ES2912554T3 - Cabezal de modelado para máquina de impresión tridimensional y proceso de calibración de dicho cabezal de modelado - Google Patents

Abstract

Un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional, que comprende: - un cuerpo (20) base que tiene una superficie (22) de trabajo adecuada para permitir la formación y adhesión de un objeto; - un dispositivo (30) de soporte conectado a dicho cuerpo (20) base; - un miembro (40) de movimiento conectado al dispositivo (30) de soporte y que tiene la función de mover operativamente dicho cuerpo (20) base, en el que dicho dispositivo (30) de soporte es ajustable de tal manera que cambia la orientación del cuerpo (20) base, y en particular de dicha superficie (22) de trabajo, con respecto al elemento (40) de movimiento y está configurado para conmutar de forma automatizada entre una configuración desbloqueada, en la que permite cambiar la orientación del cuerpo (20) base con respecto al elemento (40) de movimiento, y una configuración bloqueada, en la que bloquea la orientación asumida por el cuerpo (20) base con respecto al elemento de movimiento, y en el que dicho dispositivo (30) de soporte ajustable comprende una pluralidad de varillas (32) conectadas al cuerpo (20) base, caracterizado porque para cada barra (32) el cabezal de modelado comprende además una respectiva mordaza (33) configurada para asumir una configuración de sujeción correspondiente a dicha configuración bloqueada del dispositivo (30) de soporte ajustable y en donde bloquea en posición la respectiva barra (32), y una posición de liberación correspondiente a dicha configuración desbloqueada del dispositivo (30) de soporte ajustable y en el que permite una traslación longitudinal de la respectiva barra (32) en la respectiva mordaza (33).

Description

DESCRIPCIÓN

Cabezal de modelado para máquina de impresión tridimensional y proceso de calibración de dicho cabezal de modelado

La presente invención se refiere a un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional. La invención también se refiere a un proceso para calibrar el cabezal de modelado mencionado anteriormente.

Con mayor detalle, la presente invención se enmarca dentro del campo de la denominada “ impresión 3D”, o “estereolitografía”, que, como es bien sabido, es una técnica que permite producir objetos tridimensionales solidificando y superponiendo una pluralidad de capas obtenidas a partir de una resina líquida susceptible de solidificarse bajo la acción de un estímulo externo.

La técnica de impresión tridimensional tiene un uso específico y eficaz en la producción de prototipos para varios tipos de industrias, desde el sector del plástico hasta el de la orfebrería.

De acuerdo con la técnica anterior, una máquina de impresión tridimensional comprende un depósito para contener la resina líquida y un cabezal de modelado dotado de una superficie de trabajo, generalmente plana, adaptada para soportar las capas solidificadas del objeto tridimensional a producir. Además, existe un dispositivo de estimulación de resina que consta de una fuente de irradiación, normalmente un emisor láser o un proyector de luz (en la jerga técnica denominada DLP, Digital Light Processing), capaz de irradiar selectivamente la capa de resina líquida adyacente al fondo del depósito, para solidificarlo. Más detalladamente, cada capa del objeto se obtiene estimulando selectivamente la resina de manera que se solidifique en los puntos que constituyen una sección correspondiente del objeto a producir.

De acuerdo con una técnica conocida muy extendida, la fuente de irradiación se sitúa por debajo del depósito, cuyo fondo es convenientemente transparente a la radiación emitida por la propia fuente. En este caso, el proceso de impresión tridimensional requiere en primer lugar que el cabezal de modelado esté dispuesto con su superficie de trabajo hacia abajo, de modo que quede mirando hacia el fondo del depósito, y posicionado a una distancia del fondo del depósito que es igual al espesor de la primera capa a solidificar. Posteriormente, la fuente de irradiación irradia selectivamente la capa de resina líquida adyacente al fondo del depósito para solidificarla. En mayor detalle, el cabezal de modelado está configurado para que la capa solidificada se adhiera a él, mientras que el fondo del depósito, por el contrario, tiene un recubrimiento que reduce dicha adherencia. Para la formación de cada capa posterior, el cabezal de modelado se aleja del fondo del depósito, cada vez en una cantidad igual al espesor de la capa que se va a producir, para restaurar el espesor de resina líquida necesaria para procesar la siguiente capa. Al final de la producción multicapa, se levanta el cabezal de modelado, sacando el producto de la resina, y se recupera el producto por separación de la superficie de trabajo.

En esta solución conocida, el espesor de cada capa está definido por la porción de resina líquida delimitada por abajo por el fondo del depósito y por arriba por la superficie de trabajo del cabezal de modelado (en el caso de la primera capa) o de la última capa producida.

De ello se deduce que la producción de capas de espesor uniforme, característica esencial para la regularidad de los productos a realizar, requiere que la superficie de trabajo del cabezal de modelado esté perfectamente alineada con el fondo del depósito que contiene la resina y se coloque en una distancia precisa (generalmente igual al espesor de la primera capa a imprimir), genéricamente entre 10 y 200 micrómetros, con un error máximo en cuanto a desalineación no superior a 5 micrómetros.

En el estado actual de la técnica, este paralelismo se gestiona mediante sistemas de compensación de tipo manual que son muy laboriosos de implementar e introducen niveles de precisión insuficientes en relación con el estándar requerido.

De acuerdo con el estado de la técnica, se conoce el documento US2017/0173881; este muestra una impresora tridimensional provista de un soporte bloqueable selectivamente.

La tarea técnica de la presente invención es proporcionar un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional que supere los inconvenientes antes mencionados de la técnica anterior.

En particular, es un objeto de la invención proporcionar un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional, así como un proceso para la calibración del mismo, que permite una alta precisión de producción, en particular en términos de tolerancias de espesor de las capas producidas.

Es otro objeto de la invención proporcionar un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional, así como un proceso para la calibración del mismo, que simplifica los procedimientos de ajuste preliminar.

La tarea técnica indicada y los objetos especificados se logran sustancialmente mediante un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional, así como un proceso para la calibración del mismo, que comprende las características técnicas divulgadas en las reivindicaciones independientes y/o en una o más de las reivindicaciones dependientes. Las reivindicaciones dependientes corresponden a otras realizaciones del cabezal de modelado de acuerdo con la presente invención.

Las características y ventajas adicionales de la presente invención se harán más evidentes a partir de la descripción aproximada, y por lo tanto no limitativa, de una realización preferida, pero no exclusiva, de un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional, así como un proceso para su calibración, tal como se ilustra en los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 muestra un cabezal de modelado de acuerdo con la presente invención;

La Figura 2 muestra el cabezal de modelado de la Figura 1 de acuerdo con un ángulo diferente;

La Figura 3 muestra una ampliación de un detalle del cabezal de modelado de la Figura 1;

La Figura 4 muestra una vista parcialmente despiezada del cabezal de modelado ilustrado en la Figura 1;

Las Figuras 5 a 8 muestran el cabezal de modelado de la Figura 1 en una secuencia de etapas operativas del proceso de calibración de acuerdo con la invención.

Con referencia a las figuras, el número 10 indica en su totalidad un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional.

Con referencia particular a las Figuras 1,2 y 4, el cabezal 10 de modelado comprende un cuerpo 20 base, conectado al cual hay un dispositivo 30 de soporte conectado a su vez a un miembro 40 de movimiento (parcialmente visible en la Figura 2) con la función de mover funcionalmente el cuerpo 20 base en una dirección vertical.

Más detalladamente, el cuerpo 20 base tiene sustancialmente forma de caja, interiormente hueco y provisto en la parte inferior de una plataforma 21 plana que define una superficie 22 de trabajo inferior, que define una zona de agarre para la primera capa de un producto multicapa a producir.

Como puede verse en la Figura 4, dispuesto dentro del cuerpo 20 base se encuentra un cuerpo 23 extractor o placa accionado por un respectivo actuador independiente cooperando con la superficie 22 de trabajo y que tiene un perfil adaptado para penetrar la superficie 22 de trabajo en uno o más puntos para promover el desprendimiento, de la superficie 22 de trabajo, de un objeto formado y adherido a esta última. Más detalladamente, la placa 23 extractora está provista de protuberancias 24 configurados para pasar a través de correspondientes aberturas practicadas en la plataforma 21 de manera que sobresalgan del fondo de ésta y faciliten el desprendimiento del objeto multicapa una vez finalizada la producción.

Con referencia al dispositivo 30 de soporte (que se puede ver, por ejemplo, en la Figura 2), comprende una placa 31 de soporte y un medio ajustable dispuesto para conectar la placa 31 de soporte con el cuerpo 20 base y configurado para permitir un cambio en la orientación del cuerpo 20 base, y en particular de la superficie 22 de trabajo, con respecto al elemento 40 de movimiento. En virtud de tales medios ajustables, el dispositivo 30 de soporte puede cambiar de manera automática (es decir, de manera mecanizada, por lo tanto, mediante sistemas mecánicos de accionamiento y transmisión) entre una configuración desbloqueada, en la que permite un cambio en la orientación del cuerpo 20 base con respecto al elemento 40 de movimiento, y una configuración bloqueada, en la que bloquea la orientación asumida por el cuerpo 20 base con respecto al elemento 40 de movimiento. Tal conmutación, en virtud de la mecanización, tiene lugar casi instantáneamente, en particular por el accionamiento simultáneo de las mordazas 33. La conmutación tiene lugar, por ejemplo, por orden del usuario (presionando un botón de inicio y/o parada de calibración) o como parte de un proceso completamente automático, por ejemplo, a través de una rutina accionada por una unidad de procesamiento y control perteneciente a las tres máquinas de impresión dimensional.

En la realización ilustrada, los medios ajustables comprenden una pluralidad de varillas 32 conectadas al cuerpo 20 base y, para cada barra 32, una respectiva mordaza 33 configurada para asumir una configuración de sujeción, correspondiente a la mencionada configuración bloqueada del dispositivo 30 de soporte y en la que bloquea en posición la respectiva barra 32, y una posición de liberación, correspondiente a dicha configuración desbloqueada del dispositivo 30 de soporte y en la que permite una traslación longitudinal de la respectiva barra 32 en la respectiva mordaza 33.

Para permitir el guiado de las varillas 32, la placa 31 está provista de orificios 34 (figura 4) en cuyo interior se alojan deslizantemente las varillas 32 y cada uno de los cuales está asociado a una respectiva mordaza 33 para permitir o impedir la traslación de la barra 32 a través del orificio 34.

Para absorber cualquier desalineación (o en cualquier caso cambios de orientación) entre el cuerpo 20 base y el elemento 40 de movimiento, cada barra 32 está conectada al cuerpo 20 base de manera ajustable y/o flotante, de tal manera que la barra 32 puede cambiar su inclinación con respecto al cuerpo 20 base y preferiblemente también realizar un pequeño movimiento transversal en el punto de unión con el cuerpo 20 base y/o en el acoplamiento entre la barra 32 y el orificio 34. Cada barra 32 está preferiblemente unida al cuerpo 20 base por medio de una conexión esférica, en particular por medio de un extremo en forma de esfera de la barra 32 insertado en un alojamiento en forma de esfera realizado en el cuerpo 20 base.

Además, cada barra 32 está asociada preferentemente con un respectivo resorte 32a opuesto (que se puede ver, por ejemplo, en las Figuras 4 y 5) para mantener la barra 32 empujada en dirección axial hacia una posición de final de carrera de la barra. El resorte 32a opuesto es preferiblemente un resorte de compresión configurado para mantener el cuerpo 20 base alejado del dispositivo 30 de soporte y el miembro 40 de movimiento.

En la realización ilustrada, se prevén cuatro varillas 32 e igual número de mordazas 33, pero el número de varillas y mordazas correspondientes podría ser cualquiera (preferiblemente un número mínimo de tres, pudiendo optimizarse un soporte más isostático con tres varillas).

Las mordazas 33 y el principio de funcionamiento de las mismas se pueden ver en detalle en las Figuras 2 y 3.

En particular, cada mordaza 33 está definida por un miembro que es elásticamente deformable entre las configuraciones de sujeción y liberación mencionadas anteriormente. En esta realización, como se puede apreciar en la imagen explosionada de la Figura 4, cada mordaza 33 posee un asiento (no visible en las Figuras anexas) para el paso de la respectiva barra 32 y en particular aproximado, pero mayor que el tamaño de sección transversal de la barra 32 en la configuración de liberación para permitir la traslación libre de la barra 32 en la mordaza 33 cuando esta última no está sujeta. Con referencia a la Figura 5, el asiento está abierto lateralmente, es decir, tiene una ranura 35 que se extiende desde una parte lateral del asiento hasta un perfil exterior de la mordaza 33 para permitir una deformación elástica de la mordaza 33 en la ranura 35 para permitir la sujeción de la mordaza 33 en la respectiva barra 32 en la configuración de sujeción de la mordaza 33.

En esta realización, cada mordaza 33 está formada por una sola pieza, preferentemente metálica.

Alternativamente, en lugar de estar definidas por miembros de una sola pieza elásticamente deformables, las mordazas 33 pueden estar definidas cada una por miembros articulados que delimitan entre ellos un asiento para el paso de la respectiva barra 32 para sujetar o liberar la propia barra 32 bajo comando.

Ventajosamente, las mordazas 33 están asociadas con respectivos actuadores 36 (que pueden verse, por ejemplo, en las Figuras 1, 2 y 4) configurados para cambiar las mordazas 33 entre las respectivas configuraciones de sujeción y liberación. Cada actuador 36 está preferentemente asociado con un par de mordazas 33.

El actuador 36 es de tipo lineal, preferentemente de pistón hidráulico o neumático o electromagnético de tornillo/tuerca.

Como se puede apreciar mejor en las Figuras 2 y 3, el actuador 36 actúa sobre las respectivas mordazas 33 por medio de un respectivo elemento 37 de transmisión de leva. El elemento 37 de transmisión pivota sobre la placa 31 para girar como resultado de la acción del actuador respectivo 36 y está configurado para ejercer una presión sobre ambas mordazas 33 respectivas en la dirección de sujeción durante la rotación alrededor del pasador respectivo. En otras palabras, el elemento 37 de transmisión está conectado excéntricamente (con respecto a su pasador de pivote) al actuador 36 y tiene un par de superficies de leva cada una mirando hacia la respectiva mordaza 33 y en contacto deslizante con esta última para producir un cambio en la compresión en la mordaza 33 siguiendo la rotación del elemento 37 de transmisión. De esta manera, cada actuador 36 realiza una sujeción o liberación simultánea de dos mordazas 33 (incluso si, como se mencionó anteriormente, el concepto inventivo es aplicable a un número diferente de actuadores, por ejemplo, un actuador para cada mordaza o un solo actuador para todas las mordazas).

Con referencia al elemento 40 de movimiento, comprende un elevador mecánico (por ejemplo, hidráulico o mecánico, del tipo de alta precisión) que tiene una parte móvil fijada al dispositivo 30 de soporte y en particular a la placa 31.

El elemento 40 de movimiento puede ser, por ejemplo, del tipo descrito en la solicitud de patente EP3205484 a nombre del Solicitante, sobre el que se disponen tres cabezas de modelado, separadas angularmente entre sí por 120°.

Las Figuras 5 a 8 ilustran una secuencia de operaciones relacionadas con un proceso para calibrar el cabezal 10 de modelado de acuerdo con la invención.

La Figura 5 muestra el cabezal 10 de modelado en una posición frente a un depósito 100 para contener una resina y de acuerdo con una orientación genérica que está desalineada con respecto al fondo 110 del depósito 100.

La Figura 6 muestra la etapa posterior de contacto del cabezal 10 de modelado con el fondo 110 del depósito 100, en el que la superficie 22 de trabajo queda alineada (superposición) con el fondo 110 del depósito 100 gracias a la absorción de la desalineación anterior habilitada por las varillas 32 (cuyas carreras en los respectivos orificios 34 son diferentes para compensar el cambio de inclinación).

La Figura 7 muestra una etapa posterior de elevación del cabezal 10 de modelado, por ejemplo, al final de la producción del objeto multicapa (no mostrado en las figuras).

La Figura 8 muestra una etapa final del proceso productivo, en el que se baja el cuerpo 23 extractor, penetrando en la plataforma 21 y permitiendo así el desprendimiento del objeto multicapa previamente adherido a la superficie 22 de trabajo.

La presente invención logra los objetos propuestos, superando los inconvenientes de los que se queja en la técnica anterior.

En particular, la invención permite regular, de manera totalmente automática, la inclinación de la plataforma del cabezal de modelado, y en particular de la superficie de trabajo, en perfecta alineación (paralelismo) con el fondo del tanque. Esto es posible gracias a que el dispositivo de apoyo puede adoptar una configuración desbloqueada en la que, con las mordazas liberadas, un simple descenso del cabezal y posterior contacto de la plataforma con el fondo del depósito provoca una autoadaptación de la inclinación de la plataforma. Posteriormente, la sujeción automática de las varillas por medio de las mordazas permite inmovilizar la inclinación asumida por la plataforma; puede permanecer sin cambios durante todo el proceso de producción del objeto multicapa.

El proceso está claramente dotado de alta precisión y rapidez de ejecución, ya que es totalmente automático sin necesidad de intervenciones de ajuste manual.

Además, la utilización del cabezal de modelado según la invención asegura simultáneamente la determinación de la posición absoluta de la superficie de trabajo, estando ésta inevitablemente en el cero mecánico del depósito de fondo (es decir en contacto con este último). En otras palabras, la invención permite configurar fácilmente la denominada “máquina cero”. Finalmente, el uso de software capaz de memorizar el punto cero de extracción permite tener un posicionamiento absoluto para cada rutina de impresión, incluso en el caso de que la plataforma o el fondo del depósito cambien de espesor.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Un cabezal de modelado para una máquina de impresión tridimensional, que comprende:

- un cuerpo (20) base que tiene una superficie (22) de trabajo adecuada para permitir la formación y adhesión de un objeto;

- un dispositivo (30) de soporte conectado a dicho cuerpo (20) base;

- un miembro (40) de movimiento conectado al dispositivo (30) de soporte y que tiene la función de mover operativamente dicho cuerpo (20) base,

en el que dicho dispositivo (30) de soporte es ajustable de tal manera que cambia la orientación del cuerpo (20) base, y en particular de dicha superficie (22) de trabajo, con respecto al elemento (40) de movimiento y está configurado para conmutar de forma automatizada entre una configuración desbloqueada, en la que permite cambiar la orientación del cuerpo (20) base con respecto al elemento (40) de movimiento, y una configuración bloqueada, en la que bloquea la orientación asumida por el cuerpo (20) base con respecto al elemento de movimiento, y en el que dicho dispositivo (30) de soporte ajustable comprende una pluralidad de varillas (32) conectadas al cuerpo (20) base, caracterizado porque para cada barra (32) el cabezal de modelado comprende además una respectiva mordaza (33) configurada para asumir una configuración de sujeción correspondiente a dicha configuración bloqueada del dispositivo (30) de soporte ajustable y en donde bloquea en posición la respectiva barra (32), y una posición de liberación correspondiente a dicha configuración desbloqueada del dispositivo (30) de soporte ajustable y en el que permite una traslación longitudinal de la respectiva barra (32) en la respectiva mordaza (33).

2. El cabezal de modelado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo (30) de soporte ajustable comprende además una placa (31) de soporte fijada al elemento (40) de movimiento y provista de orificios (34) en los que se alojan deslizantemente dichas varillas (32), cada orificio (34) está asociado con una mordaza (33) respectiva para permitir o impedir la traslación de la barra (32) a través del orificio (34).

3. El cabezal de modelado de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que cada barra (32) está conectada al cuerpo (20) base de manera ajustable y/o flotante, preferiblemente mediante una conexión esférica, para absorber cambios en la inclinación de la superficie (22) de trabajo con respecto al elemento (40) de movimiento.

4. El cabezal de modelado de acuerdo con una o más de las reivindicaciones anteriores, en el que dichas mordazas (33) están asociadas con uno o más actuadores (37) respectivos configurados para conmutar dichas mordazas (33) entre las respectivas configuraciones de sujeción y liberación, dichas mordazas (33) están preferentemente asociadas por parejas a un mismo actuador (36).

5. El cabezal de modelado de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicho actuador (36) es de tipo lineal, preferiblemente un pistón hidráulico o neumático o un actuador electromagnético de tornillo/tuerca, y actúa sobre al menos una mordaza (33) por medio de un elemento (37) de transmisión de leva respectiva.

6. El cabezal de modelado de acuerdo con una o más de las reivindicaciones anteriores, en el que cada una de dichas mordazas (33) está definida por un miembro, preferiblemente de una pieza, que es elásticamente deformable entre dichas configuraciones de sujeción y liberación, y en el que cada mordaza (33) tiene un asiento para el paso de la respectiva barra (32), dicho asiento está abierto lateralmente para permitir una sujeción de la mordaza (33) sobre la respectiva barra (32) en la configuración de sujeción de la mordaza (33).

7. El cabezal de modelado de acuerdo con una o más de las reivindicaciones anteriores, en el que cada barra (32) está asociada con un respectivo resorte (32a) opuesto para mantener dicha barra (32) empujada en una dirección axial hacia la posición de final de carrera de dicha barra (32), dicho resorte (32a) está opuesto preferentemente a un resorte de compresión configurado para mantener el cuerpo (20) base alejado del dispositivo (30) de soporte.

8. El cabezal de modelado de acuerdo con una o más de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho elemento (40) de movimiento comprende un elevador mecánico que tiene una parte móvil fijada a dicho dispositivo (30) de soporte, preferiblemente a dicha placa (31) de soporte.

9. El cabezal de modelado de acuerdo con una o más de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un cuerpo (23) extractor que coopera con dicha superficie (22) de trabajo y que tiene un perfil adecuado para penetrar dicha superficie (22) de trabajo en uno o más puntos para promover el desprendimiento, de dicha superficie (22) de trabajo, de un objeto conformado adherido a dicha superficie (22) de trabajo.

10. Una máquina de impresión tridimensional, que comprende;

- un depósito (100) que contiene o es apto para contener un líquido solidificable y asociado a un medio de irradiación; - un cabezal (10) de modelado de acuerdo con una o más de las reivindicaciones anteriores; en el que dicho elemento (40) de movimiento está configurado para provocar un movimiento lineal del cuerpo (20) base acercándose y alejándose de una pared (110) inferior de dicho depósito (100).

11. Un proceso para calibrar el cabezal de modelado de acuerdo con una o más de las reivindicaciones anteriores 1 a 9, que comprende las etapas de:

- colocar dicho cabezal (10) de modelado con la superficie (22) de trabajo dispuesta en una posición enfrentada a un depósito (100) que contiene o es apto para contener un líquido para modelado tridimensional;

- provocar una conmutación de dicho dispositivo (30) de soporte a la configuración desbloqueada;

- acercar el cabezal (10) de modelado al fondo (110) del depósito (100) hasta lograr contacto con la alineación de la superficie (22) de trabajo con el fondo (110) del depósito (100);

- conmutar dicho dispositivo (30) de soporte a la configuración bloqueada;

- alejar el cabezal (10) de modelado del fondo (110) del depósito (100) para poder preparar el producto multicapa de un modelo tridimensional por irradiación del líquido interpuesto entre el fondo (100) del depósito (100) y dicha superficie (22) de trabajo.