; suportul 10 pe care este amplasat extruderul 11 antrenat de motorul pas cu pas 12; suportul port-rolă stânga 13 pentru ghidarea firului 7; amprenta 14 lăsată de duza 15, filamentul 16 din material folosit la printarea stratului de bază ; extruderul 17 prin care trece filamentul 20 din material folosit pentru realizarea structurii verticale a țesăturii, acesta fiind antrenat de motorul pas cu pas 19 ; suportul 18 pe care este amplasat extruderul 17; roata de curea dințată 21 care antrenează mecanismul de generare a curbelor ciclice (sinusoide); motorul pas cu pas 22 care prin pinionul de pe ax antrenează roata dințată 24 prin care se poate modifica în timpul printării amplitudinea curbelor ciclice; motorul pas cu pas 23 pe axul căruia se înfășoară în sensuri opuse cele două fire prin care se tractează pe verticală capul port-duze; axul 25 pe care este montat discul profilat sinusoidal; piulița 26 care fixează discul profilat sinusoidal pe axul 25 ; rola 27 de ghidare a firului 7 care este lăgăruită în suportul 28 formând un subansamblu identic cu 13; motor pas cu pas 28 pe axul căruia este montată o roată de curea dințată 31 identică cu roata 3, folosit la antrenarea pe direcția Y a capului port-duze și a mecanismului de generare a curbelor ciclice; culisa dreapta 30 pentru deplasarea pe verticală, pe care este fixat motorul 28 ; filamentul 32 din material folosit la printarea firului sub formă de curbe ciclice; discul profilat frontal cu un canal sinusoidal 33 ce face parte din mecanismul de generare a curbelor ciclice; rola 34 lăgăruită pe un ax fixat în culisa 39 ce execută o mișcare rectilinie alternantă pe care este fixat suportul 37 ce susține motorul pas cu pas 35 ce antrenează filamentul 32 prin extruderul 36 determinând trecerea acestuia prin camera de topire aferentă duzei de printare 40 ; culisa 39 alunecă dealungul elementului de ghidare 38 ; amprenta de material 41 lăsată de duza 40 ; elementul 42 de care sunt fixate cele două capete ale curelei dințate 5 acesta fiind rigidizat de suportul (culisa) 43 ce se poate deplasa liniar pe cele două ghidaje paralele 6, această placă suport are rolul de susținere a întregului cap port-duze și a mecanismului de generare de curbe ; 44 una din cele două ramuri libere ale curelei dințate ce sunt fixate în elementul 42 și care nu angrenează cu roata dințată 21; cuplajul electromagnetic comandat 45 ce cuplează sau decuplează roata 21 cu axul 25 ce antrenează mecanismului de generare de curbe; obiectul realizat 46 amplasat pe platoul rotativ 47 ce poate să se rotească cu unghiul Θ ; placa suport 48 pe care sunt fixate cele patru ghidaje verticale 1 și cele două ghidaje orizontale 50 pe care poate culisa placa suport 51 cu ajutorul șurubului cu bile 49 antrenat de motorul pas cu pas 2; motorul pas cu pas 52 antrenează

- 2 Ο 1 5 Ο D ί . ' 5 - ^{2 6} -02- 2015 prin intermediul roților dințate 53 și 54 în mișcare de rotație platoul rotativ 47 ce este lăgăruit pe axul 56 ; Sx,S_Y,S_z,și S₀ sunt senzori de poziție pentru mișcările principale de translație după direcțiile Χ,Υ,Ζ respectiv mișcarea de rotație după axa Z. Senzorii de temperatură din cele trei duze de printare precum și senzorii de poziție pentru elementul de ghidare 38 și culisa 39 ce ajută la determinarea poziției duzei de printare 40 , nu sunt poziționați in figura 1.

în figura 2 sunt prezentate următoarele vederi: - o secțiune prin capul port-duze (figura 2.a) cuprinsă într-un plan vertical perpendicular pe direcția Y în care se pune în evidență modul de lăgăruire cu ajutorul unor rulmenți radial -axiali cu bile 57, a axului 25 și a elementului de ghidare 38 în suportul (culisă) 43. Deasemenea este prezentat sintetic modul de ansamblare prin caneluri a discului profilat 33 pe axul 25 și cel de antrenare a mecanismului de generare a curbelor ciclice, de către cureaua dințată 5 prin intermediul roții de curea 44 cuplată sau nu la axul 25 prin intermediul cuplajului electro-magnetic 45; - o secțiune prin capul port-duze ( figura 2,b) cuprinsă într-un plan vertical în care se află și axa Y din care reiese poziționarea motorului 22 prin care se modifică direcția de alunecare a culisei 39 și o secțiune prin extruderul 36 care ghidează filamentul de material de lucru către duza încălzită 40; - o secțiune în plan vertical perpendicular pe direcția ghidajului 38 prin care sunt puse în evidență elementele intermediare ( ghidaje liniare cu ace) între culisa 39 pe ghidajul 38, și lăgăruirea rolei cilindrice pe axul 34 , rolă care intră și interacționează cu canalul profilat de pe discul 33 ; - o secțiune cuprinsă in plan orizontal perpendicular pe axul 25 din care reiese amplasarea motoarelor pas cu pas 12, 22, 35 ce antrenează filamentele de material și a sistemului de blocare 58, comandat electric, a roții dințate 24 și implicit a ghidajului 38.

în figura 3 este prezentată sintetic forma discului în care este profilat un canal sinusoidal.

Astfel, în figura 3.a se prezintă duze din care se extrage discul h

după legea r₂ = r_m +— sinZ_ta un detaliu din imprimanta 3-D în care apare capul port profilat 33. Acest disc (figura 3.b ) este profilat frontal care reprezintă o sinusoidă circulară unde sunt făcute notațiile : r₂ -raza curentă de profilare, r_m- raza cercului median, h- amplitudinea sinusoidei, Zi - numărul de perioade ale sinusoidei, astfel acest disc are Zi =4, iar discul din figura 3.c, are Zi =2. Din studiul mecanismului de generare a traiectoriei ciclice (sinusoidală) a duzei 40 se poate trage concluzia că numărul de curse duble a acesteia, la o

(V 2 o 1 5 O C · ’ 5 ^{2 6} -02- 2015 rotație de 360° a discului , este egală cu Z_x . Pentru a avea posibilitatea realizării unor curbe ciclice cu perioade diferite este nevoie să fie realizate mai multe discuri ce vor fi profilate cu un număr Z_x de perioade diferite de la un disc la altul. Alegerea discului se va face în funcție de densitatea țesăturii care se dorește a fi incorporată în structura obiectului creat. Profilul canalului sinusoidal în secțiune va fi unul dreptunghiular conjugat cu profilul rolei 34.

în figura 4 estre prezentat capul port duze in două situații distincte astfel: - cazul în care mecanismul de generat curbe ciclice permite printarea unui fir de material sub formă de sinusoidă cu amplitudinea h și Zi=4 perioade la o rotație de 360° a discului 33 (fig. 4 a), amprenta de material depus este prezentată în planul vertical ca urmare a două rabateri succesive cu 90° după axa Y si axa X ; - cazul în care cu ajutorului motorului 22 se rotește ghidajul 38 cu unghiul β după care se rigidizează de suportul 43 cu ajutorul blocatorului electromagnetic 58, depunerea de material se face sub forma unei sinusoide cu amplitudinea h^f mai mică decât amplitudinea h din cazul anterior (h^f=hcose) și Zi=4 perioade la o rotație a discului. în figura 5 sunt prezentate schematic succesiunea fazelor active de depunere de material de către cele trei duze 5, 15 și 40, astfel: - în faza A se depune prin termofuziune un strat complet de material cu grosime g < lmm , cu ajutorul duzei 5 rezultând stratul Al; - în faza B se depune peste stratul Al, prin termofuziune cu ajutorul duzei 15, intr-un număr finit de puncte material sub formă de minicilindri de diametru d< lmm și înălțime K unde ( 2g+0.3) [ mm ] < k>2g[mm] rezultând stratul Bl; - în faza C se depune material prin termofuziune cu ajutorul duzei 40 sub formă de curbe sinusoidale intercalate, ca o țesătură, printre minicilindrii depuși în faza B, când capul port- duze se deplasează într-un sens convențional de la ( +) la (-) pe axa Y, rezultând stratul 5 ; - în faza D se depune material prin termofuziune cu ajutorul duzei 5 înt-un strat de material cu grosime g < lmm și un număr de goluri egal cu numărul de minicilindri depuși în faza B , goluri ce au diametrul egal cu cel al minicilindrilor ,rezultând stratul Dl ; în faza E se depune cu ajutorul duzei 15 prin termofuziune material sub formă de minicilindri peste cei depuși în faza B, rezultând stratul El; în faza F se depune material prin termofuziune peste stratul El, cu ajutorul duzei 40, sub formă de curbe sinusoidale intercalate, ca o țesătură, printre minicilindrii depuși în faza E, când capul port- duze se deplasează într-un sens convențional de la( -) la (+) pe axa Y, rezultând stratul FI; în faza G se depune material prin termofuziune cu ajutorul duzei 15 înt-un strat de material cu grosime g < lmm și un

tț‘ 2 0 1 5 0 C ί ' ~j - - Γ ^{2 6} -02- 2015 număr de goluri egal cu numărul de minicilindri depuși în faza E , goluri ce au diametrul egal cu cel al minicilindrilor,rezultând stratul Gl. în continuare se repetă fazele în succesiunea B, C, D, E, F , G până când se obine înățimea cerută de obiectul ce urmează a fi realizat, cu mențiunea că ultimul strat va fi un strat A. în figura 6 se prezintă modul în care se poate realiza un obiect la care se cere ca rețelele de fibre să aibă orientări diferite de la un strat la altul. în figura 6. a se prezentat platoul rotativ 47 pe care se depune material în straturi a căror structură de fibre împletite poate fi orientată diferit prin indexarea paltoului rotativ cu unghiul Θ cu ajutorul motorului pas cu pas 52. în figura 6. b se prezintă schematic modul de obținere a unui corp format din două straturi cu rețele de fibre orientate relativ între ele cu unghiul Θ.

Claims (7)

1. Realizarea de produse prin depunere în straturi multiple prin termofuziune a unor materiale termoplastice sau compozite ce vor avea în structura internă rețele de fibre dispuse sub formă de țesătură cu o anumită densitate și o anumită direcție, care pot fi modificate de la un produs la altul, crescând performanțele mecano-fizice ale acestora, comparativ cu situația actuală în care depunerea se face în straturi omogene , este posibilă utilizînd o imprimantă 3-D care execută: a) trei mișcări de translație independente astfel, translație după axa Z generată de motorul pas cu pas 23 prin intermediul firului 7, pentru culisa stânga 4 și culisa dreapta 30; translație după axa Ygenerată de motorul pas cu pas 29 cu ajutorul curelei dințate 5, pentru suportul port-duze 44 și placa suport 51; translație după axa X generată de motorul pas cu pas 2 cu ajutorul șurubului cu bile 49, pentru placa suport 51; b) două mișcări de rotație independente astfel, rotație după axa Z generată de motorul pas cu pas 52 cu ajutorul roților dințate 53 și 54 ,pentru masa rotativă 47 pe care se printează obiectul 46; rotație după axa Z generată de motorul pas cu pas 22, pentru ghidajul 38 cu ajutorul roații dințate 24; c) o mișcare de rotație dependentă după axa Z generată de transmisia prin cureaua dințată 5, cuplajul electro-magnetic 45, pentru roata dințată 21 , axul 25 și discul 33 ; d) o mișcare de translația dependentă a culisi 39, de rotația discului 33 și de relația r₂ = r_m +— sinZ,a după care acesta este profilat.

2. Pe suportul port-duze 43, conform revendicării 1, sunt montate duzele fixe 9, 15 și duză mobilă 40 cu camere de topire a materialului aflat sub formă de filamente 16, 20 și 32 ce trec prin extruderele acționate de motoare pas cu pas 12,19 și 35.

3. Pe suportul port-duze 43, conform revendicării 1, este montat un mecanism ce poate fi cuplat sau decuplat, cu ajutorul unui cuplajului electro-magnetic 45, la transmisia cu curea dințată 21, acesta generând curbe ciclice ce definesc caracteristicile rețelelor de fibre țesute.

4. Amplitudinea curbelor ciclice, conform revendicării 3, poate fi modificată prin schimbarea direcției ghidajului 38 pe care se află duza ce depune acest tip fibre, cu ajutorul motorului pas cu pas 22 , urmând ca ghidajul aflat pe noua direcție să fie rigidizat de suportul port-duze 43 cu ajutorul sistemului de blocare 58 și a roții dințate 24 care ete solidar legată de ghidaj, pe durata printării acestora.

2 Ο 1 5 O C ι ^{2 6} -02- 2015

5. Perioada curbelor ciclice, conform revendicării 3, poate fi modificată prin montarea unui alt disc 33 profilat frontal ce va avea un alt număr de perioade Zi.

6. Schimbarea orientării rețelelor de fibre în țesătură, conform revendicării 1, se poate realize cu ajutorul motorului pas cu pas 52, prin rotirea controlată a mesei rotative 47 pe care se printează obiectul 46.

7. Realizarea straturilor de material, conform revendicării 1, în care sunt incluse rețele de fibre sub formă de țesătură, presupune parcurgera fazelor de depunere a materialului în succesiunea A,B, C, D, E, F, G, după care se repetă fazele în succesiunea B, C, D, E, F, G , de câte ori este necesar pentru realizarea unei înălțimi la care după adăugarea ultimului strat depus prin parcurgerea fazelor B, C, D, E, F , G, A , se va obține forma finală a obiectului.