IT202100027074A1 - Testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D - Google Patents

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Description

"Testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D"
DESCRIZIONE
RIASSUNTO DELL?INVENZIONE
La presente invenzione ? relativa ad una testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D. Il dispositivo trova utile impiego nelle stampanti 3D stereolitografiche, che utilizzano resina polimerizzabile.
Sono noti nello stato della tecnica diverse tecniche di stereolitografia, quali: LCD, DLP e laser.
Le stampanti stereolitografiche, comunemente dette stampanti 3D, comprendono una vasca che contiene resina polimerizzabile e una o pi? sorgenti luminose affacciate alla vasca. Alcune stampanti litografiche hanno una vasca con un fondo trasparente, ad esempio in teflon. Queste stampanti hanno la sorgente luminosa posizionata al di sotto del fondo della vasca.
Le stampanti stereolitografiche sono in grado di realizzare un oggetto tridimensionale sovrapponendo pi? strati di materiale. Gli strati vengono depositati su una piastra disposta all?interno della vasca. Una volta polimerizzato un singolo strato la piastra si sposta rispetto al fondo della vasca di una distanza sostanzialmente pari allo spessore di un singolo strato. Una volta che la piastra si sposta, la resina occupa lo spazio fra lo strato stampato ed il fondo vasca per realizzare lo strato successivo. Il processo si ripete fino al completamento l'oggetto.
Nella stereolitografia LCD, le sorgenti luminose sono poste al di sotto di schermi LCD, posizionati a loro volta sotto la vasca. Ciascun pixel dello schermo LCD pu? essere acceso o spento. In particolare, i pixel accesi rappresentano i punti di uno strato in cui la resina viene polimerizzata. Al contrario, i pixel spenti rappresentano i punti in cui la resina non viene polimerizzata. La combinazione di pixel accesi e spenti permette alla stampante di realizzare un singolo strato dell?oggetto da realizzare.
Nella stereolitografia DLP (Digital Light Processing) viene utilizzato un proiettore di luce. In particolare, sulla resina contenuta nella vasca viene proiettato un filmato, le cui immagini rappresentano i diversi strati di un oggetto. La risoluzione di una stampante 3D DLP dipende dal suo proiettore.
Le due tecniche sopracitate permettono di polimerizzare contemporaneamente uno strato di resina.
Al contrario, nella stereolitografia laser, un raggio laser viene proiettato sul pelo libero della resina e viene modulato in modo da ricostruire una immagine della prima sezione dell'oggetto da realizzare.
Inoltre, per tutte le stampanti 3D di stereolitografia descritte, l?oggetto, una volta stampato, ? sottoposto a un processo di catalizzazione con una lampada UV, che varia a seconda della tecnologia di stampa utilizzata. In questo modo, l?oggetto viene sottoposto a un?ulteriore polimerizzazione cos? da aumentare la resistenza del materiale.
RIASSUNTO DELL?INVENZIONE
Svantaggiosamente, le stampanti 3D di stereolitografia descritte richiedono un processo di catalizzazione con raggi UV. Se non eseguito correttamente, il processo di catalizzazione pu? degradare i legami polimerici del materiale, riducendone la resistenza.
Svantaggiosamente, le stampanti stereolitografiche LDC e DLP necessitano di schermi di dimensioni analoghe a quelle del componente da realizzare. Pertanto, in caso di componenti di grandi dimensioni, la risoluzione puntuale pu? non essere sufficientemente elevata.
Svantaggiosamente, la stampante stereolitografica laser non permette di modificare la sezione di resina che viene polimerizzata in uno strato.
In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione ? proporre una testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.
In particolare, ? scopo della presente invenzione mettere a disposizione una testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D in grado di polimerizzare completamente la resina durante il processo di stampa di un oggetto.
Inoltre, ? scopo della presente invenzione mettere a disposizione una testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D in grado di realizzare oggetti di dimensioni elevate, mantenendo una risoluzione adeguata. Inoltre, ? scopo della presente invenzione mettere a disposizione una testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D in grado di regolare l?area di resina che viene polimerizzata in uno strato, a seconda delle necessit? produttive.
Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da una testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o pi? delle unite rivendicazioni.
Tale testa mobile di polimerizzazione risolve il problema tecnico in quanto ? possibile regolare puntualmente l?area del materiale precursore da polimerizzare. I mezzi di collimazione permettono di concentrare l?energia del fascio luminoso in un?area limitata. Mantenendo il fascio luminoso in un solo punto, viene polimerizzata solamente l?area che presenta la dimensione caratteristica trasversale del fascio di luce. Una volta che il materiale precursore ? stato completamente polimerizzato in un punto, la testa mobile viene spostata dai mezzi di movimentazione in un altro punto, adiacente al precedente. Vantaggiosamente, l?oggetto cos? realizzato risulta completamente polimerizzato e non risulta necessario un trattamento successivo di catalizzazione.
ELENCO DELLE FIGURE
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di una testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D, come illustrato negli uniti disegni in cui:
- la Figura 1 ? una vista laterale schematica di una prima forma realizzativa di una testa mobile di polimerizzazione, secondo la presente invenzione; - la Figura 2 ? una vista laterale schematica di una seconda forma realizzativa di una testa mobile di polimerizzazione, secondo la presente invenzione; - la Figura 3 ? una vista laterale schematica di una terza forma realizzativa di una testa mobile di polimerizzazione, secondo la presente invenzione; - la Figura 4 ? una vista laterale di una stampante 3D comprendente la testa mobile di Figura 3.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Con riferimento alle figure allegate, con 1 ? indicata una testa mobile di polimerizzazione. La testa mobile di polimerizzazione 1 ? configurata per operare su una stampante 3D 2.
La stampante 3D 2 comprende la testa mobile 1 e una vasca 6.
La testa mobile 1 ? associata alla vasca 6 ed ? configurata per emettere il fascio di luce 5 in direzione della vasca 6.
La vasca 6 ? atta a contenere del materiale precursore 24 da polimerizzare. In particolare, il materiale precursore 24 ? una resina fotosensibile. La resina fotosensibile si compone tipicamente di monomeri e oligomeri fotosensibili e di un agente fotoiniziatore.
Esempi di monomeri includono stirene e acrilati. Esempi di oligomeri includono epossidi, uretani, polieteri o poliesteri; gli oligomeri sono solitamente funzionalizzati.
Pi? in dettaglio, la vasca 6 ? atta a contenere un supporto di stampa 25, configurato per supportare un oggetto 26 da realizzare con la stampante 3D 2. Il supporto di stampa 25 ? configurato per essere movimentato lungo una direzione di stampa X. Con maggior dettaglio, l?oggetto 26 ? realizzato sovrapponendo una pluralit? di strati polimerizzati di materiale precursore da polimerizzare 24.
Nelle forme realizzative illustrate, la testa mobile 1 ? posizionata sotto la vasca 6, come mostrato ad esempio in Figura 4. In forme realizzative alternative, non illustrate, la testa mobile 1 pu? essere posizionata sopra alla vasca 6.
Tornando ora alla testa mobile 1, essa comprende un telaio (non illustrato). La testa mobile 1 comprende mezzi di movimentazione (non illustrati) collegati al telaio e configurati per movimentare la testa mobile 1 lungo un piano di stampa. In uso, il piano di stampa ? sostanzialmente parallelo agli strati polimerizzati dell?oggetto 26 in corso di realizzazione.
La testa mobile 1 comprende inoltre una sorgente luminosa 4. La sorgente luminosa 4 ? collegata al telaio ed ha la funzione di emettere un fascio di luce 5. Preferibilmente, la sorgente luminosa 4 emette un fascio di luce 5 nello spettro UV. Il fascio di luce 5 ? emesso dalla sorgente luminosa 4 in direzione della vasca 6 sopra citata.
Come mostrato nelle Figure 1 ? 4, la testa mobile 1 comprende opzionalmente una lente di convogliamento 28, collegata al telaio e posizionata a valle della sorgente luminosa 4. La lente di convogliamento 28 ? configurata per convogliare il fascio di luce 5 emesso dalla sorgente luminosa 4 lungo una singola direzione di propagazione, che pu? essere perpendicolare o parallela al supporto di stampa 25.
Con riferimento alle forme realizzative illustrate nelle Figure 1 ? 4 nelle quali la sorgente luminosa 4 non ? affacciata verso la vasca 6, a valle della sorgente luminosa 4 e della lente di collimazione 28 ? presente almeno uno specchio 29. Lo specchio 29 ? configurato per riflettere il fascio di luce 5 in direzione della vasca 6.
In forme realizzative alternative, non illustrate, la sorgente luminosa 4 pu? essere orientata per emettere il fascio di luce 5 direttamente verso la vasca 6. In questo caso lo specchio 29 non ? necessario e pu? essere omesso.
Con maggior dettaglio, la testa mobile 1 comprende un?ulteriore lente collimatrice 21 posizionata a valle della sorgente luminosa 4. Se la testa mobile 1 comprende la sorgente luminosa 4 non direttamente affacciata verso la vasca 6, l?ulteriore lente di convogliamento 28 pu? essere posizionata a valle dello specchio 29, come nelle Figure 1 e 2.
La testa mobile 1 comprende mezzi di collimazione 9 collegati al telaio e posti a valle della sorgente luminosa 4, e se presenti, dell?ulteriore lente collimatrice 21, della lente di convogliamento 28 e dello specchio 29. I mezzi di collimazione 9 sono configurati per variare una dimensione caratteristica trasversale 23 del fascio di luce 5 tra almeno una larghezza minima e una larghezza massima. La dimensione caratteristica trasversale 23 ?, ad esempio, un diametro della sezione del fascio di luce 5. La larghezza minima e massima definiscono la grandezza dell?area da polimerizzare del materiale precursore da polimerizzare 24.
Giova rilevare che i mezzi di collimazione 9 sono configurati per commutare tra almeno una prima e una seconda configurazione. Nella prima configurazione, il fascio di luce 5 a valle dei mezzi di collimazione 9 ha la dimensione caratteristica trasversale 23 pari alla larghezza minima. Nella seconda configurazione, il fascio di luce 5 a valle dei mezzi di collimazione 9 ha la dimensione caratteristica trasversale 23 pari alla larghezza massima.
Con maggior dettaglio, la testa mobile 1 comprende ulteriori mezzi di movimentazione (non illustrati), collegati ai mezzi di collimazione 9. Gli ulteriori mezzi di movimentazione sono configurati per movimentare i mezzi di collimazione 9 tra almeno la prima e la seconda configurazione.
Con particolare riferimento alle forme realizzative mostrate nelle Figure 1 e 2, i mezzi di collimazione 9 comprendono un sostegno 13 collegato al telaio. Il sostegno 13 ? preferibilmente un disco girevolmente collegato al telaio. I mezzi di collimazione 9 comprendono almeno un primo 14 e un secondo foro passante 15, ricavati nel sostegno 13. Il sostegno 13 ? configurato per allineare il primo foro passante 14 o il secondo foro passante 15 al fascio di luce 5, quando i mezzi di collimazione 9 sono rispettivamente nella prima o nella seconda configurazione.
Con ulteriore dettaglio, il sostegno 13 pu? comprendere ulteriori fori passanti 27, ad esempio dieci. Il sostegno 13 ? configurato per allineare uno degli ulteriori fori passanti 27 quando i mezzi di collimazione 9 sono in una configurazione intermedia tra la prima e la seconda configurazione. Preferibilmente, i fori passanti 14, 15, 27 sono equidistanti da un centro del sostegno 13 e angolarmente equispaziati tra loro.
Nella forma realizzativa mostrata in Figura 1, i mezzi di collimazione 9 comprendono almeno una prima 16 e una seconda lente collimatrice 17. Ciascuna lente collimatrice 16, 17 ? posizionata nel rispettivo foro passante 14, 15 del sostegno 13. Preferibilmente, la prima lente collimatrice 16 ha la dimensione caratteristica trasversale 23 pari a 0,02 mm e la seconda lente collimatrice 17 ha la dimensione caratteristica trasversale 23 pari a 10 mm. I mezzi di collimazione 9 possono comprendere ulteriori lenti collimatrici 3, ciascuna delle quali ? posizionata in un rispettivo ulteriore foro passante 27. Ciascuna ulteriore lente collimatrice 3 ha la dimensione caratteristica trasversale 23 compresa tra la larghezza minima e la larghezza massima, preferibilmente tra 0,02 mm e 10 mm.
Nella forma realizzativa mostrata in Figura 2, i mezzi di collimazione 9 comprendono almeno due o pi? lamiere sagomate 30, 31, 36. Tali lamiere sagomate 30, 31, 36 sono inserite ciascuna in un rispettivo foro passante 14, 15 o in un ulteriore foro passante 27 del sostegno 13. In questo caso, la lamiera sagomata 30 posizionata nel primo foro passante 14 presenta un rispettivo passaggio 12 avente dimensione caratteristica trasversale 23 pari alla larghezza minima del fascio di luce 5, preferibilmente pari a 0,02 mm. Analogamente, la lamiera sagomata 31 posizionata nel secondo foro passante 15 presenta un rispettivo passaggio 12 avente dimensione caratteristica trasversale 23 pari alla larghezza massima del fascio di luce 5, preferibilmente pari a 10 mm. Ciascuna lamiera sagomata 36 inserita negli ulteriori fori passanti 27 presenta un rispettivo passaggio 12 avente una dimensione caratteristica trasversale 23 compresa la larghezza minima e la larghezza massima, ovvero preferibilmente tra 0,02 mm e 10 mm.
Si noti che nella forma realizzativa mostrata in Figura 2, i passaggi 12 delle lamiere sagomate 30, 31, 36 hanno forma circolare. In forme realizzative alternative, non illustrate, tali passaggi 12 possono avere una forma qualsivoglia. In questo caso, ciascuna lamiera sagomata 30, 31, 36 pu? essere ruotata attorno ad un rispettivo asse di rotazione Z, preferibilmente parallelo alla direzione di stampa X, mediante ulteriori mezzi di movimentazione (non illustrati), in modo tale da variare l?orientamento relativo del rispettivo passaggio 12.
Con riferimento alla forma realizzativa dell?invenzione mostrata in Figura 3, i mezzi di collimazione 9 comprendono un diaframma 18. Il diaframma 18 ? configurato per commutare almeno tra un?apertura minima, quando i mezzi di collimazione 9 sono nella prima configurazione, e un?apertura massima, quando i mezzi di collimazione 9 sono nella seconda configurazione. Opzionalmente, l?apertura minima pu? avere una dimensione caratteristica trasversale 23 pari a zero, interrompendo il fascio di luce 5. Il diaframma 18 pu? assumere ulteriori aperture intermedie tra l?apertura massima e l?apertura minima con continuit?. A tali ulteriori aperture corrisponderanno rispettive configurazioni intermedie dei mezzi di collimazione 9.
Opzionalmente, la testa mobile 1 comprende un otturatore 22, posizionato tra la sorgente luminosa 4 e la vasca 6.
Nella forma realizzativa dell?invenzione mostrata nelle Figure 1 e 2, l?otturatore 22 ? girevolmente collegato al telaio e comprende: una porzione aperta 32, configurata per essere attraversata dal fascio di luce 5, e una porzione piena, configurata per interrompere il fascio di luce 5. Preferibilmente, l?otturatore 22 comprende un foro 34, atto a contenere una lente collimatrice preliminare 35.
Nella forma realizzativa dell?invenzione mostrata in Figura 3, l?otturatore 22 comprende la porzione piena 33 e mezzi di movimentazione lineari (non illustrati), configurati per movimentare l?otturatore 22 lungo una direzione trasversale Y rispetto alla direzione del fascio di luce 5.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Testa mobile di polimerizzazione (1) per una stampante 3D (2) comprendente:
- un telaio;
- una sorgente luminosa (4) collegata al telaio e configurata per emettere un fascio di luce (5) in direzione di una vasca (6) atta a contenere del materiale precursore da polimerizzare (24);
- mezzi di movimentazione collegati al telaio per movimentarlo su un piano di stampa;
caratterizzata dal fatto di comprendere:
- mezzi di collimazione (9) collegati al telaio e posti a valle della sorgente luminosa (4), detti mezzi di collimazione (9) essendo configurati per variare una dimensione caratteristica trasversale (23) del fascio di luce (5) tra almeno una larghezza minima e una larghezza massima.
2. Testa mobile di polimerizzazione (1) per una stampante 3D (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i mezzi di collimazione (9) sono configurati per commutare tra almeno una prima configurazione in cui il fascio di luce (5) a valle dei mezzi di collimazione (9) ha la dimensione caratteristica trasversale (23) pari alla larghezza minima, e una seconda configurazione in cui il fascio di luce (5) a valle dei mezzi di collimazione (9) ha la dimensione caratteristica trasversale (23) pari alla larghezza massima.
3. Testa mobile di polimerizzazione per una stampante 3D secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto di comprendere ulteriori mezzi di movimentazione, collegati ai mezzi di collimazione (9); gli ulteriori mezzi di movimentazione essendo configurati per movimentare i mezzi di collimazione (9) tra almeno la prima e la seconda configurazione.
4. Testa mobile di polimerizzazione (1) per una stampante 3D (2) secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzata dal fatto che i mezzi di collimazione (9) comprendono:
- un sostegno (13) collegato al telaio;
- almeno un primo (14) e un secondo foro passante (15) ricavati nel sostegno (13); il sostegno (13) essendo configurato per allineare il primo foro passante (14) al fascio di luce (5) quando i mezzi di collimazione (9) sono nella prima configurazione, e per allineare il secondo foro passante (15) al fascio di luce (5) quando i mezzi di collimazione (9) sono nella seconda configurazione.
5. Testa mobile di polimerizzazione (1) per una stampante 3D (2) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che i mezzi di collimazione (9) comprendono almeno due lenti collimatrici (16, 17), ciascuna lente collimatrice (16, 17) essendo posizionata nel rispettivo foro passante (14, 15) del sostegno (13).
6. Testa mobile di polimerizzazione (1) per una stampante 3D (2) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto di comprendere almeno due lamiere sagomate (30, 31) inserite rispettivamente nel primo (14) e nel secondo foro passante (15), la lamiera sagomata (30) inserita nel primo foro passante (14) presentando un rispettivo passaggio (12) presentando una dimensione caratteristica trasversale (23) pari alla larghezza minima del fascio di luce, la lamiera sagomata (31) inserita nel secondo foro passante (15) presentando un rispettivo passaggio (12) presentando una dimensione caratteristica trasversale (23) pari alla larghezza massima.
7. Testa mobile di polimerizzazione (1) per una stampante 3D (2) secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzata dal fatto che i mezzi di collimazione (9) comprendono un diaframma (18); il diaframma (18) presentando un?apertura minima quando i mezzi di collimazione (9) sono nella prima configurazione e un?apertura massima quando i mezzi di collimazione (9) sono nella seconda configurazione.
8. Testa mobile di polimerizzazione (1) per una stampante 3D (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere un?ulteriore lente collimatrice (21) posizionata a monte dei mezzi di collimazione (9).
9. Testa mobile di polimerizzazione (1) per una stampante 3D (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere un otturatore (22) posizionato tra la sorgente luminosa (4) e la vasca (6).
10. Stampante 3D (2) comprendente una vasca (6) atta a contenere del materiale precursore da polimerizzare e una testa mobile di polimerizzazione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, la testa mobile di polimerizzazione (1) essendo associata alla vasca (6) e configurata per emettere un fascio di luce (5) in direzione della vasca (6).
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