RU2785968C2

RU2785968C2 - Additive production by means of selective liquid cooling

Info

Publication number: RU2785968C2
Application number: RU2020107486A
Authority: RU
Inventors: Дэйви ВЭДДЕР
Original assignee: Эвапко, Инк.
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2022-12-15

Abstract

FIELD: additive production.

SUBSTANCE: invention relates to the field of additive production of products. A layer of liquid thermoplastic material is heated in a model tray having a base, where a matrix of heat-exchanging elements is contained or is in contact, while each of heat-exchanging elements is made with the possibility of independent heating or cooling of the corresponding area of the model tray. A cooled plate is placed on the surface of liquid thermoplastic material to create a liquid interface between the matrix of heat-exchanging elements and the plate. The matrix of heat-exchanging elements cools areas of the model tray, corresponding to a place of production of a product, wherein liquid thermoplastic material is cooled and cured in selected areas to form the first layer of the product. The matrix of heat-exchanging elements sufficiently melts a thin layer of cooled and cured thermoplastic material, which allows its extraction from the model tray, when the plate is lifted. The model tray is refilled with a new layer of liquid thermoplastic material. The plate is lowered together with the first layer of the product in such a way that a lower surface of the first layer of the product is in contact with the new layer of liquid thermoplastic material. Stages are repeated until the final product is obtained.

EFFECT: increase in detailing, when creating products by means of additive production.

5 cl, 11 dwg

Description

[0001] Область техники настоящего изобретения [0001] Field of the present invention

[0002] Настоящее изобретение относится к способам аддитивного производства.[0002] The present invention relates to additive manufacturing methods.

[0003] Уровень техники настоящего изобретения [0003] Background of the present invention

[0004] Хорошо известно, что является затруднительным аддитивное производство с высокой скоростью и высоким разрешением с применением разработанных термопластических материалов. Аддитивное производство методом моделирования наплавлением (FDM) проложило свой путь в промышленное производство с применением разработанных полимеров, но страдает от низких скоростей для деталей высокого разрешения. Машины FDM, которые могут печатать значительно быстрее с применением более крупных экструзионных головок, улучшили решение проблемы скорости, но страдают вследствие деталей низкого разрешения. Аддитивное производство методом цифровой оптической обработки (DLP) с применением светоотверждаемых полимеров продемонстрировало значительные перспективы увеличения скорости производства с высоким разрешением, но страдает от чрезмерно высокой стоимости полимеров для промышленного производства, причем эти полимеры могут разлагаться под действием света. Во всех существующих технологиях аддитивного производства для полимеризации жидкости вводят энергию с применением лазеров, излучения, света и т. д. [0004] It is well known that high-speed, high-resolution additive manufacturing using developed thermoplastic materials is difficult. Fused deposition modeling (FDM) additive manufacturing has made its way into industrial manufacturing using engineered polymers, but suffers from slow speeds for high-resolution parts. FDM machines, which can print significantly faster with larger die heads, have improved the solution to the speed problem, but suffer from low resolution detail. Digital Optical Processing (DLP) additive manufacturing using light-cured polymers has shown significant promise for increasing the speed of high-resolution production, but suffers from the prohibitive cost of polymers for industrial production, and these polymers can be degraded by light. In all existing additive manufacturing technologies, energy is introduced to polymerize a liquid using lasers, radiation, light, etc.

[0005] Краткое раскрытие настоящего изобретения[0005] Brief summary of the present invention

[0006] Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы решить проблемы, возникающие на предшествующем уровне техники, посредством применения селективного охлаждения слоя расплавленного термопластического материала для получения деталей высокого разрешения с высокой скоростью. Настоящее изобретение отличается от предшествующего уровня техники тем, что энергию отводят от жидкого полимера для его затвердевания.[0006] The purpose of the present invention is to solve the problems encountered in the prior art by applying selective cooling of a layer of molten thermoplastic material to obtain high-resolution details at high speed. The present invention differs from the prior art in that energy is removed from the liquid polymer to solidify it.

[0007] Согласно варианту осуществления настоящего изобретения последовательные слои нагретого расплавленного термопластического материала помещают в модельный лоток, где содержится или находится в контакте матрица теплообменных элементов, каждый из которых может селективно и независимо нагреваться и охлаждаться. В указанных элементах использован термоэлектрический эффект Пельтье для быстрого переключения между холодным и горячим режимами. Термоэлектрические спаи представляют собой один пример устройств, которые могут быть использованы в качестве указанных элементов. В промышленности эти спаи являются легкодоступными в форме небольших ячеек, площадь которых составляет 3 мм². В настоящее время могут быть получены термоэлектрические «гранулы» с электронно-дырочными переходами, минимальный функциональный размер которых составляет доли миллиметра, и предполагают, что вскоре станут возможными тонкопленочные конструкции, в которых созданы термоэлектрические зоны, имеющие микронные размеры. Это позволит настоящему изобретению превзойти по разрешению наилучшие современные принтеры DLP. [0007] According to an embodiment of the present invention, successive layers of heated molten thermoplastic material are placed in a model tray containing or in contact with an array of heat exchange elements, each of which can be selectively and independently heated and cooled. These elements use the thermoelectric Peltier effect to quickly switch between cold and hot modes. Thermoelectric junctions are one example of devices that can be used as these elements. In industry, these junctions are readily available in the form of small cells with an area of 3 mm ² . Currently, thermoelectric "granules" with electron-hole transitions can be obtained, the minimum functional size of which is fractions of a millimeter, and it is assumed that thin-film structures in which micron-sized thermoelectric zones are created will soon become possible. This will allow the present invention to surpass the resolution of the best current DLP printers.

[0008] На первой стадии способа согласно настоящему изобретению слой термопластического материала помещают в модельный лоток, и все элементы в матрице обеспечивают нагревание модельного лотка таким образом, чтобы расплавить слой термопластического материала, расположенного выше и находящегося в контакте с ними. Охлажденная плита затем опускается на расплавленный термопластический материал, создавая жидкую поверхность раздела между матрицей термоэлектрических элементов и плитой. Матрица термоэлектрических элементов затем осуществляет регулируемое охлаждение элементов только в местах изготовления детали. При этом термопластический материал охлаждается в селективных областях до тех пор, пока он не затвердевает с образованием первого слоя изготавливаемой детали, который приплавляется к охлажденной плите. Матрицу термоэлектрических элементов затем нагревают для плавления очень тонкого слоя охлажденного термопластического материала на нижней поверхности вновь затвердевшего первого слоя, охлажденного таким способом, и затвердевший первый слой отделяется от модельного лотка, когда плита поднимается, и лоток повторно наполняется жидким термопластическим материалом. На плите остается первый слой изготавливаемой детали. Плиту затем опускают на расплавленный слой термопластического материала, только на несколько более высоком уровне. Новый слой затем может быть образован на нижней поверхности предшествующего охлажденного слоя. Процесс послойного нанесения продолжается до тех пор, пока не будет получена готовая деталь.[0008] In the first step of the method according to the present invention, a layer of thermoplastic material is placed in the build tray and all elements in the matrix provide heat to the build tray in such a way as to melt the layer of thermoplastic material located above and in contact with them. The cooled slab is then lowered onto the molten thermoplastic material, creating a liquid interface between the array of thermoelectric elements and the slab. The array of thermoelectric elements then performs controlled cooling of the elements only at the places of manufacture of the part. In this process, the thermoplastic material is cooled in selective regions until it solidifies to form the first layer of the part to be manufactured, which is fused to the cooled plate. The array of thermoelectric elements is then heated to melt a very thin layer of cooled thermoplastic material on the bottom surface of the newly solidified first layer so cooled, and the solidified first layer separates from the build tray when the platen is lifted and the tray is refilled with liquid thermoplastic material. The first layer of the manufactured part remains on the plate. The plate is then lowered onto the molten layer of thermoplastic material, only at a slightly higher level. A new layer can then be formed on the bottom surface of the previous cooled layer. The layering process continues until the finished part is obtained.

[0009] Настоящее изобретение может быть использовано для изготовления изделий практически из любого материала, который переходит из жидкой фазы в твердую фазу, включая переход между водой и льдом. [0009] The present invention can be used to make articles from virtually any material that transitions from a liquid phase to a solid phase, including the transition between water and ice.

[00010] Краткое описание фигур [00010] Brief Description of the Figures

[00011] В последующем описании предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения содержатся ссылки на прилагаемые фигуры, где:[00011] In the following description of preferred embodiments of the present invention, reference is made to the accompanying figures, where:

[00012] На фиг. 1 представлена горизонтальная проекция устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[00012] FIG. 1 is a plan view of a device according to an embodiment of the present invention.

[00013] На фиг. 2a представлено изображение поперечного сечения устройства, представленного на фиг. 1.[00013] FIG. 2a is a cross-sectional view of the device shown in FIG. one.

[00014] На фиг. 2b представлен процесс нанесения покрытия согласно варианту осуществления настоящего изобретения, где модельный лоток наполнен объемом жидкого термопластического материала.[00014] FIG. 2b shows a coating process according to an embodiment of the present invention, where the model tray is filled with a volume of liquid thermoplastic material.

[00015] На фиг. 3 представляет изображение поперечного сечения устройства, представленного на фиг. 1 и 2, где модельный лоток наполнен пленкой расплавленного термопластического материала.[00015] FIG. 3 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 1 and 2 where the build tray is filled with a film of molten thermoplastic material.

[00016] На фиг. 4 представлено изображение поперечного сечения устройства, представленного на фиг. 1-3, где части охлажденного и затвердевшего термопластического материала образуют первый слой детали.[00016] FIG. 4 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 1-3, where portions of the cooled and solidified thermoplastic material form the first layer of the part.

[00017] На фиг. 5a представлено изображение поперечного сечения устройства, представленного на фиг. 1-4, где тонкий слой расплавленного термопластического материала на дне лотка допускает отделение первого затвердевшего слоя детали от модельного лотка, когда плита поднимается вверх.[00017] FIG. 5a is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 1-4, where a thin layer of molten thermoplastic material at the bottom of the tray allows the first solidified layer of the part to separate from the build tray when the plate is lifted up.

[00018] На фиг. 5b представлен процесс повторного нанесения покрытия согласно варианту осуществления настоящего изобретения, где модельный лоток повторно наполняют объемом термопластического материала.[00018] FIG. 5b shows a recoating process according to an embodiment of the present invention, where a model tray is refilled with a volume of thermoplastic material.

[00019] На фиг. 6 представляет изображение поперечного сечения устройства, представленного на фиг. 1-5, где плиту поднимают на дополнительную высоту, удерживая при этом первый слой детали, и модельный лоток повторно наполняют другим объемом жидкого термопластического материала для образования последующего слоя детали.[00019] FIG. 6 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 1-5 where the slab is raised to an additional height while holding the first layer of the part, and the build tray is refilled with another volume of liquid thermoplastic material to form the next layer of the part.

[00020] На фиг. 7 представлено изображение поперечного сечения устройства, представленного на фиг. 1-6, где части второго объема жидкого термопластического материала в модельном лотке охлаждаются и затвердевают с образованием второго слоя детали.[00020] FIG. 7 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 1-6 where portions of the second volume of liquid thermoplastic material in the build tray cool and solidify to form a second layer of the part.

[00021] На фиг. 8 представлено изображение поперечного сечения устройства, представленного на фиг. 1-7, где тонкий слой расплавленного термопластического материала на дне лотка допускает отделение второго затвердевшего слоя детали от модельного лотка, когда плита поднимается вверх, причем верхняя поверхность второго слоя прикреплена к нижней поверхности первого слоя.[00021] FIG. 8 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 1-7 where a thin layer of molten thermoplastic material at the bottom of the tray allows the second solidified layer of the part to separate from the build tray when the platen is lifted up, with the top surface of the second layer attached to the bottom surface of the first layer.

[00022] На фиг. 9 представлено изображение поперечного сечения устройства, представленного на фиг. 1-8, где модельный лоток наполнен третьим объемом расплавленного термопластического материала, селективно охлажденного с образованием третьего слоя детали.[00022] FIG. 9 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 1-8, where the model tray is filled with a third volume of molten thermoplastic material, selectively cooled to form a third layer of the part.

[00023] Подробное раскрытие настоящего изобретения [00023] Detailed disclosure of the present invention

[00024] На фиг. 1 и 2a представлены горизонтальная проекция и изображение поперечного сечения устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения, где плита 1 расположена над модельным лотком 2, имеющим основание, где содержится или находится в контакте матрица термоэлектрических спаев 3a-3n. Модельный лоток 2 также содержит теплоотвод 2a, который переносит тепло к термоэлектрическим спаям 3a-3n и от них посредством вентилятора 2d. Нагретый корпус 2b приспособления для повторного нанесения покрытия содержит запас расплавленного термопластического материала 2c. Плита 1 может подниматься и опускаться над модельным лотком на различных стадиях способа согласно настоящему изобретению.[00024] FIG. 1 and 2a are a plan view and a cross-sectional view of an apparatus according to an embodiment of the present invention, where the platen 1 is positioned above a model tray 2 having a base where an array of thermoelectric junctions 3a-3n is contained or in contact. The model tray 2 also includes a heat sink 2a which transfers heat to and from the thermoelectric junctions 3a-3n via a fan 2d. The heated body 2b of the recoater contains a supply of molten thermoplastic material 2c. The platen 1 can be raised and lowered above the model tray at various stages of the method according to the present invention.

[00025] На фиг. 2b представлен процесс повторного нанесения покрытия, где корпус 2b приспособления для повторного нанесения покрытия проходит через модельный лоток 2, нанося расплавленный термопластический материал 2c в форме тонкой пленки 4 на модельный лоток 2. Теплоотвод и вентилятор не представлены для упрощения изображения.[00025] FIG. 2b shows a recoating process where the recoater body 2b passes through the build tray 2, depositing the melted thermoplastic material 2c in the form of a thin film 4 onto the build tray 2. The heatsink and fan are omitted for simplicity.

[00026] Рассмотрим фиг. 3, где представлена первая стадия способа согласно настоящему изобретению после наполнения модельного лотка пленкой расплавленного термопластического материала, представленного на фиг. 2b. Приспособление для повторного нанесения покрытия не представлено для упрощения изображения. Плиту 1 регулируют таким образом, что ее нижняя поверхность находится в контакте с верхней поверхностью пленки 4 термопластического материала. Пленку 4 термопластического материала равномерно нагревают посредством термоэлектрических спаев 3a-3f. Плиту 1 охлаждают до уровня или ниже температуры затвердевания термопластического материала.[00026] Consider FIG. 3, which shows the first step of the method according to the present invention after filling the model tray with the film of molten thermoplastic material shown in FIG. 2b. The recoater is not shown to simplify the illustration. The platen 1 is adjusted so that its bottom surface is in contact with the top surface of the thermoplastic film 4 . The thermoplastic material film 4 is uniformly heated by the thermoelectric junctions 3a-3f. The plate 1 is cooled to or below the solidification temperature of the thermoplastic material.

[00027] На следующей стадии, представленной на фиг. 4, части пленки 4 термопластического материала продолжают нагревать до перехода в жидкого состояния посредством термоэлектрических спаев 3d-3f, в то время как другие части пленки 4 термопластического материала селективно охлаждают ниже температуры перехода в твердое состояние посредством термоэлектрических спаев 3a-3c. Образуются твердые зоны 5a-5c, и в результате этого осуществляется аддитивное изготовление первого слоя детали. Плита 1 продолжает охлаждаться до уровня или ниже температуры затвердевания термопластического материала.[00027] In the next step shown in FIG. 4, parts of the thermoplastic material film 4 continue to be heated to liquid state by means of thermoelectric junctions 3d-3f, while other parts of thermoplastic material film 4 are selectively cooled below the solid state transition temperature by means of thermoelectric junctions 3a-3c. Hard zones 5a-5c are formed, and as a result, the additive manufacturing of the first layer of the part is carried out. Plate 1 continues to cool to or below the solidification temperature of the thermoplastic material.

[00028] Когда затвердевает первый слой изготавливаемой детали, всю матрицу термоэлектрических элементов включают для нагревания термопластического материала в целях создания тонкой жидкой зоны между затвердевшим первым слоем и дном модельного лотка, допуская отделение первого слоя от модельного лотка, когда охлажденная плита 1 поднимается вверх. Более конкретно, пленка 4 термопластического материала продолжает нагреваться до перехода в жидкое состояние посредством термоэлектрических спаев 3d-3f. Пленка 4 термопластического материала селективно нагревается выше температуры перехода в жидкое состояние посредством термоэлектрических спаев 3a-3c с созданием тонких жидких зон 6a-6c. При этом плита 1 начинает поднимать твердые зоны 5a-5c из жидкости в лотке 2. Плита 1 продолжает охлаждаться до уровня или ниже температуры затвердевания термопластического материала.[00028] When the first layer of the workpiece solidifies, the entire array of thermoelectric elements is turned on to heat the thermoplastic material to create a thin liquid zone between the solidified first layer and the bottom of the build tray, allowing the first layer to separate from the build tray when the cooled platen 1 rises. More specifically, the thermoplastic material film 4 continues to be heated to liquidization by the thermoelectric junctions 3d-3f. The film 4 of thermoplastic material is selectively heated above the molten temperature by thermoelectric junctions 3a-3c to create thin liquid zones 6a-6c. At the same time, the platen 1 begins to lift the solid zones 5a-5c from the liquid in the tray 2. The platen 1 continues to cool to or below the solidification temperature of the thermoplastic material.

[00029] На фиг. 5b представлена стадия повторного нанесения покрытия, как на фиг. 2b, которая происходит между помещением каждого слоя для повторного наполнения модельного лотка, когда термопластический материал расходуется печатаемым предметом. Плита 1 поднимается, открывая корпус 2b приспособления для повторного нанесения покрытия. Корпус 2b приспособления для повторного нанесения покрытия перемещается через модельный лоток 2, осаждая расплавленный термопластический материал 2c в форме тонкой пленки 4 на модельный лоток 2 для замещения убыли жидкости в результате удаления затвердевших зон 5a-5c.[00029] FIG. 5b shows the recoating step as in FIG. 2b, which occurs between the placement of each layer to refill the build tray when the thermoplastic material is consumed by the printed object. The platen 1 is lifted to reveal the body 2b of the recoater. The body 2b of the recoater moves through the build tray 2 depositing the molten thermoplastic material 2c in the form of a thin film 4 onto the build tray 2 to replace the loss of liquid resulting from the removal of solidified zones 5a-5c.

[00030] На следующей стадии, представленной на фиг. 6, плита 1 опускает твердые зоны 5a-5c на поверхность жидкости в лотке 2, и промежуточные зоны 5ab и 5bc затвердевают между твердыми зонами 5a-5c с образованием первого слоя детали, когда плита 1 продолжает охлаждаться до уровня или ниже температуры затвердевания термопластического материала. Пленка 4 термопластического материала продолжает нагреваться до перехода в жидкое состояние посредством термоэлектрических спаев 3a-3f.[00030] In the next step shown in FIG. 6, the platen 1 lowers the hard zones 5a-5c onto the surface of the liquid in the tray 2, and the intermediate zones 5ab and 5bc solidify between the hard zones 5a-5c to form the first layer of the part as the platen 1 continues to cool to or below the solidification temperature of the thermoplastic material. The film 4 of the thermoplastic material continues to be heated until it liquefies by means of the thermoelectric junctions 3a-3f.

[00031] Процесс затем повторяется, как представлено на фиг. 7. Различные термоэлектрические элементы в матрице включают для охлаждения жидкого термопластического материала, а другие элементы включают для нагревания жидкого термопластического материала согласно схеме изготовления производимой детали с получением второго слоя детали таким же образом, как был получен первый слой (фиг. 4).[00031] The process is then repeated as shown in FIG. 7. Various thermoelectric elements in the matrix are turned on to cool the liquid thermoplastic material, and other elements are turned on to heat the liquid thermoplastic material according to the scheme for manufacturing the part to be produced, obtaining the second layer of the part in the same way as the first layer was obtained (Fig. 4).

[00032] Когда образуется/затвердевает второй/последующий слой детали, все термоэлектрические элементы матрицы включают для нагревания термопластического материала в модельном лотке с образованием тонкого слоя между нижней поверхностью второго/последующего слоя и модельным лотком таким образом, что плита может подниматься вместе с затвердевшими частями детали с созданием пространства для получения следующего слоя таким же образом, как в случае отделения первого слоя от модельного лотка (фиг. 5). Элементы 3a, 3b и 3c, которые охлаждались на фиг. 7, включают для нагревания в достаточной степени для образования тонких жидких зон 6d, 6e и 6f (фиг. 8), таким образом, что плита может подниматься от модельного лотка с созданием пространства для повторного наполнения лотка и образованием следующего слоя (см. фиг. 9). Происходит повторное нанесение покрытия для замещения убыли жидкого термопластического материала 4 вследствие удаления затвердевших зон 6a-6c.[00032] When the second/subsequent layer of the part is formed/solidified, all the thermoelectric elements of the matrix are turned on to heat the thermoplastic material in the build tray to form a thin layer between the bottom surface of the second/subsequent layer and the build tray so that the platen can rise with the hardened parts parts to create space for the next layer in the same way as in the case of separating the first layer from the build tray (Fig. 5). Elements 3a, 3b and 3c which have been cooled in FIG. 7 is turned on to heat enough to form thin liquid zones 6d, 6e and 6f (FIG. 8) so that the platen can be lifted from the build tray to create space to refill the tray and form the next layer (see FIG. nine). There is a re-coating to replace the loss of liquid thermoplastic material 4 due to the removal of hardened zones 6a-6c.

[00033] Процесс продолжается до тех пор, пока деталь не будет содержать требуемое число слоев. [00033] The process continues until the part contains the required number of layers.

Claims

1. An additive manufacturing device, comprising:

model tray with a matrix of heat exchange elements, each of which is made with the possibility of independent alternate heating and cooling of the corresponding area of the model tray;

a movable plate that lowers and rises into the model tray;

a heated recoater body movably mounted between said build tray and said movable platen and configured to apply successive layers of thermoplastic material to said build tray;

said successive layers of thermoplastic material alternately solidified by means of the heat exchange elements of the build tray by cooling said thermoplastic material to form each layer of the laminated part and then partially melted by heating said thermoplastic material sufficiently to remove it from the build tray when the liftable platen away from the build tray.

2. The additive manufacturing device of claim 1, wherein the heat exchange elements are thermoelectric junctions.

3. The additive manufacturing apparatus of claim 1, wherein the platen is configured to be heated or cooled.

4. The additive manufacturing apparatus of claim 1, further comprising a temperature controlled housing surrounding the build tray and platen.

5. Method for the production of a thermoplastic product, including:

a) heating a layer of liquid thermoplastic material in a build tray having a base containing or in contact with an array of heat exchange elements, each of which is configured to independently heat or cool a respective area of the build tray;

b) placing the cooled plate on the surface of the liquid thermoplastic material to create a liquid interface between the matrix of heat exchange elements and the plate;

c) providing cooling by the matrix of heat exchange elements of the areas of the model tray corresponding to the place of manufacture of the product, and the liquid thermoplastic material is cooled and solidified in the selected areas with the formation of the first layer of the product;

d) ensuring sufficient melting of the thin layer of cooled and solidified thermoplastic material by the matrix of heat exchange elements, which allows it to be removed from the model tray when the platen is lifted;

e) refilling the build tray with a new layer of liquid thermoplastic material;

f) lowering the plate along with the first layer of the product so that the bottom surface of the first layer of the product is in contact with a new layer of liquid thermoplastic material;

repeating steps (a)-(f) until a finished product is obtained.