ES2323351B1 - Dispositivo y aparato para deposicion selectiva de materia plastica fundida y metodo de fabricacion por deposicion selectiva. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo y aparato para deposición selectiva
de materia plástica fundida y método de fabricación por deposición
selectiva.
El dispositivo y el aparato comprenden una
cámara de fusión (10) comunicada con:
- una porción (11) de un sonotrodo (12) de un
transductor ultrasónico;
- un pasaje para alimentación (13) de materia
plástica; y
- al menos una abertura de salida (14) para
suministro de materia plástica fundida gota a gota o en forma
continua habiéndose previsto una alimentación de materia plástica a
dicha cámara de fusión (10).
El método comprende alimentar materia plástica a
la cámara de fusión (10) configurada en un dispositivo para
deposición selectiva instalado en un cabezal de un equipo de
fabricación industrial, que se desplaza de acuerdo con una
estrategia de su trayectoria definida por control numérico, sobre
un área de deposición y verter materia plástica fundida por
ultrasonidos por la abertura de salida (14).
Description
Dispositivo y aparato para deposición selectiva
de materia plástica fundida y método de fabricación por deposición
selectiva.
La presente invención se refiere en general a un
dispositivo para deposición selectiva de materia plástica fundida y
a un aparato para realizar piezas que pueden constituir prototipos,
al que se integra dicho dispositivo para deposición.
La invención concierne igualmente a un método
para la fabricación de piezas que pueden constituir prototipos
mediante una técnica de deposición selectiva de materia plástica
fundida, que utiliza la vibración ultrasónica como fuente de
energía para una fusión controlada de dicha materia plástica a
depositar para formación de un objeto tridimensional resultado de la
superposición de una pluralidad de capas. Dicha materia plástica es
cualquier material polimérico y puede ser suministrada en cualquier
morfología, como granza, polvo, filamentos, plancha, gel, etc.
En el estado de la técnica se conoce un método
para fabricar piezas prototipo tridimensionales mediante la
extrusión de un material termoplástico en estado de semifusión a
través de una boquilla que deposita capa a capa el modelo
pretendido. La patente EP-B1-0426363
describe un aparato y un método para crear objetos tridimensionales
mediante tecnología FDM (Fused Deposition Modeling) comprendiendo
un cabezal de dispensación móvil (con al menos tres grados de
libertad), con un orificio para descarga de materia plástica en
estado fluido que se alcanza mediante unos medios de calefacción
por resistencia eléctrica próximos al orificio de dispensación y
que incluye unos medios para suministro de material plástico a un
recinto de plastificación.
Debido al incremento de innovación requerida en
la tecnología actual, la fabricación de un prototipo con similares
características al producto final es esencial. La obtención de
dichos prototipos se realizaba hasta ahora con maquinaria, como la
citada en la patente EP-B1-0426363,
que dada su complejidad estructural y exigencias de mantenimiento
requería una inversión muy elevada, así como el uso de unos
materiales adecuados (garantizados por el fabricante) para dicha
maquinaria de considerable coste, repercutiendo todo ello en el
precio del producto final.
En W. Michaeli, A. Spennemann, R. Gartner (2002)
New plastification concepts for micro injection moulding,
Microsystem Technologies 8, 55-57,
Springer-Verlag 2002 se describe una propuesta
acerca de la plastificación de micropiezas por ultrasonidos y se
describe una unidad de ensayo. Se indica en esta referencia que
mediante esta unidad se midieron diferentes parámetros de la
máquina tales como rendimiento del generador ultrasónico, amplitud y
recorrido del sonotrodo, potencia de activación, etc.
En la solicitud de patente
ES-A-200702245 se describe un
dispositivo ultrasónico para moldeo de micropiezas de plástico en
donde se dispone un elemento de vibración ultrasónica junto a una
cámara adyacente a una cavidad de moldeo de un molde, teniendo
dicha cámara una entrada para alimentación de materia plástica y
habiéndose previsto unos medios para que un extremo del elemento de
vibración ultrasónica, que es un sonotrodo, interfiera con la
materia plástica alimentada y ejerza sobre la misma una presión
determinada.
Las patentes
US-B1-6814823 y
US-B1-6519500 describen un método de
fabricación de piezas por deposición controlada de capas en donde
se ha previsto la utilización de los ultrasonidos como una forma de
energía para unir las capas previamente formadas mediante una
tecnología de deposición en sí conocida.
La presente invención propone una nueva
tecnología que se concreta en un dispositivo ultrasónico que está
integrado en un conjunto para plastificación y suministro de
materia plástica fundida, un aparato donde se integra dicho
dispositivo y un método para suministrar materia plástica en estado
fundido gota a gota o de forma continua sobre una superficie para
la formación de una pieza, en general tridimensional, mediante
capas sucesivas.
Con la utilización de la presente invención es
posible fabricar piezas ahorrando considerablemente costes
iniciales, ya que el dispositivo ultrasónico propuesto puede unirse
a cualquier equipo industrial (tal como una máquina de mecanizado o
un dispositivo robótico, etc.) con al menos tres grados de libertad,
lo que implica una considerable disminución de la inversión
inicial.
Además la presente invención permite utilizar
cualquier tipo de materia plástica a granel sin las limitaciones de
superar unas exigencias por parte de los fabricantes de maquinaria,
e incluso ser formulada y aditivada por el propio usuario del
equipo en cuestión.
La presente invención concierne en general a un
dispositivo para deposición selectiva de materia plástica fundida
que comprende una cámara de fusión por energía ultrasónica de dicha
materia plástica, dotada de una abertura de salida para un
suministro o vertido controlado de materia plástica, que en un
ejemplo de realización puede ser suministrada fundida gota a gota,
mientras que en otro ejemplo puede ser suministrada en forma
continua.
Conforme a los principios de la invención la
citada cámara de fusión está comunicada con:
- -
- una porción, en general un extremo, susceptible de entrar en vibración, de un sonotrodo de un transductor ultrasónico;
- -
- un pasaje para alimentación de materia plástica; y
- -
- al menos una abertura de salida para suministro de materia plástica fundida gota a gota o en forma continua, cual abertura está unida a un cuerpo distribuidor que comprende una o más boquillas.
La citada cámara de fusión, de volumen regulable
(desplazando de manera precisa el sonotrodo) está integrada así en
un conjunto para plastificación de dicha materia plástica por
energía ultrasónica e incluye un mecanismo de alimentación
configurado para transportar un volumen controlado de dicha materia
plástica hasta la cámara.
La invención prevé un aparato que integra el
sonotrodo del transductor ultrasónico, según una disposición
vertical, con vertido de la materia plástica a través de una punta
de una carcasa alargada envolvente del dispositivo, u otras
disposiciones alternativas, entre las cuales cabe citar una
disposición del sonotrodo, horizontal, con vertido de la materia
plástica al exterior, a través de una salida lateral de una carcasa
envolvente, abierta por un extremo para alimentación a través del
mismo, por empuje, de materia plástica.
La invención también se caracteriza por un
método para deposición selectiva de materia plástica fundida, el
cual comprende:
- -
- alimentar materia plástica a una cámara para fusión de la misma, instalada en un cabezal móvil de manera controlada sobre un área de deposición y comunicada con un sonotrodo de un transductor ultrasónico, un pasaje para entrada o alimentación de materia plástica y al menos una abertura de dispensación; y
- -
- depositar una serie de capas sobre una superficie por activación del sonotrodo un tiempo predeterminado mientras se está moviendo controladamente el cabezal de acuerdo con una estrategia de su trayectoria definida por control numérico y se suministra materia plástica fundida gota a gota o en forma continua, de manera controlada, a través de dicha abertura de dispensación.
Se comprende las ventajas que puede aportar el
dispositivo, aparato y método propuestos derivados de la
simplicidad constructiva y elevada versatilidad de uso.
\vskip1.000000\baselineskip
Las anteriores y otras ventajas y
características se comprenderán más plenamente a partir de la
siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con
referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título
ilustrativo y no limitativo, en los que:
la Fig. 1 es un dispositivo para deposición
selectiva de materia plástica fundida que para un ejemplo de
realización preferido integra un sonotrodo en posición
vertical,
la Fig. 2 es un dispositivo para deposición
selectiva de materia plástica fundida que en otro ejemplo de
realización integra un sonotrodo en posición horizontal,
la Fig. 3 muestra un aparato para realización de
piezas que comprende un cabezal con tres grados de libertad
habilitado al cual está unido un dispositivo ultrasónico para
deposición selectiva de materia plástica fundida con un sonotrodo
en posición vertical,
la Fig. 4 muestra un aparato para realización de
piezas con un cabezal con tres grados de libertad unido a un
dispositivo ultrasónico para deposición selectiva de materia
plástica fundida con un sonotrodo en posición horizontal.
\vskip1.000000\baselineskip
La Fig. 1 muestra un dispositivo para deposición
selectiva de materia plástica fundida equipado con un sonotrodo en
posición vertical, en el que se puede apreciar un mecanismo de
alimentación constituido por una boca de alimentación lateral 20,
un pasaje para alimentación 13 de materia plástica en su parte
lateral y un husillo 16, que se gobierna de forma controlada y que
está configurado para transportar dicha materia plástica hasta una
cámara de fusión 10, situada en una porción extrema de una carcasa
15 alargada, envolvente de un sonotrodo 12, estando comunicada
dicha cámara 10 con una porción 11, extrema, de dicho sonotrodo 12
que forma parte de un transductor ultrasónico, el cual está
asociado al husillo 16 a través de unos cojinetes 18 y vibra en
sentido longitudinal respecto a dicha carcasa 15. Esta cámara de
fusión 10 contiene una abertura de salida 14 para suministro de
materia plástica, que en un ejemplo de realización puede ser
suministrada fundida gota a gota, mientras que en otro ejemplo
puede ser suministrada en forma continua.
Tal y como se puede apreciar en la Fig. 1, todo
el mecanismo de alimentación descrito está configurado coaxialmente
al eje longitudinal de dicho sonotrodo 12. Así, dicho husillo 16 se
encuentra localizado en una cavidad anular 21, delimitada entre una
pared cilíndrica exterior proporcionada por la cara interior de la
carcasa 15, el sonotrodo 12, y unos cojinetes 18 y 19, todos
coaxiales al eje longitudinal del sonotrodo.
Por otro lado, el dispositivo incluye medios (no
representados en detalle, pero implementables mediante una simple
corredera) para proporcionar un desplazamiento de carrera limitada
en sentido longitudinal del sonotrodo 11, regulando de este modo el
volumen de materia plástica de dicha cámara de fusión 10 delimitado
por la punta del sonotrodo 12.
La Fig. 2, por su parte, muestra un dispositivo
para deposición selectiva de materia plástica fundida por energía
ultrasónica, pero con una configuración horizontal del sonotrodo
empleado. En esta Fig. 2, la cámara de fusión 10 está situada en una
porción extrema de la carcasa 15 envolvente de dicho sonotrodo 12,
estando la abertura de salida 14 en un lateral de la carcasa 15, y
produciéndose la entrada de materia plástica por un extremo abierto
22 de la carcasa 15 envolvente, accediendo la materia plástica P en
una dirección sustancialmente alineada con el eje del sonotrodo 12.
En el ejemplo de realización ilustrado en la Fig. 2 la materia
plástica introducida en el dispositivo está en forma de filamento,
guiada y empujada por unos rodillos 40, aunque en otros ejemplos de
realización podría estar en forma de granza, polvo, plancha o gel.
Dicha materia plástica es empujada al interior de la cámara de
fusión 10 a través del citado extremo abierto 22 de la carcasa 15
mediante un sistema de rodillos.
La materia plástica P alimentada al dispositivo
se introduce en la cámara de fusión 10, fundiéndose de forma casi
instantánea gracias a la energía de ultrasonidos proporcionada por
el sonotrodo 12, el cual está controlado para aportar, en función
de la materia plástica P a fundir, una cantidad de energía de
ultrasonidos determinada. La materia plástica fundida se vierte al
exterior por medio de una abertura de dispensación 14, la cual se
encuentra asociada a un cuerpo dispensador, por ej. amovible, que
puede disponer de una o más boquillas orientadas.
El mecanismo de dispensación mencionado dispone
de un sistema de control 23 (ver Fig. 1) de la deposición del
material, que se encuentra integrado en la abertura de salida 14 y
que controla la cantidad de material depositado de acuerdo con el
volumen fundido en la cámara 10, asegurando el goteo o
funcionamiento correcto así como el ancho de la capa en cuestión. En
la Fig. 1 este sistema de control se ha materializado mediante una
válvula controlada, habiéndose omitido detalles acerca del sistema
de control que en general será remoto y gobernado por un sistema
electrónico, con posibilidad de estar combinado o interactuar con
el sistema de control de la alimentación de materia plástica.
Para una adecuada operativa y según puede verse
en las Figs. 3 y 4, se ha previsto que el aparato para realización
de piezas 9 conforme a la invención pueda ser acoplado de forma
funcional, mediante unos accesorios de montaje y conexión adecuados,
de manera amovible a un cabezal 24 de cualquier equipo de
fabricación con al menos tres grados de libertad (ejes X, Y, Z).
El citado cabezal 24 pertenecerá en general a un
equipo industrial escogido de un grupo que comprende al menos
equipos CMM (Control Measurement Machine), equipos de fabricación
por capas o equipos de mecanizado. En un caso particular dicho
equipo industrial puede ser una máquina fresadora convencional, a
la que se incorporará el dispositivo para deposición selectiva, en
lugar de un útil y sin modificación sustancial del conjunto de la
máquina.
En un sentido más general la invención también
hace referencia a un método para deposición selectiva de materia
plástica fundida que comprende:
- alimentar materia plástica a una cámara de
fusión 10, estando dicha cámara de fusión 10 configurada en un
dispositivo para deposición selectiva que a su vez está dispuesto
en el seno de un cabezal 24, instalado en un equipo industrial con
posibilidad de movimiento controlado a lo largo de al menos tres
ejes (X, Y, Z) móviles, sobre un área prevista para deposición y
quedando comunicada dicha cámara con una porción susceptible de
vibración de un sonotrodo 12 de un transductor ultrasónico, un
pasaje para alimentación 13 de materia plástica y al menos una
abertura de dispensación 14; y
- activar el sonotrodo 12 durante un tiempo
predeterminado mientras se está moviendo controladamente el cabezal
24, de acuerdo con una estrategia de su trayectoria definida por
control numérico a partir de la información proporcionada por un
software adecuado, que ha tratado el sólido en tres dimensiones de
la pieza 9 a reproducir, y verter materia plástica fundida gota a
gota o en forma continua asimismo de manera controlada a través de
dicha abertura 14 que es al menos una, sobre una superficie hasta
formar una capa, y operar de forma equivalente para las sucesivas
capas del artículo a configurar.
En las Figs. 3 y 4 se ha esquematizado un
ordenador 8 como centro de control.
Conforme al método propuesto la alimentación de
materia plástica a la cámara de fusión 10 se realiza bajo un
control del caudal de alimentación.
El método contempla asimismo y ventajosamente la
incorporación de una regulación del volumen de la cámara 10 en
función del tipo de materia plástica o condiciones de la deposición,
lo que se puede lograr de manera sencilla mediante un
desplazamiento del sonotrodo en el seno de la carcasa del
dispositivo, acercándolo o separándolo en relación a la cámara de
fusión 10.
Conforme a los principios de la invención se ha
previsto utilizar condiciones de deposición (patrón de deposición,
continuo o discontinuo, densidad de la materia depositada, etc.)
diferenciadas en la fabricación de una única pieza 9. Además y en
la fabricación de una única pieza 9 se ha previsto utilizar dos o
más materiales distintos, en dependencia de la funcionalidad de la
parte a depositar, (soporte, parte interior, cara externa o
cubierta, etc.).
Teniendo en cuenta que la fusión del material a
depositar desde la abertura 14 y procedente de la cámara de fusión
10, es dependiente de la energía suministrada por la vibración del
sonotrodo 12, se ha previsto también que se lleve a cabo un control
de la energía aplicada a un generador del citado transductor
ultrasónico teniendo en cuenta las características de la
alimentación y/o tipo de materia plástica empleado, para operar de
manera combinada con todos los parámetros.
Además y habida cuenta de la condición variable
de la cámara de fusión 10, la aplicación de la energía aplicada a
un generador de dicho transductor ultrasónico tendrá asimismo en
cuenta el volumen de trabajo fijado para la cámara de fusión 10, en
cada momento.
Un experto en la materia podrá introducir
cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos
sin salirse del alcance de la invención según está definido en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (25)
1. Dispositivo para deposición selectiva de
materia plástica fundida caracterizado porque comprende una
cámara de fusión (10) comunicada con:
- -
- una porción (11), susceptible de entrar en vibración, de un sonotrodo (12) de un transductor ultrasónico;
- -
- un pasaje para alimentación (13) de materia plástica; y
- -
- al menos una abertura de salida (14) para suministro de materia plástica fundida gota a gota o en forma continua.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha cámara de fusión (10) está
integrada en un conjunto para plastificación de dicha materia
plástica e incluye un mecanismo de alimentación configurado para
transportar dicha materia plástica hasta la cámara (10).
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque dicha cámara de fusión (10) está
situada en una porción extrema de una carcasa (15) alargada,
envolvente de dicho sonotrodo (12), el cual vibra en sentido
longitudinal respecto a dicha carcasa (15), quedando la cámara de
fusión (10) enfrentada a la punta del sonotrodo (12) y porque dicho
mecanismo de alimentación está configurado coaxialmente al eje
longitudinal de dicho sonotrodo (12), comprendiendo un husillo (16)
gobernado de forma controlada, localizado en una cavidad anular
(21).
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicha cavidad anular (21) está
delimitada entre una pared cilíndrica exterior proporcionada por la
cara interior de la carcasa (15), el sonotrodo (12), y unos
cojinetes (18, 19), todos coaxiales al eje longitudinal del
sonotrodo.
5. Dispositivo, según la reivindicación 3,
caracterizado porque incluye medios para proporcionar un
desplazamiento de carrera limitada en sentido longitudinal de todo
el dispositivo, regulando de este modo el volumen de materia
plástica de dicha cámara de fusión (10) delimitado por la punta del
sonotrodo (12).
6. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicho transductor ultrasónico está
asociado al citado husillo (16) a través de unos cojinetes
(18).
7. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicha alimentación de materia plástica
comprende al menos una boca de alimentación lateral (20) de la
carcasa (15) que comunica con una zona de dicha cavidad anular (21)
distal de la cámara de fusión (10).
8. Dispositivo, según la reivindicación 2,
caracterizado porque dicha cámara de fusión (10) está
situada en una porción extrema de una carcasa (15) envolvente de
dicho sonotrodo (12), enfrentada a un extremo abierto (22) de dicha
carcasa (15) envolvente, para acceso del material en una dirección
sustancialmente alineada con el sonotrodo (12), y dicha abertura de
salida (14) es una abertura lateral de la carcasa (15).
9. Dispositivo, según la reivindicación 8,
caracterizado porque incluye una unidad de alimentación por
empuje de materia plástica, controlada, al interior de la cámara de
fusión (10) a través del citado extremo abierto (22) de la carcasa
(15).
10. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho
sonotrodo (12) está controlado para aportar, en función de la
materia plástica a fundir, una cantidad de energía de ultrasonidos
suficiente para fundir la materia plástica alimentada a la cámara de
fusión (10) de forma casi instantánea.
11. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha
materia plástica es cualquier material polimérico y puede ser
suministrada en cualquier morfología que comprende al menos granza,
polvo, filamentos, plancha y gel.
12. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha
abertura de salida (14) de la cámara de fusión (10), que es al
menos una, está asociada a un cuerpo dispensador que dispone de una
o más boquillas orientadas.
13. Dispositivo según la reivindicación 2 ó 8,
caracterizado porque dicha cámara de fusión (10) está
situada en una porción extrema de una carcasa (15) alargada,
envolvente de dicho sonotrodo (12), el cual vibra en sentido
longitudinal respecto a dicha carcasa (15), quedando la cámara de
fusión (10) enfrentada a la punta del sonotrodo (12) y porque
dispone de un sistema de control (23) de la deposición del
material, asegurando un goteo o 12 funcionamiento correcto de la
deposición así como el ancho de la capa en cuestión.
14. Dispositivo, según la reivindicación 13,
caracterizado porque dicho sistema de control (23) se
encuentra integrado en la abertura de salida (14) y porque tiene
como función controlar la cantidad de material depositado de
acuerdo con el volumen fundido en la cámara (10) en cuestión.
15. Aparato para deposición selectiva de materia
plástica fundida caracterizado porque comprende un cabezal
(24) de un equipo de fabricación industrial con al menos tres
grados de libertad al cual está unido operativamente, de manera
amovible, un dispositivo para deposición selectiva, ultrasónico,
según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14.
16. Aparato, según la reivindicación 15,
caracterizado porque dicho cabezal (24) pertenece a un
equipo industrial escogido del grupo que comprende al menos equipos
CMM (Control Measurement Machine), equipos de fabricación por capas
o equipos de mecanizado.
17. Aparato, según la reivindicación 16,
caracterizado porque dicho equipo industrial es una máquina
fresadora.
18. Método de fabricación por deposición
selectiva de materia plástica fundida caracterizado porque
comprende:
- alimentar materia plástica de forma controlada
a una cámara de fusión (10), estando dicha cámara (10) configurada
en un dispositivo para deposición selectiva instalado en un cabezal
(24) de un equipo de fabricación industrial móvil, sobre un área de
deposición y estando comunicada dicha cámara con una porción
susceptible de vibración de un sonotrodo (12) de un transductor
ultrasónico, un pasaje para alimentación (13) de materia plástica y
al menos una abertura de salida (14); y
- activar el sonotrodo (12) un tiempo
predeterminado mientras se está moviendo controladamente el cabezal
(24) de acuerdo con una estrategia de su trayectoria definida por
control numérico a partir de la información proporcionada por un
software adecuado que ha tratado el sólido en tres dimensiones de la
pieza (9) a reproducir y suministrar al mismo tiempo materia
plástica fundida gota a gota o en forma continua de manera
controlada a través de dicha abertura (14) que es al menos una,
sobre una superficie hasta formar una capa.
19. Método para deposición selectiva de materia
plástica fundida según la reivindicación 18, caracterizado
porque dicha alimentación de materia plástica a la cámara (10) se
realiza bajo un control del caudal de alimentación.
20. Método para deposición selectiva de materia
plástica fundida según la reivindicación 18, caracterizado
porque se realiza una regulación del volumen de la cámara (10)
mediante un desplazamiento relativo entre el sonotrodo (12) y dicha
cámara (10).
21. Método para deposición selectiva de materia
plástica fundida según la reivindicación 18, caracterizado
porque se utilizan condiciones de deposición diferenciadas en la
fabricación de una única pieza (9).
22. Método para deposición selectiva de materia
plástica fundida según la reivindicación 18, caracterizado
porque se utilizan dos o más materiales en la fabricación de una
única pieza (9).
23. Método para deposición selectiva de materia
plástica fundida según la reivindicación 22, caracterizado
porque se utilizan condiciones de deposición diferenciadas en la
fabricación de una única pieza (9).
24. Método para deposición selectiva de materia
plástica fundida según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a
23, caracterizada por llevar a cabo un control de la energía
aplicada a un generador de dicho transductor ultrasónico en
combinación con las características de la alimentación y/o tipo de
materia plástica empleado.
25. Método para deposición selectiva de materia
plástica fundida según la reivindicación 20, caracterizada
por llevar a cabo un control de la energía aplicada a un generador
de dicho transductor ultrasónico en función del volumen de la
cámara de fusión (10).
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