PL226599B1 - Konstrukcja struktury bazowej, zwłaszcza pod model drukowany w technologii 3D - Google Patents

Abstract

Konstrukcja struktury bazowej, zwłaszcza pod model drukowany w technologii 3D w postaci siatki z luźno ułożonych ścieżek charakteryzuje się tym, że składa się z trzech sekcji (1), (2), (3) o zróżnicowanej budowie, nakładanych jedna na drugiej, która generowana jest na platformie roboczej pod modelem (4). Sekcja pierwsza (1) składa się z co najmniej jednej warstwy posiadającej co najmniej dwie ścieżki ułożonych jedna przy drugiej tworząc podstawowy kontur, oraz ścieżek umieszczonych wewnątrz podstawowego konturu, a po jednej zewnętrznej stronie ścieżek konturu umieszczona jest dodatkowa ścieżka tworząca zewnętrzny kontur. Sekcja druga (2) składa się z co najmniej dwóch identycznych warstw, których ścieżki nakładane są jedna na drugiej i są prostopadłe do ścieżek sekcji pierwszej (1). Sekcja trzecia (3) składa się z co najmniej dwóch identycznych, których ścieżki nakładane są jedna na drugiej ułożone skośnie w stosunku do ścieżek sekcji drugiej (2), korzystnie w przedziale od 70 do 90 stopni. Konstrukcja charakteryzuje się tym, że na platformę roboczą nakłada się sekcję pierwszą (1), na niej sekcję drugą (2) i kolejno sekcję trzecią (3) o mniejszym polu powierzchni od sekcji drugiej (2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja struktury bazowej, zwłaszcza pod model drukowany w technologii 3D warstwowego osadzania topionego materiału. Struktura bazowa tworzona jest pod modelem i stanowi usuwalną podstawę pod właściwy model oraz jego podpory. Będąca przedmiotem wynalazku struktura bazowa tworzona jest z tego samego materiału co wydruk i dzięki jej właściwościom możliwe jest jej proste oddzielenie od modelu po wydruku.

Ze zgłoszenia wynalazku nr US 20130307193 zgłoszonym przez firmę Stratasys, znana jest struktura bazowa w postaci siatki utworzonej z luźno ułożonych ścieżek generowanych za pomocą dyszy pod modelem drukowanym. Siatka ta nie stanowi zwartej struktury i prowadzi często do deformacji pierwszej warstwy modelu, w konsekwencji odbijając się na jakości spodu modelu.

W niektórych znanych rozwiązaniach, takich jak struktura „raft” zastosowanych w drukarce Up! 3D stosuje się warstwę bazową składającą się z różnych sekcji, takich jak dolna siatka oraz płaszczyzna bazowa. Rozwiązanie to zapewnia dobre przyleganie wydruku do platformy roboczej oraz stabilizuje model, jednakże struktura bazowa jest silnie zespolona z modelem przez co model wymaga dodatkowej ręcznej obróbki w celu uzyskania pierwotnie zakładanego kształtu. Rozwiązanie to negatywnie wpływa na jakość spodu modelu.

Z innych rozwiązań znane są struktury bazowe pod pojęciem „raft” oraz „brim”. „Brim”, to struktura stanowiąca dodatkowe szerokie ścieżki wokół pierwszej warstwy modelu. Sam model generowany jest w tym wypadku bezpośrednio na platformie roboczej. „Raft” w tym przypadku jest strukturą bardzo podobną do rozwiązania nr US 20130307193 zgłoszonego przez firmę Stratasys i składa się z siatki luźno ułożonych ścieżek z tą różnicą, że operator oprogramowania może ręcznie zmienić niektóre jej parametry, aby dopasować jej właściwości do materiału drukującego. Zarówno jedna, jak i druga struktura ma za zadanie poprawę przylegania modelu do platformy roboczej i nie pełni funkcji takich jak kompensacja nierówności platformy.

Z patentu US 6790403 B1, znana jest baza stosowana jako rozpuszczalny materiał podporowy. W tym przypadku z uwagi na różne właściwości fizykochemiczne i różnice wynikające z zastosowanej technologii, takie jak zastosowanie grzanej komory roboczej obu materiałów, nie spełnia on funkcji redukcji naprężeń na modelu.

Według wynalazku konstrukcja struktury bazowej, zwłaszcza pod model drukowany w technologii 3D w postaci siatki z luźno ułożonych ścieżek charakteryzuje się tym, że składa się z trzech sekcji o zróżnicowanej budowie, nakładanych jedna na drugiej, która generowana jest na platformie roboczej pod modelem. Sekcja pierwsza składa się z co najmniej jednej warstwy posiadającej co najmniej dwie ścieżki ułożonych jedna przy drugiej tworząc podstawowy kontur, oraz ścieżek umieszczonych wewnątrz tego konturu. Po jednej zewnętrznej stronie ścieżek konturu umieszczona jest ścieżka tworząca dodatkowy zewnętrzny kontur. Odległość pomiędzy wewnętrznymi ścieżkami sekcji pierwszej jest co najmniej dwukrotnie szersza od szerokości tej samej ścieżki. Ścieżki te są co najmniej dwukrotnie szersze od szerokości ścieżki referencyjnej dla modelu.

Natomiast sekcja druga składa się z co najmniej dwóch identycznych warstw, których ścieżki nakładane są jedna na drugiej i są prostopadle do wewnętrznych ścieżek sekcji pierwszej umieszczonych pomiędzy podstawowym konturem. Szerokość ścieżek sekcji drugiej zawiera się w przedziale od 1 do 2 szerokości ścieżki referencyjnej. Odległość pomiędzy ścieżkami sekcji drugiej zawiera się w przedziale od 1 do 3 szerokości ścieżki referencyjnej.

Sekcja trzecia składa się z co najmniej dwóch identycznych warstw, których ścieżki nakładane są jedna na drugiej ułożone skośnie w stosunku do ścieżek sekcji drugiej, w przedziale korzystnie od 70 do 90 stopni. Szerokość ścieżki sekcji trzeciej zawiera się w przedziale 0,5 do 1,5 szerokości ścieżki referencyjnej dla modelu, a odległość pomiędzy tymi ścieżkami jest zbliżona do szerokości generowanej ścieżki. Na platformę roboczą nakłada się sekcję pierwszą, na niej sekcję drugą i kolejno sekcję trzecią o mniejszym polu powierzchni od sekcji drugiej.

Zastosowanie konstrukcji struktury bazowej według wynalazku pozwala na kontrolę odkształceń powstających na modelu i zapobieganie niekorzystnym następstwom tego zjawiska. Odkształcenia są następstwem naprężenia w elemencie powstających wskutek skurczu objętościowego tworzywa, który ma miejsce przy wychładzaniu tworzywa. Są one zjawiskiem niepożądanym szczególnie w dolnych warstwach wydruku, gdzie występuje największa różnica temperatur. Brak kontroli odkształceń prowadzi do odrywania się modelu od platformy roboczej i znaczącej utraty jakości, a nawet zniszczenia wydruku.

PL 226 599 B1

Zastosowanie warstwy bazowej powoduje, że większa część odkształceń powstaje na strukturze bazowej stanowiącej pierwsze warstwy wydruku, a nie na modelu. Odkształcenia tam powstałe nie mają wpływu na wygląd oraz właściwości modelu, a dzięki zastosowaniu konturu na sekcji pierwszej nie mają one także wpływu na odrywanie się wydruku od platformy roboczej.

Struktura warstwy bazowej zgodnie z wynalazkiem sprawia, że jako całość cechuje się ona sztywnością oraz elastycznością. Spójność konstrukcji warstwy bazowej zapobiega jej rozrywaniu się na mniejsze elementy podczas tego procesu.

Dodatkowo dopuszcza się zmianę wysokości pierwszej warstwy modelu w zależności od właściwości fizykochemicznych tworzywa, aby mieć wpływ na powierzchnię przylegania struktury do warstwy bazowej.

Ponadto struktura bazowa stabilizuje wydruk 3D poprawiając jego przyleganie do platformy roboczej, wyrównuje niedoskonałości platformy roboczej redukując odkształcenia modelu oraz minimalizuje wpływ niekorzystnych dla modelu zjawisk fizycznych powstających podczas wydruku.

Konstrukcja struktury bazowej pozwala na osiągnięcie maksymalnej adhezji na brzegach pierwszej warstwy modelu i minimalnej adhezji wewnątrz wypełnienia pierwszej warstwy modelu co pozwala na stabilne osadzenie modelu na platformie roboczej oraz łatwe oddzielanie modelu od samej warstwy bazowej niezależnie od ich wielkości. Zaletą nowej struktury jest sztywność, elastyczność oraz spójność jej konstrukcji umożliwiająca łatwe oddzielenie od właściwego modelu w jednej części.

Poza tym wykonywanie dodatkowego konturu w sekcji pierwszej pozwala na oczyszczenie głowicy z resztek filamentu zalegającego w głowicy przed wydrukiem właściwego modelu. Umożliwia to uzyskanie optymalnych cech osadzanego materiału jeszcze przed wydrukiem właściwego modelu.

Konstrukcja struktury bazowej pozwala na likwidowanie niedoskonałości platformy roboczej, takich jak nierówność wypoziomowania jej w osi pionowej, niedoskonałość płaskości czy ubytki. Umożliwia to zatem rozpoczęcie drukowania modelu i jego podpór zawsze na powierzchni równoległej do płaszczyzny poruszania się głowicy drukarki. W konsekwencji możliwe wady geometrii modelu zostają wyeliminowane.

Przedmiot wynalazku zostanie uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok izometryczny wydrukowanego elementu z widoczną strukturą bazową, fig. 2 przedstawia widok izometryczny pierwszej sekcji struktury bazowej, fig. 3 pokazuje widok izometryczny drugiej sekcji struktury bazowej, fig. 4 - to widok izometryczny trzeciej sekcji struktury bazowej, a fig. 5 pokazuje widok z góry na strukturę bazową po oderwaniu drukowanego modelu w postaci sześcianu.

Konstrukcja struktury bazowej pod model drukowany w technologii 3D składa się z trzech sekcji 1,2, 3 o zróżnicowanej budowie, która generowana jest na platformie roboczej pod modelem 4.

Sekcję pierwszą 1 nakłada się bezpośrednio na platformę roboczą, która to sekcja składa się z dwóch warstw nakładanych na siebie, przy czym drugą warstwę nakłada się na pierwszą jako dodatkowe zwiększenie jej objętości. Druga warstwa posiada większe pole powierzchni niż pole podstawy drukowanego modelu, to znaczy - jej krawędź jest wysunięta poza obrys pierwszej warstwy, odległość ta może wynosić od 5 mm do 30 mm w zależności od materiału, z którego wykonywany jest model.

Każda z warstw pierwszej sekcji 1 składa się z dwóch ścieżek 5 ułożonych jedna przy drugiej tworząc podstawowy kontur, oraz ścieżek 6 umieszczonych wewnątrz konturu. Odległość pomiędzy wewnętrznymi ścieżkami 6 jest co najmniej dwukrotnie szersza od szerokości samej ścieżki 6 w tej sekcji. Po jednej zewnętrznej stronie ścieżek 5 konturu umieszczona jest zewnętrzna ścieżka 7, tworząca dodatkowy kontur, który jest pozostałością poprzedniego tworzywa z głowicy drukarki. Ze względu na to, że poprzednie tworzywo mogło mieć inne właściwości fizykochemiczne, dodatkowy zewnętrzny kontur osadzony jest poza podstawowym konturem, aby nie osłabiać przylegania sekcji pierwszej 1 do platformy roboczej.

Sekcja pierwsza 1 cechuje się zwiększoną szerokością ścieżki 6 w stosunku do pozostałych warstw wydruku. Ścieżka 6 jest co najmniej dwukrotnie szersza od szerokości ścieżki referencyjnej dla modelu. Nałożenie tak szerokiej ścieżki możliwe jest przez odpowiednie zwiększenie objętościowego wydatku przepływu tworzywa wytłaczanego podczas osadzania ścieżki 6 oraz zmniejszenie prędkości druku wobec prędkości referencyjnej dla modelu, co zapewnia także odpowiednią adhezję do platformy roboczej, prędkość generowania pierwszej sekcji zawiera się w zakresie 20-80% referencyjnej prędkości drukowania modelu. Ścieżka referencyjna jest to standardowa ścieżka generowana podczas tworzenia obrysu drukowanego modelu właściwego, czyli takiego, który jest modelem docelowym, a nie strukturą bazową, czy podporową.

PL 226 599 B1

Sekcja pierwsza 1 jako całość pełni funkcję stabilnego osadzenia całego wydruku na polu roboczym uniemożliwiając ruchy osadzonego materiału. Relatywnie duża grubość oraz wysokość sekcji umożliwia wyrównanie ewentualnych niedoskonałości kształtu platformy roboczej takich jak wypukłości czy ubytki.

Sekcja druga 2 składa się z dwóch identycznych warstw, których ścieżki 8 nakładane są jedna na drugiej. Sekcja druga 2 nakładana jest na sekcję pierwszą 1 i posiada to samo pole powierzchni co sekcja pierwsza 1. Ścieżki 8 warstw sekcji drugiej 2 tworzone są prostopadle do ścieżek 6 pomiędzy podstawowym konturem sekcji pierwszej 1. Warstwy sekcji 2 składają się z samych ścieżek 8 bez zewnętrznego konturu. Szerokość ścieżek 8 zawiera się w przedziale od jednej do dwóch szerokości ścieżki referencyjnej, natomiast odległość pomiędzy ścieżkami 8 zawiera się w przedziale od 1 do 3 szerokości ścieżki referencyjnej. Parametry szerokości i odległości pomiędzy ścieżkami 8 są tak dobrane, aby kolejne ścieżki nie nachodziły na siebie. W związku z tym sekcja druga 2 wraz z sekcją pierwszą 1 tworzy strukturę przypominającą siatkę.

Sekcja trzecia 3 składa się z dwóch identycznych warstw których ścieżki 9 nakładane są jedna na drugiej. Sekcja trzecia 3 nakładana jest na sekcję drugą 2. Posiada ona mniejsze pole powierzchni od sekcji drugiej, jej krawędź jest wysunięta poza obrys pierwszej warstwy modelu o wartość stanowiącą połowę wysunięcia pierwszej sekcji 1 od modelu 4 np. jeżeli pierwsza sekcja 1 wysunięta jest o 10 mm względem obrysu modelu 4 to sekcja trzecia 3 wysunięta jest o 5 mm. Ścieżki 9 sekcji ułożone skośnie w stosunku do ścieżek 8 sekcji drugiej 2, w przedziale od 70 do 90 stopni w zależności od rodzaju materiału drukującego. Szerokość ścieżki 9 zawiera się w przedziale 0,5 do 1,5 szerokości ścieżki referencyjnej dla modelu. Odległość pomiędzy ścieżkami 9 jest zbliżona do szerokości generowanej ścieżki, co w rezultacie powoduje, że ostatnia warstwa sekcji trzeciej 3 tworzy równą i gładką powierzchnię. Powierzchnia ta stanowi podstawę, na której generowany jest właściwy model.

Sekcja trzecia 3 wpływa na zwiększenie ogólnej sztywności oraz elastyczności całej bazy przez co możliwe jest łatwe usunięcie struktury bazowej z gotowego modelu bez obawy o połamanie struktury na kawałki podczas odrywania jej z modelu. Wysoka gęstość generowanych ścieżek pełni funkcję ujednolicenia górnej warstwy bazy przed wydrukiem właściwego modelu.

Na fig. 5 przedstawiony jest rzut z góry na strukturę bazową 10 oddzieloną od wydruku, gdzie białe pola 11 obrazują miejsca spojenia struktury z modelem 4. Poprzez zwiększenie wydatku tworzywa na obrysie pierwszej warstwy modelu do maksymalnie 110% wartości referencyjnej oraz zmniejszeniu wydatku na wypełnieniu do minimalnie 50% wartości referencyjnej uzyskany jest efekt maksymalnej adhezji pomiędzy modelem a warstwą bazową przy krawędziach modelu i minimalnej adhezji wewnątrz wypełnienia pierwszej warstwy modelu. Efekt ten jest korzystny niezależnie od wielkości modeli. Przy dużych modelach pozwala na proste oddzielanie ich od struktury bazowej ponieważ nie są one zbyt mocno zespolone na całej powierzchni pierwszej warstwy. Przy małych modelach pozwala na stabilne osadzenie na platformie roboczej.

Claims (8)

1. Konstrukcja struktury bazowej, zwłaszcza pod model drukowany w technologii 3D w postaci siatki z luźno ułożonych ścieżek, znamienna tym, że składa się z trzech sekcji (1), (2), (3) o zróżnicowanej budowie, nakładanych jedna na drugiej, która generowana jest na platformie roboczej pod modelem (4), przy czym sekcja pierwsza (1) składa się z co najmniej jednej warstwy posiadającej co najmniej dwie ścieżki (5) ułożonych jedna przy drugiej tworząc podstawowy kontur, oraz ścieżek (6) umieszczonych wewnątrz podstawowego konturu, a po jednej zewnętrznej stronie ścieżek (5) konturu umieszczona jest dodatkowa ścieżka (7), tworząca zewnętrzny kontur, natomiast sekcja druga (2) składa się z co najmniej dwóch identycznych warstw, których ścieżki (8) nakładane są jedna na drugiej i są prostopadłe do ścieżek (6) sekcji pierwszej (1), ponadto sekcja trzecia (3) składa się z co najmniej dwóch identycznych, których ścieżki (9) nakładane są jedna na drugiej ułożone skośnie w stosunku do ścieżek (8) sekcji drugiej (2), korzystnie w przedziale od 70 do 90 stopni.

2. Konstrukcja według zastrz. 1, znamienna tym, że odległość pomiędzy wewnętrznymi ścieżkami (6) jest co najmniej dwukrotnie szersza od szerokości samej ścieżki (6).

3. Konstrukcja według zastrz. 1 i 2, znamienna tym, że ścieżki (6) są co najmniej dwukrotnie szersze od szerokości ścieżki referencyjnej dla modelu.

PL 226 599 B1

4. Konstrukcja według zastrz. 1, znamienna tym, że szerokość ścieżek (8) zawiera się w przedziale od 1 do 2 szerokości ścieżki referencyjnej.

5. Konstrukcja według zastrz. 1 i 4, znamienna tym, że odległość pomiędzy ścieżkami (8) zawiera się w przedziale od 1 do 3 szerokości ścieżki referencyjnej.

6. Konstrukcja według zastrz. 1, znamienna tym, że szerokość ścieżki (9) zawiera się w przedziale 0,5 do 1,5 szerokości ścieżki referencyjnej dla modelu.

7. Konstrukcja według zastrz. 1 i 6, znamienna tym, że odległość pomiędzy ścieżkami (9) jest zbliżona do szerokości generowanej ścieżki.

8. Konstrukcja według zastrz. 1, znamienna tym, że na platformę roboczą nakłada się sekcję pierwszą (1) na niej sekcję drugą (2) i kolejno sekcję trzecią (3) o mniejszym polu powierzchni od sekcji drugiej (2).