SE2230286A1 - 3D-printer med automatiserad efterbehandling - Google Patents

Abstract

Vid SLA 3D-printning krävs efter själva printningen att 3D-geometrin efterbehandlas för att bli hanterbar och funktionsduglig. Detta görs manuella genom att avlägsna det printade objektet från sin byggplatta, placera den i en separat tvättstation och därefter i en separat UV-kammare för sluthärdning.Interaktionerna med 3D-modellen innan sluthärdning sker med skyddsutrustning som engånghandskar och andningskydd. 3D-skrivaren beskriven i detta dokument har de annars 3 separata maskinerna inom samma konstruktion och automatiskt förflyttar 3D-geometrin mellan de olika processtegen. 3D-skrivaren underlättar användandet av SLA-tekniken, gör den säkrare och mer tidseffektiv. Användaren behöver inte interagera med ohärdad resin, och behöver inte manuellt interagera med maskinen för att färdigställa 3D-geometrin.Konstruktionen gör det möjligt att genomföra massproduktion då 3D-skrivaren är redo att starta en ny print efter att föregående är avslutad, och kan digitalt hämta nästa 3D-fil från en lista av 3D-filer.

Description

Beskrivning/benämning Föremålet för det här dokumentet kan klassificeras som en 3D-skrivare av typen Stereolithography (SLA), resin 3D-skrivare. Vad konstruktionen gör förutom att med additiv tillverknings teknik (SLA) producera ett geometriskt föremål baserad på datorgenererade 3D-modell, också automatiskt utför nödvändig efterbehandlingssprocess av 3D-modellen, något som annars behöver göras manuellt av användaren genom att hel-, eller semi-manuell process där objektet manuellt flyttas från 3D-skrivaren till tvättstation och därefter manuellt över till en UV-kammare. Konstruktionen beskrivet i detta dokument kan därmed sägas bestå av tidigare kända metoder och maskiner som byggts ihop till att fungera som en enhet, och därmed inkluderar nödvändiga stödfunktioner och speciallösningar för att få denna process att fungera.

Allmän del 3D-pritning är den vardaglig benämning som inkluderar en rad olika additiva tillverkningsmetoder, där dom vanligaste kan nämnas FDM (smältning och extrudering av plasttråd) SLS (sintring av pulver) och SLA (härdning av UV- känsligt/härdande epoxi-resin inuti ett bad av resin). Gemensamt för alla 3D- printningstekniker är att maskinerna lägger till material (additiv tillverkning) för att bygga upp den fysiska geometri, som ofta baserats på en datorgenererade 3D- modell. Olika 3D-printningstekniker har sina för och nackdelar, där FDM-printing till exempel är enkel att använda och genererar i många fall en färdig modell (med undantag av eventuellt bortagande av stödmaterial). Modellen är färdig att använda direkt efter printning och kan hanteras direkt utan skyddsutrustning eller efterbehandling.

En SLA 3D-skrivare har sin huvudfördel att den kan producera modeller med mycket finare detaljer, bättre ytfinish och har en större variation i materialegenskaper då möjligheterna finns att modifiera den kemiska UV- härdande resinvätskan i högre grad. Med SLA-tekniken byggs geometrin inuti ett bad av UV-härdande resin, vilket resulterar i en utprintad modell som är fastsvetsad på 3D-skrivarens byggplatta och täckt i ohärdat resin som måste tvättas bort och sluthärdas innan modellen kan användas och är säker att vidröra utan skyddsutrustning (US4575330A). Det vanliga sättet att utföra denna efterbehandlingsprocess är att användaren iklär sig skyddsutrustning, så som engångshandskar, skyddsglasögon, andningsmask och kläder med länga ärmar. Därefter tar användaren bort den fastsvetsade 3D-modellen från skrivarens byggplatta, ofta med verktyg så som skrapor och spadar av olika typ innan modellen tvättas med avsedd rengöringsmedel (ofta isopropanol), antingen manuellt eller genom att placera modellen i en tvätt-enhet avsedd för ändamålet. Efter tvättning kan modellen sluthärdas genom att placeras i solljus eller en UV- kammare. Processen för SLA-printning kan därmed summeras i följande steg: 1) Printning (och borttagande från skrivarens byggplatta) 2) Tvättning 3) Sluthärdning För att uppnå steg 2) och 3), kan användaren för 2) placera 3D-geometrin i en maskin som kör ett rengöringsprogram ofta i form av cirkulerande rengöringsvätska i en specificerad tidsintervall och därefter för 3) flytta över sin modell till en UV-kammare. 3D-skrivaren beskrivet i detta dokument är designad för att ta bort behovet för användaren att manuellt behöva flytta modellen mellan de olika processerna och ta bort behovet av att interagera med ohärdat resin vilket medför stora hälso-risker. Detta görs genom adderingen av en extra axel som möjliggör förflyttning av den printade geometrin bort från resinbadet, 2) med en specialdesignad byggplatta som inkluderar utstötnings-pinnar, vilka avlägsnar 3D-geometrin från byggplattan, 3) en tvätt-tank med rengöringsmedel, 4) en samling UV-lampor som härdar modellen 5) en anordning som förflyttar den efterbehandlade geometrin till en neutral plats där användaren kan plocka upp den nu efterbehandlade modellen, varpå en ny print kan startas, antingen manuellt eller från en digital print-kö av föremål som ska printas.

De problem 3D-skrivaren i detta dokument främst löser genom sin automatiserade efterbehandlings-process är: §) Enklare användning av tekniken SLA §) Ökad säkerhet och minskade hälsorisker i from mindre interaktion med hälsovådliga kemikalier.

§) Minskad konsumtion av engångsmateriel/skyddsutrustning så som engångshandskar och ansiktsmaskar.

§) Tidseffektivisering i form av färre tillfällen användaren måste utföra handlingar för att printningen ska fortsätta till nästa steg, samt möjligheten till massproduktion av modeller utan att en användare manuellt måste starta nästkommande print.

Speciell del Maskinen är en kombination av 3st separata system/maskiner inkluderat stödsystem som krävs för att automatisera flödet mellan de olika systemen/ processtegen. De 3 olika områdena i maskinen är 1) 3D-printer 2) tvättområde 3) sluthärdning, plus 4) insamlingsplats.

Första området agerar som en normal traditionel down-to-top 3D-printer med en UV-källa i botten, ett geometri-avskärmande område, ett kar med UV-härdande resin, byggplatta och en axel som skapar förflyttning mellan byggplattan och Resin karet i Z-led (upp och ner).

Andra området består av en tank med rengöringsmedel. Den 3D-printade geometrin kan bli rengjord antingen genom att doppas i rengöringsvätskan eller ligga nersänkt i vätskan som företrädesvis har en monterad propeller, ultraljuds enhet eller annan källa som skapar ett flöde/cirkulation inuti tanken för att maximera rengöringseffektiviteten. Tan ken är företrädesvis transparent och omgiven av en samling UV-lampor som kan härda samtidigt när delen är nedsänkt i rengöringsvätskan. UV-lampor kan också vara monterade utanför tanken för att möjliggöra härdning frånskilt tvättningen. Maskinen har vidare en anordning för att förflytta 3D-modellen till ett neutralt område där användaren kan plocka upp sin del. Denna anordning kan, men är inte begränsat, t.ex bestå av en nätkorg, monterad på en axel som rör sig upp från sin tvättstation och tippar ut den färdiga modellen i en korg eller låda framför tvätt-tanken. För att förflytta byggplattan från sitt printområde, kan den vertikala Z-axeln med byggplatta, vara monterad på en tvärgående Y-leds monterad axel, vilket möjliggör förflyttning av byggplattan till rengöringsområdet. För ta bort modellen från byggplattan kan byggplattan innehålla utstötningspinnar som skjuts ut genom en kulskruv, servo-motor, pneumatiksk eller elektrisk driven kolv, manuellt genom att Z-axeln höjs till sitt toppläge eller övrig lösning. Efter avlägsnandet av den 3D-printade geometrin kan byggplattan röra sig ner i tvättanken för att rengöra sig själv inför nästa print. Denna rengöringsprocess för byggplattan kan även kompletteras med en torkfläkt och/eller fysisk borste, skrapa eller duk. Hela systemet är designat för att kunna agera självständigt med ett datasystem och tillhörande mjukvara.

Nedan följer beskrivning av de individuella delarna: § 3D-printning § Byggplatta § Förflyttning mellan byggplatta och tvätt ) ) ) §) Tvättom råde §) Härdning §) Uppsamling ) § Resin påfyllnad 3D-printing En typisk setup för att generera geometri i en SLA-skrivare är enligt bottom-up modellen där maskinen i botten har en ljuskälla (fig7-1) som projekterar härdande UV-ljus antingen som en laser eller DLP-projektor som träffar de områden som ska härdas för att uppnå rett geometriska form. Processen kan också göras med en bred ljuskälla som täcker hela botten av resin-tanken och önskade härdpunkter kan då ske genom avmaskning t.ex från en LCD display(fig7-2). Vid start befinner sig byggplattan (fig7-3) strax strax ovanför resin-karet (fig7-4) och dess botten som är transparent (fig7-5), ofta bestående av en FEP-film och låter ljus passera och samtidigt har viss flexibilitet så att resin(fig7-6) som härdas kan släppa från filmen. Vid första lagret(fig7-7) svetsas ett lager resin (fig7-7) fast i byggplattan genom den härdande ljuskällan (fig7-1). Därpå rör sig byggplattan bort från botten för att separera det härdade resinlagret från resin-tanks botten (fig7-5). Printerns byggplatta rör sig nu nedåt på nytt, men stannar några hundradels mm längre upp för att låta ett nytt lager(fig7-8) resin placeras mellan det nyss härdade första lagret och resintan kens botten. Process-stegen upprepas lager för lager tills geometrin har byggt upp enligt plan.

Byggplatta Byggplattan i en SLA-printer består i regel av en stadig metallplatta som första lagret resin kan fästa på. Denna platta kan vara perforerad med hål för att underlätta en god vidhäftning. Efter print behöver modellen skrapas av från plattan. I denna konstruktion är byggplattan fylld med ett hålmönster, som möjliggör att utstötare (fig8-9) kan röra sig utåt och därmed avlägsna det printade objektet från byggplattan. Utstötarna kan t.ex sitta på en större platta och divas utåt med hjälp av en eller flera kulskruvar(fig9-10), servo-motorer, pneumatisk eller elektrisk driven kolv(ar), manuellt genom att Z-axeln höjs till sitt toppläge (fig10;1 1-1 1) eller övrig lösning.

Tvättom råde Tvättdelen av maskinen är med fördel konstruerad så att byggplattan kan sänkas ned och även tvättas. Tvättanken(fig"|2-"| 2) bör även kunna innehålla en korg(fig"|2-"| 3) där utprintade modeller hamnar efter att byggplattan avlägsnat dessa från sin platta. Korgen i sig kan vara monterad på en sidoaxel(fig12-14) vilket möjliggör att korgen med 3D-printad geometri fritt kan sänkas upp och ned i badet samt tömmas ut i en uppsamlingsplats, företrädesvis framför tvättanken. Tvättningen kan ske antingen genom att upprepade gånger doppa det printade objektet i tanken fylld med rengöringsmedel, men också endast genom att ligga i rengöringsmedlet som företrädesvis har en propeller (fig12-15) i botten som skapar cirkulation i tanken. Detta går också att åstadkomma med t.ex en ultraljudsanordning. lsopropanol som är en av de vanligaste rengöringsvätskorna för rengöring av resin-modeller dunstar lätt och maskinen bör därför ha ett lock(fig1 3-1 6) som möjliggör att stänga rengöringstanken när denna inte används. Detta lock kan med fördel kontrolleras med servomotorer för att möjliggöra fristående automatisk öppning och stängning, men kan även vara passiv eller öppnas/stängas med hjälp av någon av maskinens övriga axlar.

Härdning Sluthärdning av 3D-modellen kan med fördel vara placerade(fig"|4-"|7) inuti eller runt tvätt-tanken, men även ovanför(fig"|4-"| 8) för kompletterande härdning.

Uppsamling För att möjliggöra hantering av färdiga printade 3D-modeller bör maskinen vara utrustad med en korg(fig"|2-"|3) som får plats inuti tvätt-tanken. Korgen kan företrädesvis vara monterad på en motoriserad axel på sidan om för att möjliggöra upphöjning och uttömning av korgen ner till en uppsamlingsplats(fig15-19) för användaren. Denna funktion underlättar även masstillverkning av flertalet delar.

Resin påfyllnad Materialet som används till printningen behöver ha en tillräcklig hög nivå inuti sitt kar för att kunna fullfölja printningen och inte ta slut på material. Något som är extra känsligt vid flertalet printningar. För att undvika detta har maskinen ett påfyllnadssystem som automatiskt fyller på resin efter behov, från en större behållare. Denna behållare är speciellt anpassad för SD-skrivaren med påfyllnadskran och en geometri som fungerar tillsammans med anordningen. Behållaren är företrädesvis tillverkad i Wellpapp eller kartong som ytterstruktur, och resinet hålls lagrad i en tetra påse likande bag in box

Claims (5)

1. En 3D-skrivare (fig1) för 3D-utskrift av 3D-geometri. lnnehållande en ljuskälla som producerar UV-ljus på ett sätt som härdar Ultraviolett-härdande resin i ett förutbestämt mönster som förändras i takt med att geometrin byggs upp, lager efter lager, mot en byggplatta och därefter ovanpå föregående lager av geometrin i takt byggplattan rör sig ifrån härdningskällan och geometrin byggs upp innan den tvättas i en separat tvätt-maskin och sluthärdas i en UV-kammare, vilket kännetecknas av att maskinen är konstruerad så att dessa process-steg sker automatiskt.

2. 3D-skrivarens byggplattan enligt krav 1 är konstruerad så att maskinen självständigt kan avlägsna det 3D-printade objektet utan mänsklig interaktion.

3. 3D-skrivaren enligt krav 1 är konstruerad med mekaniska, elektroniska och digitala stödsystem på ett sätt att maskinen kan genomföra 3D-utskrift, samt de nödvändiga efterbehandlingsstegen, borttagning från byggplattan, tvätt av överflödigt resin, samt sluthärdning, självgående utan mänsklig interaktion mellan processtegen.

4. 3D-skrivaren enligt krav 3 är konstruerad så att en print, utan hantering av användare/tredje part, kan startas direkt eller med förutbestämd fördröjning, efter att föregående print är färdig/avslutad, antingen manuellt eller automatiskt och därmed printa en rad olika objekt helt självgående utan mellanhantering.

5. 3D-skrivaren enligt krav 4 har en automatisk påfyllningsfunktion av material som utförs från förpackningar av typen Bag-in-box eller Ståpåse