ES2924226T3 - Dispositivo para la fabricación por capas de objetos tridimensionales - Google Patents

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Wolfgang Diekmann
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Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo para producir objetos tridimensionales capa por capa en un proceso de fusión de lecho de polvo. El dispositivo (20) comprende un espacio de construcción (1), al menos una fuente de energía (5), un área de construcción (4) con una plataforma de espacio de construcción (6) y un contenedor de espacio de construcción (9) que limita lateralmente la plataforma de espacio de construcción (6). La plataforma espacial de construcción (6) tiene un lado superior (12), que mira hacia la pólvora (2), y un lado inferior (13), que mira en dirección contraria a la pólvora. La parte superior (12) de la plataforma espacial de construcción (6) comprende un material con una conductividad térmica de al menos 20 W/(m·K) y la parte inferior (13) de la plataforma espacial de construcción (6) comprende un material con una conductividad térmica de un máximo de 0,5 W/(m·K). La superficie de contacto del lado superior (12) de la plataforma del espacio del edificio (6) con respecto al polvo (2) o con respecto al medio de enfriamiento se eleva al menos un 20% en comparación con la superficie plana de un espacio del edificio plataforma (6). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo para la fabricación por capas de objetos tridimensionales
La presente invención se refiere a un dispositivo para la fabricación por capas de objetos tridimensionales en un procedimiento de fusión de lecho de polvo, así como a un procedimiento de fusión de lecho de polvo.
La rápida puesta a disposición de prototipos o series pequeñas es una tarea que recientemente se plantea con mucha frecuencia. Los procedimientos que lo permiten se denominan procedimientos de prototipado rápido, manufactura rápida, fabricación aditiva o simplemente impresión 3D. Se consideran especialmente apropiados los procedimientos en los que las estructuras deseadas se fabrican por capas mediante fusión y/o solidificación selectiva de materiales en forma de polvo. Los procedimientos que funcionan de acuerdo con este principio se agrupan en las normas ISO/ASTM 52900 o ISO 17296-2 bajo el concepto general de fusión de lecho de polvo.
Un ejemplo para un procedimiento de fusión de lecho de polvo es la sinterización láser que se describe ampliamente en las memorias US 6136948 y WO 96/06881. Otros ejemplos de procedimientos de fusión de lecho de polvo se describen en los documentos US 6531086 y EP 1740367 (US 2007/238056).
En los procedimientos de fusión de lecho de polvo se emplean polvos de materiales metálicos, cerámicos o también poliméricos. Para la minimización de la deformación de los objetos tridimensionales a fabricar se necesita en la mayoría de los casos un acondicionamiento de la temperatura del espacio de construcción. En el documento DE 10108612 (US 2002/158054) se describe un dispositivo en el que mediante un calentamiento de camisa del espacio de construcción se pretende evitar la deformación de los objetos tridimensionales. El calentamiento de la camisa del espacio de construcción tiene, sin embargo, el gran inconveniente de que el polvo se expone en el recipiente del espacio de construcción a una carga de temperatura prolongada. Además, la distribución de la temperatura a regular en la camisa del espacio de construcción que se describe en esta memoria se lleva a cabo por medio de zonas que han de acondicionarse por separado, lo que requiere un dispositivo complejo. Sin embargo, una carga de temperatura prolongada conduce precisamente en los materiales poliméricos a cambios no deseados en el material en forma de polvo, como un deterioro termo-oxidativo o un fuerte incremento del peso molecular. Los dos efectos no son deseados, dado que influyen negativamente en la reciclabilidad del polvo.
Por lo tanto, el objetivo de la presente invención consiste en reducir lo más posible la deformación de los objetos tridimensionales a fabricar y al mismo tiempo la carga térmica del material en forma de polvo. Se pretende que el polvo experimente un incremento lo más reducido posible del peso molecular.
En caso de dispositivos utilizados en procedimientos de fusión de lecho de polvo, la dirección del avance de construcción (dirección de descenso de la plataforma del espacio de construcción sobre la que se crea el objeto tridimensional) se define como eje z. Por consiguiente, el eje z se apoya perpendicularmente sobre el plano del campo de construcción. Un problema del estado de la técnica consiste en que los parámetros mecánicos en dirección z dependen fuertemente de la posición del objeto en el campo de construcción. En especial, el alargamiento de rotura es en las zonas de los bordes significativamente peor que en el centro del campo de construcción. Por esta razón, otro de los objetivos es el de mejorar los parámetros mecánicos de las partes del objeto tridimensional que se fabrican en la zona del borde (zona exterior) del campo de construcción. Con esta medida se persigue que los parámetros mecánicos de los objetos tridimensionales se encuentren al mismo nivel independientemente de la posición en el campo de la construcción.
De acuerdo con estos objetivos se ha encontrado un nuevo dispositivo según la reivindicación 1 para la fabricación por capas de objetos tridimensionales en un procedimiento de fusión de lecho de polvo. El dispositivo comprende un espacio de construcción, al menos una fuente de energía, un campo de construcción con una plataforma de espacio de construcción y un recipiente de espacio de construcción que rodea la plataforma de espacio de construcción lateralmente. La plataforma del espacio de construcción presenta una cara superior orientada hacia el polvo y una cara inferior opuesta al polvo. La cara superior de la plataforma del espacio de construcción comprende un material con una conductividad térmica de al menos 20 W /(mK) y la cara inferior de la plataforma del espacio de construcción comprende un material con una conductividad térmica de un máximo de 0,5 W/(mK). Además, la superficie de contacto entre la cara superior de la plataforma del espacio de construcción y el polvo se eleva al menos un 20% en comparación con la superficie plana de una plataforma de espacio de construcción. De este modo se proporciona una plataforma de espacio de construcción cuya cara superior comprende un material de buena conductividad térmica y cuya cara inferior comprende un material de mala conductividad térmica. De acuerdo con la invención, la cara superior de la plataforma de espacio de construcción es de un material con una conductividad térmica de al menos 20 W/(mK) y la cara inferior de la plataforma de espacio de construcción comprende un material con una conductividad térmica de como máximo 0,5 W/(mK). La plataforma de espacio de construcción presenta al menos una entrada y al menos una salida para un refrigerante. Con preferencia, la entrada y la salida se disponen respectivamente por la cara inferior de la plataforma.
Por medio del dispositivo según la invención, que comprende una plataforma de espacio de construcción como la que se ha mencionado antes, se obtienen objetos tridimensionales que muestran una deformación reducida y parámetros mecánicos buenos y uniformes. Se produce además una carga térmica reducida del polvo.
La plataforma de espacio de construcción comprende preferiblemente otros dispositivos que hacen posible una refrigeración de la cara superior de la plataforma. Para ello se pueden integrar en la cara inferior de la plataforma de construcción una o varias máquinas dinámicas de accionamiento externo.
En una forma de realización preferida de la invención, el recipiente del espacio de construcción presenta una superficie de camisa orientada hacia la plataforma del espacio de construcción, comprendiendo o consistiendo la superficie de camisa preferiblemente en un material con una conductividad térmica máxima de 0,5 W/(mK). Con preferencia, la superficie de camisa tiene un grosor de pared de al menos 10 mm. El grosor de pared es preferiblemente de al menos 40 mm, con especial preferencia de al menos 80 mm.
Con la realización de la superficie de camisa del recipiente del espacio de construcción como aislante térmico se puede prescindir del complicado acondicionamiento de la temperatura del recipiente del espacio de construcción y reducir además la carga térmica del polvo, así como la deformación de los objetos tridimensionales fabricados.
El material de la superficie camisa del recipiente del espacio de construcción y el material de la cara inferior de la plataforma del espacio de construcción pueden ser iguales o diferentes. Con preferencia, el material presenta respectivamente una conductividad térmica de menos de 0,3 W/(mK), en especial respectivamente de menos de 0,1 W/(mK) y con especial preferencia de menos de 0,05 W/(mK). El material de la cara superior presenta preferiblemente una conductividad térmica de al menos 80 W/(mK), con preferencia de al menos 140 W/(mK).
La conductividad térmica se determina a 23°C según la norma ASTM E1461 (LFA457 Micro Flash de la firma Netzsch, espesor de la muestra 2 mm, acondicionamiento de la muestra 48 h 23°C/50%). Materiales apropiados que muestran estas características aislantes son, por ejemplo, vidrio espumado, cerámica espumada, perlita expandida, hormigón poroso, madera, polímeros de alta temperatura como las polieteretercetonas o durómeros resistentes a la temperatura.
La plataforma del espacio de construcción se puede diseñar de manera que sea posible una refrigeración del polvo proporcionado (torta de polvo) durante el proceso de construcción o después del proceso de construcción. La refrigeración de la plataforma del espacio de construcción se produce preferiblemente por conducción de calor y/o convección. La capacidad frigorífica se puede ajustar al valor deseado mediante regulación.
El polvo es un polvo de polímero. Los polímeros apropiados de los polvos de polímero se seleccionan de entre poliamidas, poliolefinas, como el polietileno y el polipropileno, poliésteres y poliariletercetonas (PAEK), como la polieteretercetona. Las poliamidas apropiadas pueden ser poliamidas usuales y conocidas. Las poliamidas comprenden homo-poliamidas y co-poliamidas. Las poliamidas o copoliamidas adecuadas se seleccionan de entre poliamida 6, 11, 12, 1013, 1012, 66, 46, 613, 106, 11/1010, 1212 y 12/1012. Una poliamida preferida se selecciona de entre poliamida 11, 12, 1013, 1012, 66, 613, 11/1010, 1212 y 12/1012, con especial preferencia poliamida 11 o 12 y sobre todo poliamida 12.
El dispositivo según la invención se explica a continuación a la vista de las figuras.
La figura 1 muestra la estructura principal de un dispositivo para la fabricación de objetos tridimensionales según el estado de la técnica (vista anterior) en un procedimiento de fusión de lecho de polvo. El espacio de construcción (1) comprende toda la zona en la que se fabrican los objetos tridimensionales. Un dispositivo de empuje idóneo (3), como rodillos, cilindros o rasquetas, transporta el polvo (2) a través del plano del campo de construcción (10) al campo de construcción (4). La temperatura del polvo se acondiciona por medio de una fuente de calor. Una fuente de energía electromagnética (5) como, por ejemplo, un láser, funde o sinteriza selectivamente una zona en la superficie del campo de construcción. La plataforma del campo de construcción (6) se baja de acuerdo con un grosor de capa preestablecido y el proceso se repite hasta crear por capas un objeto tridimensional (7). El recipiente del espacio de construcción (8) rodea la torta de polvo (9) y los objetos tridimensionales fabricados (7) contenidos, en su caso, en el mismo. La torta de polvo queda limitada lateralmente por la superficie de camisa del recipiente del espacio de construcción, por arriba por el campo de construcción y por abajo por la plataforma del espacio de construcción. La superficie de camisa del recipiente del espacio de construcción se calienta de acuerdo con el estado de la técnica.
La figura 2 muestra a modo de ejemplo el diseño según la invención del recipiente del espacio de construcción (8) (vista anterior seccionada). La superficie de camisa del recipiente del espacio de construcción (11) se compone preferiblemente en un material termoaislante con un espesor de pared de al menos 10 mm.
En la figura 3 se representa a modo de ejemplo una forma de realización no conforme a la invención de la plataforma del espacio de construcción (6). La plataforma del espacio de construcción (6) comprende una cara superior (12) y una cara inferior (13). Una máquina dinámica (15) de accionamiento externo y número de revoluciones regulable se monta por la cara inferior (13) de la plataforma. Para un mejor flujo, la cara inferior (13) posee, además de una entrada (16) para el aire, una o varias salidas (14). La cara superior (12) es preferiblemente de un material con una buena conductividad térmica (es decir, una conductividad térmica de al menos 20 W/(mK)) y la cara inferior (13) consta preferiblemente de un material con una mala conductividad térmica (es decir, una conductividad térmica máxima de 0,5 W/(m-K)).
Otra realización no conforme a la invención se muestra en la figura 4. La plataforma del espacio de construcción (6) se ha configurado de manera que pueda pasar un refrigerante. La cara inferior (13) presenta una entrada (16) y una o más salidas (14) para el refrigerante. El refrigerante puede ser gaseoso o líquido. También en este caso, la cara superior (12) es preferiblemente de un material con buena conductividad térmica y la cara inferior (13) es preferiblemente de un material con poca conductividad térmica. En la figura 6 se muestra otra forma de realización no conforme a la invención, en la que la cara superior (12) está atravesada por canales de refrigeración (17).
En la figura 5 se representa una forma de realización según la invención. Una mejor transferencia de calor desde la cara superior de la plataforma del espacio de construcción (12) a la torta de polvo y al refrigerante se consigue aumentando las superficies de contacto. La superficie de contacto entre la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) y la torta de polvo y/o el refrigerante se incrementa en al menos un 20% en comparación con una superficie plana. Con preferencia, la superficie de contacto se agranda desde la cara superior de la plataforma del espacio de construcción hacia la torta de polvo y/o el refrigerante en al menos un 50% en comparación con una superficie plana de una plataforma.
El objeto de la presente invención lo constituye también un procedimiento según la reivindicación 6 para la fabricación por capas de objetos tridimensionales en un procedimiento de fusión de lecho de polvo. El procedimiento comprende los pasos recurrentes de a) puesta a disposición de un polvo de polímero (2), b) establecimiento de una temperatura de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) a un máximo de 15 °C por debajo de una temperatura de proceso, c) establecimiento de una temperatura en el espacio de construcción (1) por debajo de la temperatura de fusión del polvo (temperatura de proceso), d) en su caso, aplicación de un producto auxiliar de fusión mediante inyección a zonas de polvo (2) que se van a sinterizar, e) aplicación de energía electromagnética al polvo para la sinterización selectiva mediante una fuente de energía (5), f) descenso de la plataforma de construcción en un espesor de capa, g) aplicación de más polvo (2), y h) repetición de los pasos c a g hasta completar el objeto tridimensional. En la primera puesta a disposición de un polvo, se prefiere proporcionar un espesor de capa de polvo de 4 a 10 mm.
La temperatura de proceso es la temperatura del polvo en el campo de construcción. La temperatura de proceso es preferiblemente de 10 a 20 °C por debajo del punto de fusión del polvo, con preferencia un polvo de polímero.
El procedimiento se caracteriza por el hecho de que, tras el inicio del procedimiento de fabricación, la temperatura de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) se reduce en al menos 5 °C por cada 10 mm de avance de la construcción hasta que la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) haya alcanzado una temperatura máxima de 50 °C. En este caso, la temperatura de la plataforma del espacio de construcción ya se reduce durante el proceso de construcción. Tras el inicio del procedimiento de construcción, la temperatura de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) se reduce preferiblemente en al menos 7 °C por cada 10 mm, con especial preferencia en 10 °C por cada 10 mm de avance de la construcción, hasta que la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) alcance una temperatura de al menos 50 °C. Por progreso de la construcción debe entenderse aquí el descenso por capas de la plataforma de construcción durante el proceso de construcción. El descenso de la temperatura de la cara superior de la plataforma de construcción se puede llevar a cabo de forma lineal o preferiblemente de forma sobreproporcionada con el proceso de construcción avanzado. Este último caso da lugar a que la temperatura de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) disminuya más rápidamente a medida que aumenta la duración del proceso de construcción.
Lista de referencias
1 Espacio de construcción
2 Polvo
3 Dispositivo de empuje
4 Campo de construcción
5 Fuente de energía
6 Plataforma del espacio de construcción
7 Objeto tridimensional
8 Recipiente del espacio de construcción
9 Torta de polvo
10 Plano del campo de construcción
11 Superficie de camisa del recipiente del espacio de construcción
12 Cara superior de la plataforma del espacio de construcción
13 Cara inferior de la plataforma del espacio de construcción
14 Salida para el refrigerante
15 Máquina de flujo de accionamiento externo
16 Entrada para el refrigerante
17 Canales de refrigeración
Ejemplos
Los dispositivos descritos en los ejemplos se utilizaron para crear objetos tridimensionales. Para crear los objetos tridimensionales se utilizó un polvo de PA12 con las propiedades indicadas en la tabla 1. Para ello, se colocó en todos los ejemplos una capa de polvo de 6 mm en la plataforma del espacio de construcción y se precalentó todo el espacio de construcción durante 180 minutos a una temperatura de 168 °C. Se inició el proceso de construcción (temperatura de proceso 174 °C, grosor de capa 0,15 mm) y se construyeron en total de 36 muestras de ensayo de tracción (DIN ISO527, velocidad de ajuste de los parámetros de exposición, posición y orientación de los objetos iguales en todos los ejemplos). Respectivamente 12 se colocaron con una orientación z (vertical) en el borde y en el centro del campo de construcción. Las 12 muestras de ensayo de tracción restantes se colocaron con una orientación x (horizontal) en el campo de construcción. La altura del lecho de polvo al final del proceso de construcción era respectivamente de 320 mm. La duración del proceso de construcción fue en los ejemplos fue de 18 h 57 min. Al final del proceso de construcción, se desconectó la calefacción y el recipiente del espacio de construcción con el polvo contenido en él se almacenó durante 72 h en la máquina de sinterización láser. Después, los objetos tridimensionales creados se retiraron del lecho de polvo y se comprobaron. También se sacó el polvo del recipiente del espacio de construcción y se homogeneizó por medio de una mezcladora. A continuación, se midió la viscosidad de la solución (ISO 307, Schott AVS Pro, disolvente ácido m-cresol, método volumétrico, doble determinación, temperatura de disolución 100 °C, tiempo de disolución 2 h, concentración de polímero 5 g/l temperatura de medición 25 °C) del polvo así homogeneizado.
Tabla 1: Características del polvo
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Ejemplo 1: Máquina SLS (no conforme a la invención)
Se procesó un polvo de PA12 con los parámetros de material de la tabla 1 en una máquina de sinterización láser EOSINT P395 de eos GmbH. La temperatura de la cámara de extracción se fijó en 130 °C.
Ejemplo 2: Máquina SLS (no conforme a la invención)
Un polvo de PA12 con los parámetros de material de la tabla 1 se procesa en una máquina de sinterización láser EOSINT P395 de eos GmbH. Se desconectó la calefacción de la cámara de extracción. La superficie de camisa del recipiente del espacio de construcción consistía en espuma de vidrio con un espesor de pared de 40 mm.
La plataforma del espacio de construcción fue diseñada según la figura 4. La cara superior de la plataforma del espacio de construcción era de aluminio y la cara inferior de espuma de vidrio. A la cara superior se aplicó aire comprimido, regulando la cantidad de aire en función de la capacidad de refrigeración necesaria. Al principio del proceso de construcción, la temperatura de la plataforma del espacio de construcción se calentó a 161 °C. Tras el inicio del proceso de construcción, la temperatura de la cara superior de la plataforma del espacio de construcción se redujo al menos 7 °C por cada 10 mm de avance de la construcción hasta que la cara superior de la plataforma del espacio de construcción alcanzó una temperatura de 49 °C.
En las tablas 2 a 4 se indican los resultados de las pruebas de los respectivos componentes producidos y la viscosidad de la solución del polvo homogeneizado. Se puede observar que los objetos tridimensionales poseen propiedades similares, pero en el ejemplo según la invención, el polvo homogeneizado del recipiente del espacio de construcción experimentó una acumulación de peso molecular significativamente menor. Además, la desviación estándar de las propiedades mecánicas de los componentes en la orientación z es significativamente menor en el ejemplo 2 según la invención, lo que significa una calidad más uniforme de los componentes.
Tabla 2: Propiedades de las probetas de ensayo de tracción en la orientación x
Figure imgf000007_0002
Tabla 3: Propiedades de las probetas en la orientación z
Figure imgf000007_0001
Tabla 4: Propiedades de los polvos
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Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para la fabricación por capas de objetos tridimensionales en un procedimiento de fusión de lecho de polvo, que comprende un espacio de construcción (1), al menos una fuente de energía (5), un campo de construcción (4) con una plataforma de espacio de construcción (6) y un recipiente de espacio de construcción (9) que rodea lateralmente la plataforma del espacio de construcción (6), presentando la plataforma del espacio de construcción (6) una cara superior (12) orientada hacia un polvo (2) y una cara inferior (13) opuesta al polvo, comprendiendo la cara superior (12) un material con una conductividad térmica de al menos 20 W /(mK) y la cara inferior (13) un material con una conductividad térmica de al menos 0,5 W/(mK), determinándose la conductividad térmica mediante la norma ASTM E1461 e incrementándose la superficie de contacto de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) con el polvo (2) en al menos un 20% en comparación con la superficie plana de una plataforma de espacio de construcción (6), caracterizado por que la plataforma del espacio de construcción (6) presenta al menos una entrada (16) y al menos una salida (14) para un refrigerante.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que en la cara inferior (13) se integran una o varias máquinas de flujo de accionamiento externo (15).
3. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la al menos una entrada (16) y la al menos una salida (14) se disponen respectivamente en la cara inferior (13) de la plataforma del espacio de construcción (6).
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el recipiente del espacio de construcción (9) presenta una superficie de camisa (11), comprendiendo la superficie de camisa (11) un material con una conductividad térmica máxima de 0,5 W/(mK).
5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado por que la superficie de camisa (11) del recipiente del espacio de construcción (9) tiene un espesor de capa de al menos 10 mm.
6. Procedimiento para la fabricación por capas de objetos tridimensionales en un procedimiento de fusión de lecho de polvo en un dispositivo según las reivindicaciones 1 a 5, que comprende un espacio de construcción (1), al menos una fuente de energía (5), un campo de construcción (4) con una plataforma de espacio de construcción (6) y un recipiente de espacio de construcción (9) que rodea lateralmente la plataforma del espacio de construcción (6), presentando la plataforma del espacio de construcción (6) una cara superior (12) orientada hacia un polvo (2) y una cara inferior (13) opuesta al polvo, comprendiendo la cara superior (12) un material con una conductividad térmica de al menos 20 W/(mK) y la cara inferior (13) un material con una conductividad térmica de al menos 0,5 W /(mK) e incrementándose la superficie de contacto de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) con el polvo (2) en al menos un 20% en comparación con la superficie plana de una plataforma de espacio de construcción (6), presentando la plataforma del espacio de construcción (6) al menos una entrada (16) y al menos una salida (14) para un refrigerante, que comprende los pasos de
a. puesta a disposición de un polvo de polímero (2) en un espesor de capa de al menos 6 mm,
b. establecimiento de una temperatura de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) a un máximo de 15 °C por debajo de una temperatura de proceso,
c. establecimiento de una temperatura en el espacio de construcción (1) por debajo de la temperatura de fusión del polvo (temperatura de proceso),
d. aplicación de un producto auxiliar de fusión mediante inyección a zonas de polvo (2) que se van a sinterizar, e. aplicación de energía electromagnética al polvo para la sinterización selectiva mediante una fuente de energía (5),
f. aplicación de más polvo (2),
g. repetición de los pasos d a f,
caracterizado por que, tras el inicio del procedimiento de fabricación, la temperatura de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) se reduce en al menos 5°C por cada 10 mm de avance hasta que la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) haya alcanzado una temperatura de al menos 50°C.
7. Procedimiento de fusión de lecho de polvo según la reivindicación 6, caracterizado por que el descenso de la temperatura de la cara superior (12) de la plataforma del espacio de construcción (6) se produce de forma sobreproporcionada a medida que avanza el procedimiento.
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