BR102021021544A2 - COATING SYSTEM WITH SEQUENTIAL ACTION PLATES FOR ADDITIVE MANUFACTURING BY PHOTOPOLYMERIZATION IN VUT - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere a um sistema de recobrimento com lâminas de ação sequencial para manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba, como estereolitografia e processamento de luz digital. O sistema compreende ao menos duas lâminas com funções distintas e sequenciais: espalhamento e nivelamento/calibração da espessura da camada. Tal abordagem permite que cada lâmina possua geometria e material otimizado para sua função. Em uma primeira configuração preferencial, a troca de lâmina ativa ocorre mecanicamente no fim de curso. Em uma segunda configuração preferencial da presente invenção, é previsto um sistema de recobrimento com lâminas de ação sequencial para manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba em que a troca de qual lâmina está ativa acontece por meio de um acionamento independente, como um motor de passo.

The present invention relates to a coating system with sequential action blades for additive manufacturing by vat photopolymerization, such as stereolithography and digital light processing. The system comprises at least two blades with distinct and sequential functions: spreading and leveling/calibration of layer thickness. Such an approach allows each blade to have geometry and material optimized for its function. In a first preferred configuration, the active blade change takes place mechanically at the end of the stroke. In a second preferred configuration of the present invention, a coating system with sequential action blades is provided for additive manufacturing by vat photopolymerization in which the change of which blade is active takes place by means of an independent drive, such as a stepper motor.

Description

SISTEMA DE RECOBRIMENTO COM LÂMINAS DE AÇÃO SEQUENCIAL PARA MANUFATURA ADITIVA POR FOTOPOLIMERIZAÇÃO EM CUBACOATING SYSTEM WITH SEQUENTIAL ACTION PLATES FOR ADDITIVE MANUFACTURING BY PHOTOPOLYMERIZATION IN VOT Campo da InvençãoField of Invention

[001] A presente invenção se insere na área de engenharia mecânica, mais particularmente relacionada a máquinas e equipamentos de manufatura aditiva (impressão 3D) por deposição aditiva, aglomeração aditiva ou estratificação aditiva, como por exemplo estereolitografia ou processamento de luz digital e se refere a um sistema de recobrimento com lâminas de ação sequencial aplicado em manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba.[001] The present invention is part of the field of mechanical engineering, more particularly related to additive manufacturing machines and equipment (3D printing) by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, such as stereolithography or digital light processing, and refers to to a coating system with sequential action blades applied in additive manufacturing by light curing in vat.

Fundamentos da InvençãoFundamentals of the Invention

[002] A quarta revolução industrial na qual estamos inseridos (Indústria 4.0) tem criado novas tendências como o generative design, um processo de exploração de projeto que permite que uma otimização seja não apenas baseada na carga aplicada (como a otimização topológica), mas também em alguns parâmetros espaciais, fornecendo modelos prontos para manufatura que satisfaçam as restrições de projeto.[002] The fourth industrial revolution in which we are inserted (Industry 4.0) has created new trends such as generative design, a project exploration process that allows an optimization to be not only based on the applied load (such as topological optimization), but also on some spatial parameters, providing ready-to-manufacture models that satisfy design constraints.

[003] Esses modelos geralmente são de grande complexidade e não poderiam ser fabricados por processos convencionais. A manufatura aditiva, que se destaca nesse contexto, tem se desenvolvido muito nos últimos anos e a demanda por equipamentos capazes de trabalhar com diferentes materiais é cada vez maior, especialmente em laboratórios e na indústria.[003] These models are usually of great complexity and could not be manufactured by conventional processes. Additive manufacturing, which stands out in this context, has developed a lot in recent years and the demand for equipment capable of working with different materials is increasing, especially in laboratories and industry.

[004] Além disso, as marcantes propriedades de materiais cerâmicos avançados e suas aplicações em diversas áreas têm aumentado a demanda por componentes cerâmicos personalizados (ou em pequena escala) com geometrias complexas. Neste contexto, a manufatura aditiva (impressão 3D) possibilita a fabricação de peças cerâmicas sem os elevados custos de molde usualmente associados ao processamento convencional (Schwentenwein and Homa, 2015; Zhang et al., 2020).[004] In addition, the remarkable properties of advanced ceramic materials and their applications in several areas have increased the demand for customized (or small-scale) ceramic components with complex geometries. In this context, additive manufacturing (3D printing) enables the manufacture of ceramic parts without the high mold costs usually associated with conventional processing (Schwentenwein and Homa, 2015; Zhang et al., 2020).

[005] De acordo com a norma ISO/ASTM 52900:2015, a manufatura aditiva (AM) compreende processos de adição de material para fazer peças a partir de dados de um modelo 3D, usualmente camada após camada. Dentre os diversos processos de manufatura aditiva, destaca-se a fotopolimerização em cuba, processo pioneiro e que ainda oferece melhor compromisso de resolução e acabamento superficial.[005] According to ISO/ASTM 52900:2015, additive manufacturing (AM) comprises processes of adding material to make parts from data from a 3D model, usually layer after layer. Among the various additive manufacturing processes, light curing in vat stands out, a pioneering process that still offers a better compromise in resolution and surface finish.

[006] De acordo com a mesma norma ISO/ASTM 52900:2015, a fotopolimerização em cuba (“vat photopolymerization”) é um processo de manufatura aditiva em que um fotopolímero líquido em uma cuba é curado seletivamente por uma polimerização ativada por luz. Essa fonte de luz pode ser feita pontual, fazendo um escaneamento na área a ser curada (estereolitografia-SLA) ou por projeção de imagens (processamento de luz digital-DLP).[006] According to the same ISO/ASTM 52900:2015 standard, vat photopolymerization (“vat photopolymerization”) is an additive manufacturing process in which a liquid photopolymer in a vat is selectively cured by light-activated polymerization. This light source can be made punctual, scanning the area to be cured (stereolithography-SLA) or by projecting images (digital light processing-DLP).

[007] A fotopolimerização em cuba também pode ser dividida de acordo com o sentido de direção de construção. Na abordagem “bottom-up”, a luz incide por baixo no fundo da cuba (neste caso, transparente). Desta forma, há um desprendimento entre a peça formada e o fundo da cuba para cada camada, o que induz tensões e deformações na peça, principalmente quando trabalhando com matérias-primas com alta viscosidade (como as suspensões cerâmicas fotopolimerizáveis com alto carregamento sólido). A maior parte dos equipamentos comerciais de impressão 3D por fotopolimerização em cuba usam a abordagem “bottom-up” e desta forma não são indicados para a produção de cerâmicas avançadas.[007] Vat light curing can also be divided according to the direction of construction. In the “bottom-up” approach, the light falls from below on the bottom of the vat (in this case, transparent). In this way, there is a detachment between the formed piece and the bottom of the vat for each layer, which induces tensions and deformations in the piece, especially when working with raw materials with high viscosity (such as photopolymerizable ceramic suspensions with high solid load). Most commercial vat light curing 3D printing equipment uses the “bottom-up” approach and is therefore not suitable for the production of advanced ceramics.

[008] Por outro lado, na abordagem “top-down”, a luz incide por cima. Os poucos equipamentos “top-down” disponíveis comercialmente são sistemas industriais custosos com sistemas de recobrimento complexos. Na manufatura por fotopolimerização em cuba com abordagem “top-down”, um dos principais desafios é o processo de recobrimento, em que nova camada de material não curado é depositado entre a camada previamente curada e a fonte de luz. O processo de recobrimento deve proporcionar uma nova camada com espessura igual a desejada em um curto espaço de tempo. A espessura incorreta de camada prejudicará a precisão das peças impressa. Além disso, a alta viscosidade da matéria-prima é um grande obstáculo para o processo de recobrimento.[008] On the other hand, in the “top-down” approach, the light falls from above. The few commercially available “top-down” equipment are expensive industrial systems with complex coating systems. In vat photopolymerization manufacturing with a “top-down” approach, one of the main challenges is the coating process, in which a new layer of uncured material is deposited between the previously cured layer and the light source. The coating process must provide a new layer with the same thickness as desired in a short period of time. Incorrect layer thickness will degrade the accuracy of printed parts. Furthermore, the high viscosity of the raw material is a major obstacle for the coating process.

[009] Sendo assim, é importante ressaltar que os sistemas de recobrimento para fotopolimerização em cuba atuais envolvem lâminas simples, sistema de drenagem com bomba de vácuo, lâmina com dispersor de ar ou uma combinação desses mecanismos. Os sistemas que envolvem bomba de vácuo ou dispersor de ar são complexos e custosos quando comparados com as lâminas simples.[009] Therefore, it is important to emphasize that the current coating systems for light curing in vat involve simple blades, drainage system with vacuum pump, blade with air disperser or a combination of these mechanisms. Systems involving a vacuum pump or air disperser are complex and costly when compared to simple blades.

[010] Além disso, os sistemas com lâminas têm apresentado grandes limitações para trabalhar com materiais viscosos, não sendo adequados para trabalhar com matériasprimas com alta viscosidade, como as suspensões cerâmicas com alto carregamento cerâmico. Diante do exposto, a presente invenção soluciona tais problemas e limitações ao apresentar um sistema de recobrimento para manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba com abordagem “top-down”, compreendendo ao menos duas lâminas com funções distintas e sequenciais: espalhamento e nivelamento/calibração da espessura da camada, sendo capaz de trabalhar até mesmo com suspensões cerâmicas de alto carregamento.[010] In addition, systems with blades have shown great limitations for working with viscous materials, not being suitable for working with raw materials with high viscosity, such as ceramic suspensions with high ceramic loading. In view of the above, the present invention solves such problems and limitations by presenting a coating system for additive manufacturing by photopolymerization in vat with a “top-down” approach, comprising at least two blades with distinct and sequential functions: spreading and leveling/calibration of the layer thickness, being able to work even with high loading ceramic suspensions.

Estado da TécnicaState of the art

[011] A seguir serão apresentados e discutidos alguns exemplos de espalhadores para o processo de fotopolimerização em cuba no qual será possível notar os aspectos limitantes e que se diferenciam em relação à presente invenção.[011] Below, some examples of spreaders for the vat photopolymerization process will be presented and discussed, in which it will be possible to note the limiting aspects and that differ in relation to the present invention.

[012] As patentes EP0361847B1 e US5651934A apresentam o método mais utilizado de recobrimento, este método inclui um “mergulho profundo”, no qual a peça é mergulhada na cuba de resina, e então, elevada até atingir a espessura de uma camada do topo da cuba. Em seguida, uma lâmina se move de um lado para o outro, removendo o excesso, espalhando o material fotopolimerizável e criando uma nova camada. A patente EP0484182A1 apresenta um conceito de espalhador parecido, mas a lâmina é substituída por elementos de escova (com cerdas).[012] The patents EP0361847B1 and US5651934A present the most used method of coating, this method includes a "deep dip", in which the part is immersed in the resin vat, and then raised until it reaches the thickness of a layer from the top of the Cuba. Then a blade moves from side to side, removing the excess, spreading the light-curing material and creating a new layer. Patent EP0484182A1 presents a similar spreader concept, but the blade is replaced by brush elements (with bristles).

[013] A patente US5238497A apresenta um sistema de recobrimento com bombeamento. A resina é bombeada, e então, espalhada. Um membro de bico alongado é movido horizontalmente ao longo da superfície de trabalho enquanto fornece solução de resina (que está sendo bombeada). Os excessos de resina são direcionados ao tanque de armazenamento de resina, e então, novamente direcionados para o componente espalhador.[013] The US5238497A patent presents a pumping coating system. The resin is pumped in and then spread. An elongated nozzle member is moved horizontally across the work surface while delivering resin solution (which is being pumped). Resin excess is directed to the resin storage tank, and then again directed to the spreader component.

[014] A patente US5447822A descreve um sistema de recobrimento em que um filme fino é acionado por uma placa e cobre a superfície sem folgas, mantendo o filme contra a superfície. Em seguida, a placa é movida de volta e o filme retirado da superfície da resina, formando uma nova camada.[014] The US5447822A patent describes a coating system in which a thin film is driven by a plate and covers the surface without gaps, keeping the film against the surface. Then the plate is moved back and the film removed from the surface of the resin, forming a new layer.

[015] De acordo com WO1995015842A1, o uso convencional de lâminas simples de recobrimento evidencia o problema de molhabilidade, causando meniscos perto de áreas de transição (arestas, descontinuidades, etc.), dificultando uma boa planicidade da camada em formação. Esse problema pode ser amenizado diminuindo-se a velocidade ou incluindo uma área de transição para o espalhador, conforme sugerido pelo mesmo documento. Neste caso, a peça é impressa apenas na região central, sendo as áreas de transição utilizadas para que o espalhador chegue na área de impressão já com sua velocidade ideal. Contudo, tanto a diminuição de velocidade quanto o aumento de área percorrida pelo espalhador geram aumento de tempo e consequentemente dos custos envolvidos no processo.[015] According to WO1995015842A1, the conventional use of simple coating blades highlights the problem of wettability, causing menisci close to transition areas (edges, discontinuities, etc.), hindering a good flatness of the layer being formed. This problem can be mitigated by decreasing the speed or including a transition area for the spreader, as suggested by the same document. In this case, the part is printed only in the central region, and the transition areas are used so that the spreader reaches the printing area already at its ideal speed. However, both the decrease in speed and the increase in the area covered by the spreader generate an increase in time and, consequently, in the costs involved in the process.

[016] A patente EP0732987A1 sugere que o sistema de recobrimento seja integrado a um distribuidor de ar para promover o resfriamento do fluido, que ocasionalmente pode estar se aquecendo devido ao processo de cura. Já a patente WO1996023647A2 apresenta o sistema de recobrimento ativo, que consiste em um rolo dinâmico que se move em direção oposta ao movimento e está restrito a algum tipo de barreira, como uma lâmina. Essa composição de movimentos atenuaria as tensões e movimentos gerados pelo espalhador no líquido.[016] The patent EP0732987A1 suggests that the coating system be integrated with an air distributor to promote the cooling of the fluid, which occasionally may be heating up due to the curing process. The patent WO1996023647A2 presents the active coating system, which consists of a dynamic roller that moves in the opposite direction to the movement and is restricted to some type of barrier, such as a blade. This composition of movements would attenuate the tensions and movements generated by the spreader in the liquid.

[017] A patente EP0928242B1 utiliza uma solução denominada cortina de recobrimento. Esse sistema consiste em bombear o líquido que será utilizado de um reservatório até uma cabeça de extrusão, formando uma fina camada de fluido, também chamada de cortina de líquido, que então atinge o substrato.[017] Patent EP0928242B1 uses a solution called covering curtain. This system consists of pumping the liquid that will be used from a reservoir to an extrusion head, forming a thin layer of fluid, also called a liquid curtain, which then reaches the substrate.

[018] A patente US5922364 apresenta um sistema de recobrimento com aplicador com bombeamento. O aplicador abastecido com resina é movimentado. Já a patente EP0807014B1 usa uma bomba de vácuo para acumular material que será utilizado para formação da próxima camada. Algumas patentes que surgiram posteriormente discutem métodos de melhorar essa tecnologia, como controlar o nível da resina dentro do sistema, como descrito em CN104457601B, e adequar a distância entre o espalhador e a resina de forma rápida, como descrito em US20060219163A1 ou automática, como descrito em CN1974185B.[018] The US5922364 patent presents a coating system with an applicator with pumping. The applicator filled with resin is moved. Patent EP0807014B1 uses a vacuum pump to accumulate material that will be used to form the next layer. Some patents that emerged later discuss methods to improve this technology, such as controlling the resin level within the system, as described in CN104457601B, and adapting the distance between the spreader and the resin quickly, as described in US20060219163A1, or automatically, as described in CN1974185B.

[019] Dessa forma, é possível notar vantagens da presente invenção frente aos documentos encontrados no estado da técnica, como o fato do sistema ser capaz de trabalhar com matérias-primas viscosas como suspensões cerâmicas com alto carregamento utilizando-se uma solução baseada em duas lâminas com funções sequenciais e distintas: espalhamento e nivelamento/calibração da espessura da camada. Uma vez que tal abordagem permite que cada lâmina possua geometria e material otimizado para sua função.[019] Thus, it is possible to notice advantages of the present invention compared to the documents found in the state of the art, such as the fact that the system is able to work with viscous raw materials such as ceramic suspensions with high loading using a solution based on two blades with sequential and distinct functions: spreading and leveling/calibration of layer thickness. Since such an approach allows each blade to have geometry and material optimized for its function.

[020] Ainda, o uso de múltiplas lâminas com ações sequenciais permite que novas funcionalidades possam ser adicionadas ao sistema. Por exemplo, na fabricação de compósitos, o uso de uma lâmina com texturização na superfície de contato com a resina pode promover o alinhamento do reforço compósito na direção desejada, coincidindo com a direção de maior solicitação. Destaca-se que realizar várias ações tão diferentes em um único movimento seria muito difícil ou até mesmo inviável.[020] Also, the use of multiple blades with sequential actions allows new features to be added to the system. For example, in the manufacture of composites, the use of a sheet with texturing on the surface in contact with the resin can promote the alignment of the composite reinforcement in the desired direction, coinciding with the direction of greatest stress. It is noteworthy that performing several such different actions in a single movement would be very difficult or even unfeasible.

Breve descrição da invençãoBrief description of the invention

[021] A presente invenção se refere a um sistema de recobrimento com lâminas de ação sequencial para manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba, como estereolitografia e processamento de luz digital. O sistema compreende ao menos duas lâminas com funções distintas e sequenciais: espalhamento e nivelamento/calibração da espessura da camada. Tal abordagem permite que cada lâmina possua geometria e material otimizado para sua função. Em uma primeira configuração preferencial, a troca de lâmina ativa ocorre mecanicamente no fim de curso. Em uma segunda configuração preferencial da presente invenção, é previsto um sistema de recobrimento com lâminas de ação sequencial para manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba em que a troca de qual lâmina está ativa acontece por meio de um acionamento independente, como um motor de passo.[021] The present invention relates to a coating system with sequential action blades for additive manufacturing by vat photopolymerization, such as stereolithography and digital light processing. The system comprises at least two blades with distinct and sequential functions: spreading and leveling/calibration of layer thickness. Such an approach allows each blade to have geometry and material optimized for its function. In a first preferred configuration, the active blade change takes place mechanically at the end of the stroke. In a second preferred configuration of the present invention, a coating system with sequential action blades is provided for additive manufacturing by vat photopolymerization in which the change of which blade is active takes place by means of an independent drive, such as a stepper motor.

Breve descrição das figuras.Brief description of the figures.

[022] O presente invento passará a ser descrito a seguir com referência às concretizações típicas do mesmo e também com referência aos desenhos apensos, nos quais:[022] The present invention will be described below with reference to typical embodiments thereof and also with reference to the accompanying drawings, in which:

[023] Na Figura 1 é mostrada uma representação de uma vista lateral do esquemático de um equipamento de manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba (estado da técnica).[023] In Figure 1 is shown a representation of a side view of the schematic of an additive manufacturing equipment by photopolymerization in vat (state of the art).

[024] Na Figura 2 é mostrada uma representação de uma vista frontal do esquemático do sistema de recobrimento proposto, durante a primeira fase do ciclo (espalhamento).[024] In Figure 2 is shown a representation of a schematic front view of the proposed coating system, during the first phase of the cycle (scattering).

[025] Na Figura 3 é mostrada uma representação de uma vista frontal do esquemático do sistema de recobrimento proposto, durante a troca de lâmina ativa.[025] In Figure 3 is shown a representation of a front view of the schematic of the proposed coating system, during the exchange of active blade.

[026] Na Figura 4 é mostrada uma representação de uma vista frontal do esquemático do sistema de recobrimento proposto, durante a fase final do ciclo (nivelamento).[026] In Figure 4 is shown a representation of a schematic front view of the proposed coating system, during the final phase of the cycle (levelling).

[027] A Figura 5 é mostrada uma representação de uma vista perspectiva do sistema de recobrimento proposto.[027] Figure 5 is shown a representation of a perspective view of the proposed coating system.

[028] Na Figura 6 é mostrada uma representação de uma vista perspectiva do esquema de fixação de lâminas do sistema de recobrimento proposto.[028] In Figure 6 is shown a representation of a perspective view of the blade attachment scheme of the proposed coating system.

[029] Na Figura 7 é mostrado uma imagem do protótipo “top-down” construído para o teste de impressão 3D em cerâmica.[029] In Figure 7, an image of the “top-down” prototype built for the ceramic 3D printing test is shown.

[030] Na Figura 8 são mostrados alguns exemplos de peças “corpos” verdes de zircônia e mulita impressos com o equipamento proposto na presente invenção.[030] In Figure 8 are shown some examples of pieces "bodies" green zirconia and mullite printed with the equipment proposed in the present invention.

Descrição detalhada da invençãoDetailed description of the invention

[031] A presente invenção se refere a um sistema de recobrimento com lâminas de ação sequencial para manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba, como estereolitografia e processamento de luz digital, estando relacionada a uma impressora 3D com capacidade de aplicação não apenas para produção de materiais poliméricos, mas também capaz de produzir peças cerâmicas, mesmo com matérias-primas com alta viscosidade como as suspensões cerâmicas com alto carregamento sólido (ao menos 40% em volume). Desta forma, o presente invento pode se relacionar com a manufatura nas mais diversas áreas como células de combustível, sensores automotivos, próteses, aplicações dentárias, etc.[031] The present invention refers to a coating system with sequential action blades for additive manufacturing by vat photopolymerization, such as stereolithography and digital light processing, being related to a 3D printer with application capacity not only for the production of materials polymeric materials, but also capable of producing ceramic pieces, even with raw materials with high viscosity such as ceramic suspensions with high solid loading (at least 40% by volume). In this way, the present invention can be related to manufacturing in the most diverse areas such as fuel cells, automotive sensors, prostheses, dental applications, etc.

[032] Deste modo, como pode ser visto nas figuras 1 e 2, de uma maneira simplificada, o presente invento prevê uma impressora 3D por fotopolimerização em cuba com abordagem “top-down”, compreendendo: uma fonte de luz (1), uma cuba (2) que recebe a matéria-prima, uma plataforma de construção (3) movimentada linearmente por um motor de passo (4) e um atuador linear (5) e um sistema de espalhamento (6). O sistema de recobrimento é composto por pelo menos duas lâminas (7,8) que têm funções sequenciais e distintas: espalhamento e nivelamento/calibração da espessura da camada, com troca automática da lâmina ativa.[032] Thus, as can be seen in figures 1 and 2, in a simplified manner, the present invention provides a 3D printer by photopolymerization in vat with a "top-down" approach, comprising: a light source (1), a vat (2) that receives the raw material, a construction platform (3) moved linearly by a stepper motor (4) and a linear actuator (5) and a spreading system (6). The coating system is composed of at least two blades (7, 8) that have sequential and distinct functions: spreading and leveling/calibration of the thickness of the layer, with automatic exchange of the active blade.

[033] Como pode ser visto nas Figuras 2, 3 e 4, a troca das lâminas (7,8) ocorre em decorrência do movimento intrínseco do movimento de translação das lâminas para formação das camadas. Assim, as lâminas (7,8) e o suporte de lâminas (9) podem ter um movimento relativo, permitindo que as lâminas rotacionem.[033] As can be seen in Figures 2, 3 and 4, the exchange of blades (7,8) occurs as a result of the intrinsic movement of the translation movement of the blades to form the layers. Thus, the blades (7, 8) and the blade support (9) can have a relative movement, allowing the blades to rotate.

[034] As lâminas (7,8) são presas a um suporte de lâminas (9) que é movido linearmente para frente e para trás por um movimento criado por guias lineares (11), transmitido por polia (14) e correia (15) e acionado por um motor de passo (13), como pode ser visto na Figura 5. A troca de qual lâmina (7,8) está ativa acontece através da mudança de posição que ocorre mecanicamente no fim de curso (12). A posição das lâminas (7,8) é fixada por um mecanismo em que uma esfera (21) é pressionada em um alojamento (18A) por uma mola (21), de acordo com a Figura 6.[034] The blades (7,8) are attached to a blade support (9) which is moved linearly back and forth by a movement created by linear guides (11), transmitted by pulley (14) and belt (15) ) and driven by a stepper motor (13), as can be seen in Figure 5. The change of which blade (7, 8) is active happens through the change of position that occurs mechanically at the end of stroke (12). The position of the blades (7, 8) is fixed by a mechanism in which a ball (21) is pressed in a housing (18A) by a spring (21), according to Figure 6.

[035] Em uma segunda configuração preferencial do presente invento, é previsto um sistema de recobrimento com lâminas de ação sequencial para manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba, em que a troca da lâmina (7, 8) que está ativa acontece por meio de um acionamento independente, como um motor de passo (13).[035] In a second preferred configuration of the present invention, a coating system with sequential action blades is provided for additive manufacturing by photopolymerization in vat, in which the exchange of the blade (7, 8) that is active takes place by means of a independent drive, such as a stepper motor (13).

[036] As figuras 2, 3 e 4 mostram o ciclo do sistema de espalhamento. Após a cura de uma camada na fabricação de uma peça (10), a plataforma de construção (3) desce o equivalente a uma camada e desta forma, uma nova camada homogênea e de espessura constante de material não curado deve ser formada para continuar o processo de fabricação da peça (10). Para isso, conforme mostrado na figura 2, a lâmina de espalhamento (7) faz um movimento linear junto com o suporte de lâminas (9) guiado por guias lineares (11), espalhando a matériaprima.[036] Figures 2, 3 and 4 show the spreading system cycle. After curing a layer in the manufacture of a part (10), the building platform (3) descends the equivalent of a layer and in this way, a new homogeneous layer and of constant thickness of uncured material must be formed to continue the part manufacturing process (10). For this, as shown in figure 2, the spreading blade (7) makes a linear movement together with the blade support (9) guided by linear guides (11), spreading the raw material.

[037] A figura 3 ilustra o momento em que o espalhamento está concluído e a lâmina de nivelamento e calibração da espessura (8) encontra o fim de curso, localizado na base do espalhador (12) e faz com que ambas as lâminas rotacionem, posicionando a lâmina de nivelamento e calibração da espessura (8) na posição de atuação. Em seguida, conforme mostrado na figura 4, o conjunto com as lâminas (7,8) e suporte de lâminas (9) inverte o sentido de movimento e a lâmina (8) promove o nivelamento e calibração de espessura.[037] Figure 3 illustrates the moment when the spreading is completed and the leveling and thickness calibration blade (8) meets the end of stroke, located at the base of the spreader (12) and causes both blades to rotate, positioning the leveling and thickness calibration blade (8) in the actuation position. Then, as shown in figure 4, the assembly with blades (7,8) and blade support (9) reverses the direction of movement and the blade (8) promotes leveling and thickness calibration.

[038] Quando o processo é encerrado, uma nova troca de posicionamento é feita, análogo ao ilustrado na Figura 3, mas agora posicionando a lâmina de espalhamento (7) situandoa na posição de atuação. Neste momento, uma camada de matéria-prima constante e homogênea foi formada, e a fonte de luz pode formar a nova camada, e em seguida, o ciclo é reiniciado.[038] When the process is finished, a new positioning change is made, similar to that illustrated in Figure 3, but now positioning the spreading blade (7) placing it in the actuation position. At this time, a constant and homogeneous raw material layer has been formed, and the light source can form the new layer, and then the cycle is restarted.

[039] A figura 5 apresenta o sistema de recobrimento que tem a base do espalhador (12) posicionada na base da máquina (16) pelos posicionadores (17). O movimento linear do conjunto das lâminas, composto entre outras partes pelo suporte (9) e lâminas (7,8), é orientado pelas guias lineares (11) e acionado por um motor de passo (13) que aciona polias sincronizadoras (14) e uma correia dentada (15), que está ligada ao suporte (9).[039] Figure 5 shows the coating system that has the spreader base (12) positioned on the machine base (16) by the positioners (17). The linear movement of the set of blades, composed, among other parts, by the support (9) and blades (7,8), is guided by linear guides (11) and driven by a stepper motor (13) that drives synchronizing pulleys (14) and a toothed belt (15), which is connected to the support (9).

[040] Em continuação, a figura 6 ilustra uma possível configuração que permite o movimento relativo de rotação das lâminas (7,8) em relação ao suporte (9). As lâminas (7,8) estão unidas ao eixo (18) que está montado em rolamentos (19) que por sua vez estão alojados no suporte (9), permitindo o grau de liberdade desejado para as lâminas. Além disso, para criar certa resistência à rotação das lâminas e permitir que elas rotacionem apenas durante a troca de lâmina ativa (no encontro com o fim de curso), uma esfera (21) é pressionada por uma mola (20) em um alojamento presente no eixo (18A).[040] In continuation, figure 6 illustrates a possible configuration that allows the relative movement of rotation of the blades (7, 8) in relation to the support (9). The blades (7, 8) are attached to the shaft (18) which is mounted on bearings (19) which in turn are housed in the support (9), allowing the desired degree of freedom for the blades. Furthermore, to create a certain resistance to the rotation of the blades and allow them to rotate only during the active blade change (in the encounter with the end of stroke), a ball (21) is pressed by a spring (20) in a housing present on the shaft (18A).

[041] Preferencialmente, o acionador do sistema de recobrimento é um motor de passo (13), podendo ser utilizadas também outras opções, incluindo servo motores, motores de corrente contínua ou até mesmo acionamento pneumático. Por sua vez, o movimento linear é preferencialmente gerado por correia e polia sincronizadoras e guias lineares. Contudo, tal movimento pode ser gerado por diversas outras formas como fusos, cames, mecanismo biela-manivela, entre outros.[041] Preferably, the driver of the coating system is a stepper motor (13), and other options can also be used, including servo motors, direct current motors or even pneumatic actuation. In turn, the linear movement is preferably generated by a synchronizing belt and pulley and linear guides. However, such movement can be generated by several other forms such as spindles, cams, connecting rod-crank mechanism, among others.

[042] O sistema de recobrimento proposto permite trabalhar com diversas matérias-primas, desde materiais poliméricos comuns ou com reforços, até suspensões altamente carregadas (como as barbotinas fotopolimerizáveis cerâmicas). São necessárias matérias-primas com comportamento reológico e estabilidade adequados. Para isso, além do polímero fotopolimerizável e do pó cerâmico, podem ser adicionados aditivos como solventes (água, álcool isopropílico, etanol, etc) e dispersantes (poliacrilato de amônio, ácido esteárico, ácido oleico ou dispersantes comerciais).[042] The proposed coating system allows working with various raw materials, from common polymeric materials or with reinforcements, to highly loaded suspensions (such as ceramic light-curing slips). Raw materials with adequate rheological behavior and stability are required. For this, in addition to the photopolymerizable polymer and ceramic powder, additives such as solvents (water, isopropyl alcohol, ethanol, etc.) and dispersants (ammonium polyacrylate, stearic acid, oleic acid or commercial dispersants) can be added.

[043] O uso de múltiplas lâminas com funções sequenciais permite que cada lâmina possua uma geometria e material otimizado para sua função. Por exemplo, a lâmina de espalhamento (7) pode ser feita de um material polimérico (nylon, poliacetal, polipropileno ou elastômeros) e ter um perfil mais plano, enquanto a lâmina de nivelamento e calibração de espessura (8) pode ser feita de material metálico (alumínio, aço inox, etc.) com perfil mais afiado.[043] The use of multiple blades with sequential functions allows each blade to have a geometry and material optimized for its function. For example, the spreading blade (7) can be made of a polymeric material (nylon, polyacetal, polypropylene or elastomers) and have a flatter profile, while the leveling and thickness calibration blade (8) can be made of material metallic (aluminium, stainless steel, etc.) with a sharper profile.

Exemplo de concretizaçãoExample of implementation

[044] Para validação do equipamento, foi construído um protótipo, como mostrado na Figura 7. A plataforma de construção utilizada (feita de alumínio) tinha área de impressão de 50 mm x 20 mm. A cuba utilizada (também de alumínio) permitia a impressão de peças com até 25 mm de altura. O sistema de recobrimento contou com duas lâminas de alumínio com largura de 50 mm e espessuras distintas: 1,5 mm (lâmina de espalhamento) e 3,0 mm (lâmina de nivelamento e calibração da espessura), ambas com seções retangulares constantes. Os suportes de lâminas foram feitos de latão, as guias lineares eram eixos retificados de aço inox (diâmetro de 6 mm). O acionamento do sistema de recobrimento era um motor de passo com torque de 0,5 N.m (Nema 17). A velocidade de translação adotada no sistema de recobrimento foi de 35 mm/s.[044] For validation of the equipment, a prototype was built, as shown in Figure 7. The construction platform used (made of aluminum) had a printing area of 50 mm x 20 mm. The vat used (also made of aluminum) allowed the printing of parts up to 25 mm in height. The coating system had two aluminum blades with a width of 50 mm and different thicknesses: 1.5 mm (spreading blade) and 3.0 mm (leveling blade and thickness calibration), both with constant rectangular sections. The blade holders were made of brass, the linear guides were ground stainless steel shafts (diameter 6 mm). The coating system was driven by a stepper motor with a torque of 0.5 N.m (Nema 17). The translation speed adopted in the coating system was 35 mm/s.

[045] Para teste de impressão, foram utilizadas matérias-primas comerciais e diferentes suspensões cerâmicas formuladas. Foi possível imprimir formulações de diferentes materiais cerâmicos (zircônia, mulita, etc) e biomateriais (hidroxiapatita) compostas de monômero polietileno glicol diacrilato (Mn = 250), fotoiniciador óxido de bis (2,4,6- trimetilbenzoilfenil) fosfina, pós cerâmicos e dispersantes comerciais como os copolímeros com grupos ácidos. Também foi possível imprimir suspensões para fabricação de materiais compósitos com matriz polimérica acrílica (HEMA) e reforço de fibras curtas de carbono.[045] For test printing, commercial raw materials and different formulated ceramic suspensions were used. It was possible to print formulations of different ceramic materials (zirconia, mullite, etc) and biomaterials (hydroxyapatite) composed of polyethylene glycol diacrylate monomer (Mn = 250), bis (2,4,6-trimethylbenzoylphenyl) phosphine oxide photoinitiator, ceramic powders and commercial dispersants such as copolymers with acidic groups. It was also possible to print suspensions for the manufacture of composite materials with acrylic polymeric matrix (HEMA) and short carbon fiber reinforcement.

[046] O protótipo construído se destacou pela sua capacidade de trabalhar com matérias-primas viscosas. Nele, foi possível imprimir com suspensões cerâmicas de alta viscosidade (viscosidade acima de 2 Pa.s) e altos carregamentos sólidos (até 50 vol%). Por exemplo, o protótipo mostrou-se capaz de fabricar peças (espessura de camada de 100 micrometros) com suspensões de zircônia parcialmente estabilizadas (preparadas com o pó cerâmico comercial) com 40% (percentual volumétrico) de carregamento cerâmico (viscosidade de 2,3 Pa.s a 30 s-1). As peças foram subsequentemente queimadas e sinterizadas, com melhores resultados sendo obtidos com sinterização de 1600°C com patamar de duas horas, obtendo corpos cerâmicos com densidade superior a 95%, conforme mostrado na Figura 8. Alguns desses corpos apresentaram resistência a flexão superior à 200 MPa.[046] The built prototype stood out for its ability to work with viscous raw materials. In it, it was possible to print with ceramic suspensions of high viscosity (viscosity above 2 Pa.s) and high solid loads (up to 50 vol%). For example, the prototype was able to manufacture parts (layer thickness of 100 micrometers) with partially stabilized zirconia suspensions (prepared with commercial ceramic powder) with 40% (volume percentage) of ceramic loading (viscosity of 2.3 Pa.s at 30 s-1). The pieces were subsequently fired and sintered, with better results being obtained with sintering at 1600°C at a two-hour time, obtaining ceramic bodies with a density greater than 95%, as shown in Figure 8. Some of these bodies had a flexural strength greater than that of 200 MPa.

[047] Por outro lado, quando a mesma suspensão foi testada em um equipamento de impressão 3D do tipo bottom-up, ocorreu falha durante o processo de fabricação. Neste caso, a primeira camada não se aderiu à plataforma de construção e ficou presa no fundo da cuba transparente, problema já conhecido na literatura como “sticking” (Roach et al., 2018).[047] On the other hand, when the same suspension was tested in a bottom-up 3D printing equipment, a failure occurred during the manufacturing process. In this case, the first layer did not adhere to the construction platform and was stuck to the bottom of the transparent vat, a problem already known in the literature as “sticking” (Roach et al., 2018).

[048] Concluiu-se que o equipamento da presente invenção se mostrou capaz de fabricar peças cerâmicas e compósitos por fotopolimerização em cuba. Em comparação com um equipamento comercial “bottom-up”, o equipamento da presente invenção se mostrou mais versátil, pela sua capacidade de trabalhar com suspensões diversas devido à abordagem “topdown” com sistema de recobrimento que forma camadas micrométricas uniformes e de espessura constante mesmo com suspensões viscosas.[048] It was concluded that the equipment of the present invention proved capable of manufacturing ceramic parts and composites by photopolymerization in vat. Compared to a commercial “bottom-up” equipment, the equipment of the present invention proved to be more versatile, due to its ability to work with different suspensions due to the “topdown” approach with a coating system that forms uniform micrometric layers of constant thickness even with viscous suspensions.

ReferênciasReferences

[049] Schwentenwein M, Homa J. Additive manufacturing of dense alumina ceramics. Int J Appl Ceram Technol 2015;12:1– 7. https://doi.org/10.1111/ijac.12319.[049] Schwentenwein M, Homa J. Additive manufacturing of dense alumina ceramics. Int J Appl Ceram Technol 2015;12:1– 7. https://doi.org/10.1111/ijac.12319.

[050] Zhang K, He R, Ding G, Feng C, Song W, Fang D. Digital light processing of 3Y-TZP strengthened ZrO2 ceramics. Mater Sci Eng A 2020;774:138768. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138768.[050] Zhang K, He R, Ding G, Feng C, Song W, Fang D. Digital light processing of 3Y-TZP strengthened ZrO2 ceramics. Mater Sci Eng A 2020;774:138768. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138768.

[051] ISO/ASTM 52900:2015 Additive manufacturing — General principles — Terminology.[051] ISO/ASTM 52900:2015 Additive manufacturing — General principles — Terminology.

[052] Roach M, Keicher D, Maines E, Wall B, Wall C, Lavin J, et al. Mechanical challenges of 3D printing ceramics using digital light processing. Proc. 29th Annu. Int. Solid Free. Fabr. Symp. - An Addit. Manuf. Conf., 2018.[052] Roach M, Keicher D, Maines E, Wall B, Wall C, Lavin J, et al. Mechanical challenges of 3D printing ceramics using digital light processing. Proc. 29th Annu. Int. Solid Free. Manufacture Symp. -An Addit. Manuf. Conf., 2018.

Claims (9)

Sistema de recobrimento com lâminas para manufatura aditiva por fotopolimerização em cuba sendo inserido em impressoras 3D que compreendem uma fonte de luz (1), uma cuba (2) que recebe a matéria-prima, uma plataforma de construção (3), motor de passo (4) e atuador linear (5), o sistema de recobrimento sendo caracterizado pelo fato de compreender: pelo menos duas lâminas, sendo uma lâmina de espalhamento (7) e uma lâmina de nivelamento e calibração da espessura (8) da camada, em que as lâminas (7, 8) são unidas ao eixo (18), montado em um rolamento (19), que é alojado em um suporte de lâminas (9), em que as lâminas são movidas linearmente por um movimento gerado pelas guias lineares (11), em que o referido movimento linear é transmitido pelas polias sincronizadoras (14) e correia dentada (15) ligada ao suporte de lâminas (9), uma base do espalhador (12) posicionada na base da máquina (16) pelos posicionadores (17).Coating system with foils for additive manufacturing by vat photopolymerization being inserted into 3D printers comprising a light source (1), a vat (2) that receives the raw material, a construction platform (3), stepper motor (4) and linear actuator (5), the coating system being characterized by the fact that it comprises: at least two blades, being a spreading blade (7) and a leveling and thickness calibration blade (8) of the layer, in that the blades (7, 8) are joined to the shaft (18), mounted on a bearing (19), which is housed in a blade support (9), in which the blades are moved linearly by a movement generated by the linear guides (11), in which said linear movement is transmitted by the timing pulleys (14) and toothed belt (15) connected to the blade support (9), a spreader base (12) positioned on the machine base (16) by the positioners (17). Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a troca das lâminas (7, 8) opcionalmente ocorrer em decorrência do movimento intrínseco da translação das lâminas para formação das camadas.System, according to claim 1, characterized in that the exchange of the blades (7, 8) optionally occurs as a result of the intrinsic movement of the translation of the blades to form the layers. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a troca das lâminas (7, 8) opcionalmente ocorrer por meio de um acionamento independente como um motor de passo (13).System, according to claim 1, characterized in that the exchange of the blades (7, 8) optionally occurs by means of an independent drive such as a stepper motor (13). Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a posição das lâminas (7,8) ser fixada por um mecanismo em que uma esfera (21) é pressionada em um alojamento (18A) do eixo (18) por uma mola (20).System, according to claim 1, characterized in that the position of the blades (7,8) is fixed by a mechanism in which a ball (21) is pressed into a housing (18A) of the shaft (18) by a spring (20). Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de opcionalmente o acionador ser um motor de passo, servo motores, motores de corrente contínua ou acionamento pneumático.System, according to claim 1, characterized by the fact that optionally the driver is a stepper motor, servo motors, direct current motors or pneumatic drive. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o movimento linear opcionalmente ser gerado por fusos, cames e mecanismos biela-manivela.System, according to claim 1, characterized in that the linear movement is optionally generated by spindles, cams and connecting rod-crank mechanisms. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a matéria-prima ser materiais poliméricos comuns ou com reforços sendo preferencialmente suspensões cerâmicas carregadas.System, according to claim 1, characterized in that the raw material is common polymeric materials or with reinforcements, preferably filled ceramic suspensions. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as lâminas (7,8) apresentarem diferentes geometrias, sendo preferencialmente perfil mais afiado ou mais plano, e ser fabricada em diferentes materiais, sendo preferencialmente materiais poliméricos ou materiais metálicos.System, according to claim 1, characterized in that the blades (7, 8) have different geometries, preferably a sharper or flatter profile, and are manufactured in different materials, preferably polymeric materials or metallic materials. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as matérias-primas apresentarem carregamento cerâmico superior a 40 vol%.System, according to claim 1, characterized by the fact that the raw materials have a ceramic loading greater than 40 vol%.

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