IT201800002833A1 - Metodo per la verifica dimensionale di modelli generati mediante fabbricazione additiva. - Google Patents

Description

METODO PER LA VERIFICA DIMENSIONALE DI MODELLI GENERATI MEDIANTE FABBRICAZIONE ADDITIVA.

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda un metodo per la verifica dimensionale di modelli generati mediante fabbricazione additiva.

Come noto, la fabbricazione additiva (additive manufacturing, denominata anche comunemente “stampa tridimensionale”) oggigiorno sta trovando ampio impiego in svariati settori.

Nel settore biomedicale, al quale il presente trovato fa particolare riferimento, è sempre più diffusa la pratica di riprodurre ossa od altre parti anatomiche di pazienti mediante stampa tridimensionale, per esempio a scopo di analisi e diagnosi di patologie, oppure di simulazione di un intervento chirurgico.

Il modello viene prodotto sulla base di un'immagine tridimensionale virtuale dell'organo, che può essere ricostruita partendo dalle immagini bidimensionali ottenute tramite tomografia computerizzata (TC) o risonanza magnetica (MRI).

Tra le tecnologie note per la stampa tridimensionale, si citano ad esempio la modellazione a deposizione fusa (Fused Deposition Modeling, FDM), la sinterizzazione selettiva via laser (Selective Laser Sintering, SLS), la stereolitografia (stereolithography apparatus, SLA), ed altre.

A seconda del settore d'impiego, i modelli prodotti devono rispondere a standard qualitativi diversi in termini di tolleranza dimensionale.

Con riferimento al settore biomedicale, è richiesta una precisione tipicamente del decimo di millimetro.

Attualmente, il controllo dimensionale viene eseguito da personale specializzato mediante strumenti manuali quali calibri, micrometri e simili, oppure mediante apparecchi di misura automatizzati quali tastatori, scanner tridimensionali, e simili.

Tuttavia, la necessità di impiegare personale specializzato per il controllo dimensionale comporta costi elevati e limitazioni pratiche.

In particolare, sarebbe desiderabile installare la stampante tridimensionale direttamente nel luogo in cui il modello prodotto dovrà essere utilizzato, tipicamente un ospedale, una clinica, un laboratorio, ecc., con il processo di stampa che viene gestito da un tecnico specializzato operante da remoto.

Tuttavia, in questo caso il tecnico specializzato dovrà comunque recarsi sul luogo di fabbricazione per il controllo dimensionale, oppure il modello finito dovrebbe essere inviato al tecnico specializzato e, dopo le verifiche, restituito da quest'ultimo all'utente, con evidenti complicazioni gestionali.

Un altro inconveniente dei sistemi di verifica dimensionale noti è che l'attrezzatura per effettuare le misurazioni può avere costi di acquisto e costi di manutenzione relativamente elevati, soprattutto nel caso di apparecchi di misura automatizzati quali quelli sopra citati.

Pertanto, lo scopo principale del presente trovato è quello di realizzare un metodo per la verifica dimensionale di modelli generati mediante fabbricazione additiva che sia affidabile e preciso, e che possa essere effettuato con elevata ripetibilità da personale non specializzato sulla base di semplici istruzioni, così da consentire la gestione da remoto dell'intero processo.

Un altro scopo del trovato è quello di realizzare un metodo che abbia costi di esecuzione ridotti.

Un ulteriore scopo del trovato è quello di realizzare un metodo che possa essere applicato indifferentemente a qualsiasi tecnologia di fabbricazione additiva.

Il suddetto scopo ed altri vantaggi, quali risulteranno più chiaramente dal seguito della descrizione, sono raggiunti da un metodo avente le caratteristiche esposte nella rivendicazione 1, mentre le rivendicazioni dipendenti definiscono altre caratteristiche vantaggiose del trovato, ancorché secondarie.

Si descriverà ora in maggior dettaglio il trovato, con riferimento ad una sua realizzazione preferita ma non esclusiva, illustrata a titolo d'esempio non limitativo negli uniti disegni, in cui:

La Fig. 1 è una vista frontale di una generica stampante tridimensionale, tramite la quale può essere eseguito il metodo di verifica dimensionale secondo il trovato;

la Fig. 2 è una vista in elevazione laterale di due corpi prodotti dalla stampante tridimensionale di Fig. 1 quando predisposta per realizzare il metodo secondo il trovato, in assenza di errori dimensionali;

la Fig. 3 illustra i corpi di Fig. 2 durante la fase di verifica dimensionale eseguita mediante il metodo secondo il trovato;

le Figg. 4 e 5 sono due viste simili alle Figg. 3 e 4 rispettivamente, nelle quali tuttavia i corpi presentano errori dimensionali;

la Fig. 6 è una vista prospettica che illustra due corpi più complessi prodotti dalla stampante tridimensionale di Fig. 1, quando predisposta per realizzare il metodo secondo il trovato;

la Fig. 7 è una vista in elevazione laterale dei due corpi di Fig. 6 disposti sul piano di riferimento della stampante tridimensionale;

la Fig. 8 illustra i corpi delle Figg. 6 e 7 durante la fase di verifica dimensionale eseguita mediante il metodo secondo il trovato;

la Fig. 9 illustra un primo elemento accessorio del metodo secondo trovato;

la Fig. 10 illustra un secondo elemento accessorio del metodo secondo trovato.

A titolo d'esempio, la presente descrizione fa riferimento alla tecnologia di fabbricazione additiva denominata “modellazione a deposizione fusa” (FDM).

Cionondimeno, come risulterà più chiaramente dal seguito della descrizione, il metodo secondo il trovato è parimenti applicabile a qualsiasi tecnologia di fabbricazione additiva.

Nella modellazione a deposizione fusa, un filamento di materiale polimerico viene riscaldato da una resistenza ed estruso attraverso un ugello mobile lungo i tre assi cartesiani rispetto ad un piano di riferimento, sul quale viene generato il modello mediante sovrapposizione di strati di materiale.

Con riferimento iniziale alla Fig. 1, una generica stampante tridimensionale 10 per modellazione a deposizione fusa comprende un basamento 12 che supporta il piano di riferimento 14 su una prima coppia di guide orizzontali 16 estendentisi lungo un primo asse orizzontale Y. Il piano di riferimento 14 è trascinato a traslare lungo la prima coppia di guide orizzontali 16 da primi mezzi motori 18.

Sul basamento 12 è fissato un portale 22, il quale supporta una traversa 24 su una coppia di guide verticali 26 estendentisi lungo l'asse verticale Z. La traversa 24 è trascinata a traslare lungo le guide verticali 26 da secondi mezzi motori 28.

La traversa 24 supporta una testa di estrusione 30, dotata della resistenza 32 e dell'ugello 34 menzionati in precedenza, tramite una seconda coppia di guide orizzontali 36 estendentisi lungo un secondo asse orizzontale X perpendicolare al primo asse orizzontale Y. La testa di estrusione 30 è trascinata a traslare lungo la seconda coppia di guide orizzontali 36 da terzi mezzi motori 38.

Come menzionato in precedenza, la testa di estrusione 30 è alimentata con un filamento F di materiale polimerico che viene riscaldato dalla resistenza 32 ed estruso sul piano di riferimento 14 attraverso l'ugello 34.

In modo di per sé convenzionale, un elaboratore 42 è programmato per controllare i movimenti della testa di estrusione 30 lungo i tre assi cartesiani in modo da generare, strato dopo strato, un modello I (Fig. 2) sulla base di un disegno tridimensionale prestabilito.

Come noto, il modello generato può presentare degli errori dimensionali dovuti a vari fattori, quali: sbalzi di corrente durante la generazione del pezzo, i quali possono causare movimenti imprevisti ed incontrollati dei motori; comportamenti anomali del materiale dovuti a sbalzi di temperatura, disomogeneità del materiale, ecc.; errori di calibrazione del piano di riferimento 14; errori nel disegno tridimensionale; ed altri.

Pertanto, per le applicazioni più critiche è richiesta una verifica dimensionale precisa del modello fabbricato.

Secondo il trovato, la verifica dimensionale viene eseguita generando, parallelamente al modello I, almeno un elemento di controllo M avente un profilo coincidente con quello del modello I in almeno due punti di contatto P1, P2.

Preferibilmente, i due punti di contatto P1, P2 giacciono su una retta R inclinata di un primo angolo a rispetto agli strati di materiale del modello I, e di un secondo angolo β diverso dal primo angolo a rispetto agli strati di materiale dell'elemento di controllo M.

Nell'esempio delle Figg. 2, 3, una dimensione da verificare è la distanza D tra due cuspidi I1 e I2 del modello I. L'elemento di controllo M presenta quindi due porzioni appuntite M1 e M2 le cui estremità, in caso di produzione corretta, devono coincidere con le estremità delle due cuspidi I1 e I2.

La Fig. 2 illustra il modello I e l'elemento di controllo M disposti sul piano di riferimento 14 nella posizione in cui vengono generati, mentre la Fig. 3 illustra il modello I e l'elemento di controllo M mentre vengono fatti combaciare nei punti P1 e P2 per verificare che la distanza D sia corretta. In questo esempio, l'angolo a ha un valore di circa 60°, mentre l'angolo b è pari a 0.

Mentre il modello I illustrato nelle Figg. 2 e 3 è dimensionato correttamente, il modello I' illustrato nelle Figg. 4 e 5 (dove le parti simili sono identificate dai medesimi riferimenti con l'aggiunta di un apice) presenta un errore dimensionale lungo l'asse verticale Z. In Fig. 4, il profilo corretto del modello e dell'elemento di controllo è illustrato con linea tratteggiata per evidenziare l'errore dimensionale.

Come illustrato nelle Figg. 2 e 4, l'angolo a, a' compreso tra la retta R, R' che unisce i due punti P1, P1' e P2, P2' e gli strati di materiale del modello I, I', è diverso dall'angolo b, b' compreso tra la retta R, R' e gli strati di materiale dell'elemento di controllo M, M'.

Di conseguenza, l'errore generatosi lungo l'asse Z durante la fabbricazione del modello I', come evidenziato in Fig. 4, pur interessando sia il modello I' sia l'elemento di controllo M', è rilevabile dalla mancata coincidenza tra i profili in corrispondenza dei punti P1' e P2' all'atto del confronto (Fig. 5).

Si è constatato anche in pratica che, poiché l'errore si propaga principalmente lungo l'asse verticale Z, è preferibile che i due punti P1, P2 del modello da verificare siano distanziati tra loro il più possibile lungo l'asse Z in fase di fabbricazione, compatibilmente con le esigenze produttive, in modo che l'eventuale errore risulti più evidente.

Nell'uso, l'elaboratore viene programmato in modo da generare il modello e parallelamente, utilizzando il medesimo materiale, l'elemento di controllo. Nella presente descrizione il termine “parallelamente”, riferito alla produzione di più pezzi, va inteso nel senso che, per ogni strato che viene posato di un pezzo, prima che venga posato lo strato successivo, viene posato uno strato anche di tutti gli altri pezzi, di modo che i diversi pezzi “crescano” parallelamente fino a che, uno dopo l'altro, non vengono ultimati.

In questa fase, la programmazione ed il processo di stampa possono essere gestiti da remoto da personale tecnico specializzato. Una volta terminato il processo di stampa, il modello e l'elemento di controllo vengono rimossi dalla stampante e fatti combaciare dall'utente per la verifica dimensionale. Eventualmente, il personale tecnico specializzato che gestisce da remoto la stampa può predisporre delle semplici istruzioni per illustrare all'utente il corretto assemblaggio dei pezzi ai fini della verifica dimensionale, in modo che questa possa essere sempre eseguita facilmente anche da utenti non addestrati.

Per semplicità di esposizione, nell'esempio sopra descritto sono previsti solo due punti di contatto in cui l'elemento di controllo ed il modello generato devono coincidere.

Tuttavia, è di per sé evidente che maggiore è il numero di punti o di superfici di contatto, più preciso sarà il controllo dimensionale.

Per esempio, le Figg. 6 e 7 illustrano un modello complesso, in particolare il modello di un osso 100 dell'anca, ed il rispettivo elemento di controllo 102 disposti sul piano di riferimento 14 nella posizione in cui essi vengono generati.

L'elemento di controllo 102 presenta una base 104 da cui si sviluppano perpendicolarmente tre aste 106a, 106b e 106c terminanti a quote differenziate con rispettive tre aree di contatto sviluppantisi nelle tre dimensioni. Le aree di contatto dell'elemento di controllo 102 sono contro-sagomate rispetto a tre corrispondenti superfici di riferimento del modello 100. In aggiunta, l'elemento di controllo 102 presenta un'ulteriore area di contatto 108 più estesa, di forma concava e anch'essa contro-sagomata rispetto ad una corrispondente superficie di riferimento del modello 100.

La Fig. 8 illustra il modello 100 e l'elemento di controllo 102 mentre vengono fatti combaciare in corrispondenza delle estremità delle aste 106a, 106b, 106c e della superficie concava 108.

Vantaggiosamente, in aggiunta all'elemento di controllo, parallelamente al modello viene generato un elemento di calibrazione C di forma appiattita, illustrato in Fig. 9. L'elemento di calibrazione C presenta una base B tramite la quale poggia sul piano, e risalti e/o incavi sulla faccia opposta le cui dimensioni sono facilmente misurabili tramite uno strumento manuale, p.es., un calibro. Nell'esempio di Fig. 9, le dimensioni da misurare riguardano alcuni incavi F1a, F1b, F2, F3 presenti sull'elemento di calibrazione C. Vantaggiosamente, per un riscontro immediato, l'elemento di calibrazione porta stampata anche la misura corretta N1, N2, N3 della dimensione da verificare.

L'elemento di calibrazione C consente di verificare la corretta calibrazione del piano di riferimento 14 della stampante tridimensionale 10, nonché di verificare che il fattore di scala sia corretto.

Benché nell'esempio qui descritto l'elemento di calibrazione C sia rappresentato come separato dall'elemento di controllo e dal modello, è sottinteso che esso potrebbe essere parte integrante di uno di essi.

Vantaggiosamente, in aggiunta all'elemento di controllo ed all'eventuale elemento di calibrazione, parallelamente al modello vengono generati anche una serie di elementi componibili T1, T2, T3, T4, illustrati in Fig. 10. Gli elementi componibili T1, T2, T3, T4 presentano rispettive superfici di base e rispettive superfici laterali che si sviluppano preferibilmente su piani sia verticali sia obliqui e sono impegnabili a incastro tra loro.

Come illustrato in Fig. 10, i profili d'incastro sono preferibilmente definiti da forme geometriche semplici quali triangoli, semicerchi, quadrati, trapezi, ecc., e sono componibili in modo univoco.

Gli elementi componibili T1, T2, T3, T4 consentono di verificare la corretta calibrazione del piano di riferimento 14 della stampante tridimensionale 10 soprattutto nei primi strati della stampa.

Si sono descritte alcune realizzazioni preferite del trovato, ma naturalmente il tecnico del ramo potrà apportare diverse modifiche e varianti nell'ambito delle rivendicazioni.

In particolare, è di per sé evidente che, fermo restando il principio generale definito nella rivendicazione indipendente, la forma e le dimensioni dell'elemento di controllo, dell'elemento di calibrazione e degli elementi componibili potranno essere ampiamente variati in funzione della forma del modello da verificare e della precisione richiesta.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la verifica dimensionale di modelli generati mediante fabbricazione additiva, in cui una stampante tridimensionale (10) è controllata da un elaboratore (42) per generare un modello (I) prestabilito mediante sovrapposizione di strati di materiale, caratterizzato dal fatto che, parallelamente a detto modello (I), viene generato un elemento di controllo (M) avente un profilo coincidente con quello dell'oggetto (I) in almeno due punti di contatto (P1, P2).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti due punti di contatto (P1, P2) giacciono su una retta (R) inclinata di un primo angolo (α) rispetto agli strati di materiale del modello (I), e di un secondo angolo (β) diverso dal primo angolo (a) rispetto agli strati di materiale dell'elemento di controllo (M).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento di controllo (102) presenta una base (104) da cui si ergono almeno due appendici (106a, 106b e 106c) terminanti a quote differenziate a definire detti almeno due punti di contatto.
4. 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni 1-3, caratterizzato dal fatto che detto elemento di controllo (102) presenta almeno un'area di contatto (108) contro-sagomata rispetto ad una corrispondente superficie di riferimento del modello (100).
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta area di contatto si sviluppa su tre dimensioni.
6. 6. Metodo secondo una delle rivendicazioni 1-5, caratterizzato dal fatto di generare inoltre, parallelamente a detto modello (I), almeno un elemento di calibrazione (C) di forma appiattita, presentante una superficie di base (B), nonché superfici sagomate (F1, F2, F3) aventi dimensioni significative prestabilite misurabili mediante uno strumento manuale.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto elemento di calibrazione (C) porta stampati i valori di dette dimensioni significative (N1, N2, N3).
8. 8. Metodo secondo una delle rivendicazioni 17, caratterizzato dal fatto di generare inoltre, parallelamente a detto modello (I), almeno una coppia di elementi componibili (T1, T2, T3, T4) presentanti rispettive superfici di base e rispettive superfici laterali impegnabili a incastro tra loro.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che dette superfici laterali si sviluppano su piani sia verticali sia obliqui.