CZ2020357A3

CZ2020357A3 - Zařízení pro aditivní 3D tisk s konstrukčním řešením eliminace studených spojů

Info

Publication number: CZ2020357A3
Application number: CZ2020357A
Authority: CZ
Inventors: Lukáš Maňas; Lukáš Ing. Maňas; Jakub Huba; Jakub Ing. Huba; Martin Bednařík; Martin Ing. Bednařík; Václav Janoštík; Václav Ing. Janoštík
Original assignee: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-05-19
Also published as: CZ308793B6

Abstract

Zařízení obsahuje pevný rám, na němž je uložena tisková podložka s možností pohybu v ose (Y) a tisková sestava (viz obr.) obsahující tiskovou hlavu (3a) s možností pohybů v ose (X) a (Z). Tisková hlava (3a) je v tiskové sestavě doplněna alespoň jedním energetickým zdrojem (3b) k ohřevu již ochlazeného materiálu předcházející tištěné vrstvy (4a) v místě styku s proudem taveniny (4b) z tiskové hlavy (3a) s tím, že oblast (A), ovlivněná energetickým zdrojem (3b) je ve vzdálenosti (L) od osy tiskové hlavy (3a), při čemž tato vzdálenost (L) je limitována dostatečně vysokým tepelným ovlivněním předcházející tištěné vrstvy (4a) k materiálovému spojení bez studených spojů v oblasti (A).

Description

Zařízení pro aditivní 3D tisk s konstrukčním řešením eliminace studených spojů

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro aditivní 3D tisk s konstrukčním řešením eliminace studených spojů, zejména při výrobě vrstvených tvarově složitých součástí. Může se jednat o součásti, jejichž struktura je tvořena vrstveným materiálem, který může nebo nemusí obsahovat další částice, především plniva.

Dosavadní stav techniky

V technické praxi se objevuje velké množství součástí, při jejichž výrobě se využívá aditivní technologie 3D tisku. Limitem použité technologie jsou rozhraní vznikající v místech kontaktu jednotlivých vrstev. Tyto oblasti lze označit jako studené spoje, které negativně ovlivňují soudržnost vrstev tisknuté struktury a je možné je popsat jako spoj taveniny sjiž ochlazeným materiálem.

V současné době existuje několik vhodných metodik pro eliminaci vlivu studených spojů. Všechny metody úprav struktury, známé z dostupných informačních zdrojů, jsou uskutečňovány jako dodatečné technologické úpravy, které zvyšují časovou a finanční náročnost procesu výroby. Tyto dodatečné technologické operace jsou navíc převážně určeny pro úpravu vnějšího povrchu součásti, přičemž vnitřní struktura součásti zůstává těmito operacemi neovlivněna.

Podstata vynálezu

K odstranění výše uvedených nedostatků přispívá zařízení pro aditivní 3D tisk s konstrukčním řešením eliminace studených spojů podle vynálezu. Toto zařízení obsahuje, obdobně jako známá zařízení k 3D tisku, pevný rám, na němž je uložena tisková podložka s možností pohybu v ose Y a tisková sestava obsahující tiskovou hlavu s možností pohybů v ose X a Z.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že tisková hlava jev tiskové sestavě doplněna alespoň jedním energetickým zdrojem k ohřevu již ochlazeného materiálu předcházející tištěné vrstvy v místě styku s proudem taveniny z tiskové hlavy. Oblast A, ovlivněná energetickým zdrojem, je ve vzdálenosti L od osy tiskové hlavy, přičemž tato vzdálenost L je limitována dostatečně vysokým tepelným ovlivněním předcházející tištěné vrstvy k materiálovému spojení bez studených spojů v oblasti A.

Tisková sestávaje svýhodou vybavena pohybovým mechanismem energetického zdroje k jeho rotaci kolem osy vlastní, kolem osy tiskové sestavy a nejméně jedné osy vedlejší.

Tisková sestava s pohybovým mechanismem energetického zdroje je dále s výhodou vybavena řídicím systémem k zaměření tepelného účinku energetického zdroje do konkrétní, softwarově řízené či mechanicky nastavené oblasti A předcházející tištěné vrstvy rotací energetického zdroje kolem osy tiskové sestavy.

Tisková sestava může obsahovat minimálně jeden energetický zdroj. Může ale také obsahovat dva energetické zdroje rozmístěné po obvodu kruhu v úhlu a < 180° nebo a > 180° nebo tři energetické zdroje rozmístěné po obvodu kruhu v úhlech al = a2 = a3 nebo al = a2 ý a3 nebo al ý a2 = a3 nebo al ý a2 ý a3.

-1 CZ 2020 - 357 A3

Energetický zdroj může být realizován jako odporová hlavice různé geometrie. Varianty hlavic mohou být v přímém anebo nepřímém kontaktu s tisknutým materiálem. Energetický zdroj může být rovněž realizován pomocí laserového modulu.

Jednotlivá řešení tepelně ovlivňují místo styku taveniny s ochlazeným tisknutým materiálem, čímž v tisknuté struktuře vytváří spoj taveniny a natavené povrchové vrstvy již ochlazeného materiálu.

Přínosem vynálezu je to, že jednotlivé tištěné vrstvy struktury vykazují vyšší soudržnost následkem ohřevu předcházející tištěné vrstvy pomocí energetického zdroje tiskové sestavy.

Objasnění výkresů

K bližšímu objasnění vynálezu slouží přiložené výkresy, kde představuje:

obr. 1 - celkové schéma zařízení pro 3D tisk;

obr. 2 - varianty tvarové části odporové hlavice energetického zdroje;

obr. 3 - schéma energetického zdroje jako odporové hlavice pro nepřímý kontakt s materiálem;

obr. 4 - schéma energetického zdroje jako odporové hlavice pro přímý kontakt s materiálem;

obr. 5 - schéma energetického zdroje jako laserového modulu; a obr. 6 - varianty umístění energetického zdroje, resp. více energetických zdrojů vůči tiskové hlavě.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Zařízení pro aditivní 3D tisk s konstrukčním řešením eliminace studených spojů je v příkladném provedení (podle obr. 1) tvořeno pevným rámem 1, na němž je uložena tisková podložka 2 s možností pohybu v ose Y a tisková sestava 3 obsahující tiskovou hlavu 3a (viz obr. 3) s možností pohybů v ose X a Z.

Tisková hlava 3a je v tiskové sestavě 3 doplněna jedním energetickým zdrojem 3b (viz obr. 3 a obr. 6a) k ohřevu již ochlazeného materiálu předcházející tištěné vrstvy 4a v místě styku s proudem taveniny 4b vycházejícím z tiskové hlavy 3a. Oblast A, ovlivněná energetickým zdrojem 3b, je ve vzdálenosti L od osy tiskové hlavy 3a. Tato vzdálenost L je limitována dostatečně vysokým tepelným ovlivněním předcházející tištěné vrstvy 4a k materiálovému spojení bez studených spojů v oblasti A.

Tisková sestava 3 je vybavena pohybovým mechanismem energetického zdroje 3b k jeho rotaci kolem osy vlastní, kolem osy tiskové sestavy 3 a jedné osy vedlejší.

Tisková sestava 3 s pohybovým mechanismem energetického zdroje 3b je dále s výhodou vybavena řídicím systémem k zaměření tepelného účinku energetického zdroje do konkrétní, softwarově řízené či mechanicky nastavené oblasti A předcházející tištěné vrstvy rotací energetického zdroje kolem osy tiskové sestavy.

Tepelný zdroj 3b (podle obr. 3) je konstrukčně uspořádaný takovým způsobem, při kterém dochází k nepřímému kontaktu jedné z možných variant tvarové části odporové hlavice (podle obr. 2)

- 2 CZ 2020 - 357 A3 s vrstvou materiálu předcházející tištěné vrstvy 4a. Nepřímý kontakt je zobrazen oblastí A, přičemž je definován přestupem tepelné energie z tvarové části odporové hlavice tepelného zdroje 3b do vytištěného materiálu předcházející tištěné vrstvy 4a. Materiál - tavenina 4b vycházející z tiskové hlavy 3a je tak tisknut do tepelně ovlivněné oblasti A předcházející tištěné vrstvy 4a .

Příklad 2

Konstrukční uspořádání zařízení je principiálně shodné s příkladem 1. Tisková sestava 3, ale v tomto případě obsahuje dva energetické zdroje 3b, realizované jako elektrické tepelné zdroje, rozmístěné po obvodu kruhu v úhlu a =120° (viz obr. 6b).

Každý energetický zdroj 3b je v tomto případě konstrukčně uspořádaný takovým způsobem, při kterém dochází k přímému kontaktu jedné z možných variant tvarové části odporové hlavice (podle obr. 2) s vrstvou materiálu předcházející tištěné vrstvy 4a (viz obr. 4). Přímý kontakt je zobrazen oblastí A, přičemž je definován tupým kontaktem tvarové části odporovém hlavice a vytištěné vrstvy materiálu předcházející tištěné vrstvy 4a anebo zapuštěním temperované tvarové části odporové hlavice do vytištěné vrstvy materiálu předcházející tištěné vrstvy 4a. Materiál tavenina 4b vycházející z tiskové hlavy 3a je tak tisknut do tepelně ovlivněné oblasti A předcházející tištěné vrstvy 4a.

Příklad 3

Konstrukční uspořádání zařízení je principiálně shodné s příkladem 1. Tisková sestava 3 ale v tomto případě obsahuje tři energetické zdroje 3b rozmístěné po obvodu kruhu v úhlech al = α2 = a3 = 120° (viz obr. 6c).

Každý energetický zdroj 3b je v tomto případě realizován jako laserový modul (viz obr. 5). Energetický zdroj 3b je konstrukčně uspořádaný takovým způsobem, při kterém dochází ke kontaktu soustředěného laserového paprsku laserového modulu s vrstvou materiálu předcházející tištěné vrstvy 4a v ovlivněné oblasti A. Materiál - tavenina 4b vycházející z tiskové hlavy 3a je tak tisknut do tepelně ovlivněné oblasti A předcházející tištěné vrstvy 4a.

Průmyslová využitelnost

Oslabení struktur vyráběných s pomocí aditivní technologie 3D tisku studenými spoji je negativní vlastnost technologií 3D tisku. Oslabení soudržnosti a zvýšená možnost vnikání látek plynných i kapalných skupenství omezuje použití 3D tištěných struktur v jednotlivých průmyslových odvětvích. Na základě předloženého vynálezu je možné zcela odstranit vznikající studené spoje a zaručit tak pozitivní zlepšení vlastností 3D tištěných struktur.

Řešení je vhodné pro výzkumné ústavy, laboratoře a zejména pro průmyslovou praxi. Použitím navrhnutého řešení je možné se dosáhnout srovnatelných výsledků se součástmi vstřikovanými.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro aditivní 3D tisk s konstrukčním řešením eliminace studených spojů, zejména u 3D tisku vrstvených tvarově složitých součástí, obsahující pevný rám (1), na němž je uložena tisková podložka (2) s možností pohybu v ose (Y) a tisková sestava (3) obsahující tiskovou hlavu (3a) s možností pohybů v ose (X) a (Z), vyznačující se tím, že tisková hlava (3a) je v tiskové sestavě (3) doplněna alespoň jedním energetickým zdrojem (3b) k ohřevu již ochlazeného materiálu předcházející tištěné vrstvy (4a) v místě styku s proudem taveniny (4b) z tiskové hlavy (3a) s tím, že oblast (A), ovlivněná energetickým zdrojem (3b), je ve vzdálenosti (L) od osy tiskové hlavy (3a), přičemž tato vzdálenost (L) je limitována dostatečně vysokým tepelným ovlivněním předcházející tištěné vrstvy (4a) k materiálovému spojení bez studených spojů v oblasti (A).
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že tisková sestava (3) je vybavena pohybovým mechanismem energetického zdroje (3b) k jeho rotaci kolem osy vlastní, kolem osy tiskové sestavy (3) a nejméně jedné osy vedlejší.
3. Zařízení podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že tisková sestava (3) s pohybovým mechanismem energetického zdroje (3b) je vybavena řídicím systémem k zaměření tepelného účinku energetického zdroje (3b) do konkrétní, softwarově řízené či mechanicky nastavené oblasti (A) předcházející tištěné vrstvy (4a) rotací energetického zdroje (3b) kolem osy tiskové sestavy (3).
4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že tisková sestava (3) obsahuje jeden energetický zdroj (3b).
5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že tisková sestava (3) obsahuje dva energetické zdroje (3b) rozmístěné po obvodu kruhu v úhlu a < 180° nebo a > 180°.
6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že tisková sestava (3) obsahuje tři energetické zdroje (3b) rozmístěné po obvodu kruhu v úhlech al = a2 = a3 nebo al = a2 / a3 nebo al a2 = a3 nebo al a2 a3.
7. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že energetickým zdrojem (3b) je odporová hlavice pro přímý kontakt tvarové části odporové hlavice s ohřívaným materiálem předcházející natištěné vrstvy (4a).
8. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že energetickým zdrojem (3b) je odporová hlavice pro nepřímý kontakt tvarové části odporové hlavice s ohřívaným materiálem předcházející natištěné vrstvy (4a).
9. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že energetickým zdrojem (3b) je laserový modul.