Zariadenie na 3D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov

Číslo patentu: U 6573

Dátum: 04.11.2013

Autori: Gondár Ernest, Sejč Pavol, Staš Ondrej

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka zariadenia na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov s využitím prachu z plastov, ktoré vznikajú najmä pri výrobe a recyklácii plastov spôsobom výroby dielov spekaním a využitím horúceho plynu. Technické riešenie patrí do oblasti práškovej metalurgie, kompozitných materiálov a technológie rapid prototyping.Jedným zo spôsobov výroby výrobkov využívaných najmä pri výrobe prototypov alebo unikátnych výrobkov je spôsob 3 D tlače na zariadeniach, kde sa natavovaním, spekaním laserom alebo spájaním pomocou lepidla vytvára tvar výrobku. Tieto zariadenia sú polohovacie stroje s polohovaním technologickej hlavice a podávačom materiálu.V súčasnosti sa najčastejšie používajú zariadenia 3 D tlače práškových materiálov metódou laserového spekania alebo tavenia. Tieto mriadenia sú napriek svojej cene preferovane z dôvodov jednoduchej a spoľahlivej aplikácie. Známe sú tiež zariadenia, pri ktorých sa práškový materiál spája lepidlom. Po vytlačení jednotlivých vrstiev spojených do priestorového objektu sa daný výrobok vyberie zo zariadenia a nechá vytvrdnúť v peci. Existujú aj stroje, pri ktorých sa materiál nataví a vytláča vo forme horúcej pasty, ktorá priľne na predchádzajúcu vrstvu, po vychladnutí materiál stuhne. Pri týchto aplikáciách sa v praxi používajú plastové materiály (napr. ABS) vo forme pások. V praxi sa stretávame so zariadením určeným na jeden typ technologických operácií 3 D tlače. Výrobca predpisuje jeden typ alebo úzku skupinu materiálov s podobnými vlastnosťami. Nedostatkom uvedených zariadení je ich vysoká cena a nmohokrát aj materiálov. Materiály určené výrobcom zariadenia znemožňujú širšiu variabilitu aplikácií v rôznych priemyselných oblastiach.Uvedené nedostatky poskytli možnosť riešiť tento problém vhodnými technickými prostriedkami.Výsledkom tohto úsilia je ďalej opisované zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa tohto úžitkového vzoru.Uvedené nedostatky sú odstránené zariadením na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa tohto technického riešenia. Podstata technického riešenia spočíva v tom, že zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov je tvorené najmä 2 D polohovacím mechanizmom technologickej hlavice a technologickou hlavicou s výtryskom horúceho plynu a valcovacím mechanizmom. 2 D polohovací mechanizmus sa skladá zo šiestich riadlteľných osí realizovaných šiestimi nezávislými motormi. Osí realizujúce pohyb v dvojrozmemom priestore vykonávajú hlavnú operáciu. Technologická hlavica zabezpečuje natavenie práškovej zmesi, jej pohyb je zabezpečovaný dvoma jednosmemými motormi s inkrementálnym enkóderom na precízne polohovanie. Osi sú realizované mechanickým posuvom, krútiaci moment motorov je prenášaný ozubeným remeňom. Osi sú mechanicky zviazané, resp. pohyb jednotlivých osí ovplyvňuje výslednú polohu technologickej hlavice nachádzajúcej sa na jednej z osí. Pod 2 D polohovacím mechanizmom technologickej hlavice a technologickou hlavicou okrem osí realizujúcich hlavný pohyb hlavice je usporiadaný zásobník kompozitných práškových materiálov s vytláčacím mechanizmom a vedľa neho je umiestnená modelovacia komora s lôžkom a polohovacím mechanizmom lôžka vo vertikálnej rovine, ktorého pohyb v kladnom alebo zápomom smere reprezentuje priestorovú štruktúru výsledného výrobku. Lôžko je polohované krokovým motorom, ktorého krútiaci momentje prenášaný na lineámy pohyb skrutkovicou. Samotné lôžko je schopné vykonať rotačný pohyb v obidvoch smeroch okolo vertikálnej osi polohovacieho mechanizmu,realizovaný krokovým motorom. Jeho úlohou je vytvorenie plynulých oblých tvarov v kombinácii s polohovacím systémom technologickej hlavice. Valcovací mechanizmus má posun len v jednej osi horizontálnej roviny. Práškový materiál je prenášaný valcovacím zariadením zo zásobníka materiálu smerom na lôžko.V zásobníku sa nachádza polohovací vytláčací mechanizmus ovládaný krokovým motorom so skrutkovým prevodom na lineámy pohyb. Pri procese spekania kombináciou pohybu lôžka v zápomom smere a vytláčacieho mechanizmu zásobníka v kladnom smere sa vytvorí výškový rozdiel materiálu medzi materiálom nachádzajúcom sa v zásobníku a hladinou (rovinou) práve spečenej vrstvy v lôžku. Kladný smer pohybuje definovaný pravidlom pravej ruky. Vytvorený výškový rozdiel je vyplnení práškom pomocou valcovacieho mechanizmu. Vyrovnaním hladiny zásobníka práškového materiálu a hladiny lôžka, vznikne v lôžku nová vrstva pripravená na spekanie. Valcovací mechanizmus je tvorený valcom poháňaným krokovým motorom,ktorého otáčky sú regulovateľné. Počas valcovania sa vypína technologická hlavica, teda proces spekania je odpojený. Valcovací mechanizmus je pripojený na hlavný polohovací systém technologickej operácie, teda pohyb vyrovnávajúci hladiny je realizovaný touto polohovacou sústavou.V zariadení na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov je možne použiť technologickú hlavicu s pracovným médiom horúceho plynu dvoch konštrukcii. Prvé konštrukčné riešenie technologickej hlavice je navrhnuté ako priestor hranatého tvaru, ktorý je rozdelený na dve komory spojené štrbinou umožňujúcou prechod plynu. Do prvej ústi prívod plynu ohríevaný výhrevným telesom, ktorého výkon je regulovateľný. Ohriaty plyn prechádza štrbinou v clone do dmhej komory, kde sa nachádza teplotný senzor typu Pt 100,využitím ktorého je regulačným algoritmom regulované elektricky výhrevné teleso na dosiahnutie potrebnej teploty pri rôznych prietokoch privádzaného plynu. Z druhej komory vyúsťuje dýza, z ktorej vyviera plyn aplikovaný na práškovú zmes. Jednotlivé osi zariadenia sú ovládané z centrálnej riadiacej jednotky, kde je aplikovaný ñrrnvér, ktorý obsahuje inštrukčnú súpravu na priame ovládanie jednotlivých osí a technologickej hlavice, inštrukcie na nastavovanie jednotlivých parametrov, ako sú rýchlosť, presnosť, teplota atď. Výsledný program 3 D tlače je vytvorený v programe, ktorého úlohou je generovanie programu z CAD modelu, online ovládanie zariadenia, nastavovanie zariadenia, tiež slúži ako HMI rozhranie zariadenia. Zariadenie komunikuje s pripojeným PC cez USB rozhranie.Druhé konštrukčné riešenie technologickej hlavice pozostáva z vonkajšieho telesa, v ktorom je umiestnená zmiešavacia komora s prívodom plynu. Dýza svojou vstupnou časťou je sčasti zasunutá do zmiešavacej komory a svojou výstupnou časťou vystupuje zo zmiešavacej komory a z vonkajšieho telesa. Časť dýzy, ktorá je svojou vstupnou časťou sčasti zasunutá do zmiešavacej komory, je vybavená elektricky výhrevným telesom. Z konštrukčného hľadiska na vonkajšie teleso nadväzuje upevňovacie teleso, cez ktoré je vedený prívod elektrického prúdu. Pracovným médiom pre technologickú hlavicu je vzduch alebo dusík.Výhody zariadenia na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov spôsobom výroby dielov z kompozitných materiálov s využitím prachu z plastov podľa vytvoreného technického riešenia sú zjavné z účinkov, ktorými sa prejavuje navonok. Podstatnou výhodou je fakt, že využitím zariadenia 3 D tlače sa aplikáciou horúceho plynu v určenej vzdialenosti od povrchu spekaného prášku vytvorí homogénna spečená vrstva v šírke aplikovanej dýzy, naviazaním týchto vrstiev vzniká výrobok. Ako plyn je použitý horúci vzduch alebo dusüc, v závislosti od želaných podmienok spekania. Zariadenie obsahuje spekaný prášok, ktorý sa nachádza v zásobníku zariadenia. Valcovacím zariadením je prášok premiestnený na modelovaciu plochu,kde je zavalcovaný na dosiahnutie požadovanej tuhosti. Spekanie je realizované technologickou hlavicou s reguláciou prietoku plynu a teploty plynu vystupujúceho z dýzy na výstupnom mieste hlavice. Pohyb pri spekaní je vytváraný v šiestich smeroch, štyroch lineámych posuvoch a dvoch rotačných pohyboch. Všetky pohyby sú kinematicky zviazané. Celé zariadenie je riadené z centrálnej riadiacej jednotky s inštalovaným ñrrnvérom, ktorá vykonáva príkazy z PC soñvéru, ktorý spracováva želaný CAD model do programového toku 3 D tlače. Sekundámou výhodou zariadenia je fakt, že napriek tomu, že množstvo prašného podielu napríklad pri vstrekovaní predstavuje len niekoľko percent zo získanej drtiny, je jej plnohodnotné využitie opodstatnené nielen z ekologického, ale aj ekonomického hľadiska. Prašný plastový odpad neslúži na výrobu celých výrobkov. Predstavuje surovinu na vznik spojivovej fázy pri príprave kompozitných materiálov, ktorá vznikne plastifikáciou, roztavením prášku. Druhú zložku v kompozite predstavuje výplňový materiál, zabezpečujúci finálne vlastnosti kompozitu. Spekanie pripravených zmesí sa podľa predkladaného návrhu uskutoční pomocou modiñkovanej metódy rapid prototyping. Modifikácia je zameraná na odstránenie nevýhod metódy plastic sintering. Teplonosným médiom bude horúci dusík. Tento plyn sa v úlohe inertného používa napríklad pri vstrekovaní plastov metódou inertného plynu. Dusíkje v porovnaní s inertným argónom používaným napríklad pri zváraní lacnejší. Dusík teda pôsobí súčasne ako ohrievacie aj ako ochranné médium. Do hlavice s výhrevným telesom sa bude privádzať z fľaše pri požadovanom tlaku regulovaný ventílom.Prehľad obrázkov na výkresochZariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa tohto technického riešenia bude ďalej ozrejmené na výkresoch, kde na obr. l je zobrazená kínematická schéma 3 D tlačiarenského stroja. Na obr. 2 je zobrazené jedno riešenie technologickej hlavice. Na obr. 3 je zobrazené druhé riešenie technologickej hlavice.Rozumie sa, že jednotlivé uskutočnenia technického riešenia sú predstavované pre ilustráciu a nie ako obmedzenia technických riešení. Odborníci znalí stavom techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam technického riešenia. Aj takéto ekvivalenty budú patriť do rozsahu nasledujúcich nárokov. Pre odbomíkov znalých stavom techniky nemôže robiť problém optimálneho navrhnutia konštrukcie, preto tieto znaky neboli detailne riešené.V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opisané zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov, kde jednou kompozitnou zložkou je prach z (PP) a (PET) plastov, čo je zobrazené na obr. l. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov je tvorené 2 D polohovacím mechanizmom l technologickej hlavice, samotnou technologickou hlavicou z s výtryskom horúceho plynu a valcovacím mechanizmom g. Pod nimi je usporiadaný zásobník 3 kompozitných práškových materiálov s vytláčacím mechanizmom i a vedľa neho je umiestnená modelovacia komora Q s lôžkom Q a polohovacím mechanizmom 1 lôžka vo vertikálnej rovine. Lôžko Q je otočné okolo vertikálnej osi polohovacieho mechanizmu 1. Valcovací mechanizmus § má posun len v jednej osi horizontálnej roviny. V zariadení na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov je použitá technologické hlavica 2 s pracovným médiom horúceho plynu zobrazená na obr. 2. Pozostáva z vonkajšieho telesa Q, v ktorom je umiestnená zmiešavacia komora Q s prívodom n plynu. Dýza Q svojou vstupnou časťou je sčasti zasunutá do zmiešavacej komory Q a svojou výstupnou časťou vystupuje zo zmiešavacej komory Q a z vonkajšieho telesa u. Časť dýzy E, ktorá je svojou vstupnou časťou sčasti zasunutá do zmiešavacej komory Q, je vybavená elektricky výhrevným telesom l 0. Z konštrukčného hľadiska na vonkaj šie teleso Ľ nadväzuje upevňovacie teleso Q, cez ktoré je vedený prívod 29 elektrického prúdu. Pracovným médiom pre technologickú hlavicu g je vzduch alebo dusík.V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísané zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov, kde jednou kompozitnou zložkou je prach z (PP) a (PET) plastov, čo je zobrazené na obr. l. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov je tvorené 2 D polohovacím mechanizmom l technologickej hlavice, samotnou technologíckou hlavicou g s výtryskom horúceho plynu a valcovacím mechanizmom Q. Pod nimi je usporiadaný zásobnü( 3 kompozitných práškových materiálov s vytláčacím mechanizmom g a vedľa neho je umiestnená modelovacia komora Q s lôžkom Q a polohovacím mechanizmom 1 lôžka vo vertikálnej rovine. Lôžko Q je otočné okolo vertikálnej osi polohovacieho mechanizmu 1. Valcovací mechanizmus § má posun len V jednej osi horizontálnej roviny. V zariadení na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov je použitá technologické hlavica z s pracovným médiom horúceho plynu zobrazená na obr. 3. Pozostáva z prvej komory 2 s elektricky výhrevným telesom Q a prívodom 1 l plynu. Druhá komora Q je vybavená snímačom Q teploty a dýzou 13, pričom prvá komora g je od druhej komory Q oddelená clonou Q so štrbinou l 6.Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa technického riešenia nachádza využiteľnosť v modifikovaných technológiách rapid prototyping.1. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov, v y z n a č u j ú c e s a tý m , že je tvorené 2 D polohovacím mechanizmom (l) technologickej hlavice v horizontáhiej rovine,technologickou hlavicou (2) s pracovným médiom horúceho plynu, valcovacím mechanizmom (8) a pod nimi usporiadaným zásobníkom (3) kompozitných práškových materiálov s vytláčacim mechanizmom (4) vo vertikálnej rovine a vedľa umiestnenou modelovacou komorou (5) s lôžkom (6) a polohovacím mechanizmom(7) lôžka vo vertikálnej rovine.2. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa nároku l, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že lôžko (6) je otočné okolo vertikálnej osi polohovacieho mechanizmu (7).3. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a tý m , že valcovací mechanizmus (8) má posun len vjednej osi horizontálnej roviny.4. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a tý m , že technologickú hlavica (2) s pracovným médiom horúceho plynu pozostáva z prvej komory (9) s elektricky výhrevným telesom (10) a prívodom (1 l) plynu, druhá komora ( 12) je vybavená snímačom (13) teploty a dýzou (14), pričom prvá komora (9) je od druhej komory (12) oddelená clonou (15) so štrbinou (16).5. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa nároku l, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že technologické hlavica (2) s pracovným médiom horúceho plynu pozostáva z vonkajšieho telesa (17), v ktorom je umiestnená zmiešavacia komora (18) s prívodom (11) plynu dýza (14) svo 10jou vstupnou časťou je sčasti zasunutá do zmíešavacej komory (l 8) a svojou výstupnou časťou vystupuje zo zmiešavacej komory (18) a z vonkajšieho telesa (l 7) časť dýzy (14), ktoráje svojou vstupnou časťou sčasti zasunutá do zmiešavacej komory (18) je vybavená elektricky výhrevným telesom (10).6. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozítných práškových materiálov podľa nároku l a 5, v y z n a č u j ú c e s a tý m , že na vonkajšie teleso (17) nadväzuje upevňovacie teleso (19) cez ktoré je vedený prívod (20) elektrického prúdu.7. Zariadenie na 3 D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov podľa nároku l, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že pracovným médiom pre technologickú hlavícu (2) je vzduch alebo dusík.

MPK / Značky

MPK: B29C 67/04, B22F 3/105, C04B 35/64

Značky: kompozitných, zariadenie, práškových, tlač, dielov, materiálov

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/8-u6573-zariadenie-na-3d-tlac-dielov-z-kompozitnych-praskovych-materialov.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Zariadenie na 3D tlač dielov z kompozitných práškových materiálov</a>

Podobne patenty