PT109710B - Sistema de fabrico aditivo modular - Google Patents

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André Mateus De Marques Frutuoso Nuno
Francisco De Aragão Barros E Alvim Boto João
Martins De Matos Ventura Rodrigo
Alexandre De Oliveira Leite Marco
Filipe Galrão Dos Reis Luis
Alexandre Rodrigues Simões Soares Bruno
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Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM SISTEMA DE FABRICO ADITIVO QUE PERMITE AUMENTAR AS DIMENSÕES DE PEÇAS A PRODUZIR E/OU O VOLUME DE PRODUÇÃO SEM AUMENTAR PROPORCIONALMENTE O TEMPO DE FABRICAÇÃO, MANTENDO A PRECISÃO SUB-MILIMÉTRICA E QUALIDADE DE ACABAMENTO. O SISTEMA É COMPOSTO POR PELO MENOS UM MÓDULO SUPERIOR DE DEPOSIÇÃO (3), OU POR PELO MENOS UM MÓDULO INFERIOR DE DEPOSIÇÃO (4), OU PELA COMBINAÇÃO DESTES, SENDO AMBOS AMOVÍVEIS E INTERMUTÁVEIS, COMPLANARES ENTRE SI E CUJO CONTROLO É FEITO DE FORMA COORDENADA, E PELO MENOS UM MÓDULO DE PLATAFORMA (2) AMOVÍVEL E INTERMUTÁVEL E CUJO CONTROLO É FEITO DE FORMA COORDENADA. O CORPO RÍGIDO PRINCIPAL (1) É ESCALÁVEL. O NÚMERO DE MÓDULOS SUPERIORES DE DEPOSIÇÃO (3), O NÚMERO DE MÓDULOS INFERIORES DE DEPOSIÇÃO (4) E O NÚMERO DE MÓDULOS DE PLATAFORMA (2) PODE SER CONFIGURADO CONFORME AS NECESSIDADES DO UTILIZADOR.

Description

DESCRIÇÃO
Sistema de fabrico aditivo modular
Campo da invenção
A presente invenção insere-se no campo dos sistemas de fabrico aditivo e propõe uma solução eficiente para aumentar o volume de produção e/ou as dimensões de peças fabricadas, sem aumentar proporcionalmente o tempo de fabrico, e mantendo a precisão dimensional e a qualidade de acabamento.
Campo técnico em que a invenção se insere
A presente invenção insere-se no campo técnico dos sistemas de fabrico aditivo e propõe um sistema de fabrico aditivo modular, composto por pelo menos um módulo de plataforma (2), pelo menos um módulo de superior de deposição (3) , ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4), ou pela combinação de pelo menos um módulo superior de deposição (3) e pelo menos um módulo inferior de deposição (4), todos amovíveis e intermutáveis, apto para utilizar qualquer tecnologia de fabrico por deposição de material ao longo de uma trajetória.
Estado da técnica
Os sistemas de fabrico por adição de material ao longo de um caminho pré-definido são muito desejados na indústria pois permitem o fabrico de peças complexas, sem requerer moldes ou maquinagem. Estes sistemas de fabrico aditivo permitem fabricar peças, mesmo com geometrias complexas ou i
impossíveis de obter por outro processo de fabrico, graças ao fabrico por camadas.
Os sistemas de fabrico aditivo permitem a diversificação e personalização da produção pois não utilizam moldes, pelo contrário, fabricam de acordo com instruções de geração de camadas. Desta forma, os sistemas de fabrico aditivo permitem produzir, por exemplo, moldes para outros meios de fabrico por uma fração do custo do fabrico de moldes tradicional. Estes sistemas de fabrico permitem fabricar em materiais, como por exemplo, polímeros, plásticos, cerâmicas e ligas metálicas e atualmente são economicamente rentáveis para produção de exemplares únicos, pequenas e médias séries, conforme o caso.
Os sistemas de fabrico aditivo convencionais, para deposição de material ao longo de uma trajetória, utilizam uma cabeça de deposição, que pode conter um ou mais bocal de deposição. 0 diâmetro do bocal de deposição é uma das características que mais condiciona a definição e o rigor dimensional obtidos na peça fabricada.
Quanto menor for a abertura do bocal, maior a definição e melhor a qualidade do acabamento obtidas na superfície da peça.
No entanto, quanto menor for a abertura do bocal, menor o volume de material depositado, ou seja, maior o caminho de deposição para o fabrico da peça e por isso, maior será o tempo de fabrico da peça.
Assim, os sistemas de fabrico aditivo convencionais são eficientes para volumetrias limitadas e, pela mesma razão, são ineficientes no fabrico de peças de maiores dimensões pois o aumento do tamanho das peças, mantendo a qualidade de acabamento, traduz-se num aumento proporcional do tempo de produção.
Num sistema de fabrico aditivo convencional, a plataforma de impressão tem dimensões limitativas, maioritariamente quadrangulares e com poucas centenas de milímetros de comprimento, o que obriga os utilizadores a fabricarem as peças por partes e uni-las em pósprocessamento, quando estas não são possíveis de fabricar no volume de impressão disponível. Este pós-processamento aumenta o custo de fabrico e pode diminuir a precisão da peça final. Para além deste aspeto, estas uniões podem comprometer as características mecânicas e estéticas da peça.
É do interesse da indústria aumentar o volume de produção de peças por unidade de tempo, ou seja, reduzir o tempo despendido no fabrico de cada camada que compõe a peça. Este objetivo tem sido abordado em duas perspetivas diferentes:
1. Aumento do volume de material depositado pela cabeça de deposição.
2. Aumento do número de cabeças de deposição para fabrico em simultâneo.
No primeiro caso, a utilização de múltiplos bocais ou bocais de diâmetro variável em conjunto com técnicas de fatiamento adaptativo (adaptive slicing), nas quais se utiliza um bocal com menor abertura para os contornos e pormenores e um bocal com maior abertura para preenchimento do interior. Esta abordagem permite reduções do tempo de fabrico para peças maciças ou com paredes espessas, no entanto estas reduções estão limitadas pelo rácio entre os diâmetros do bocal mais largo e do mais fino.
No segundo caso, o Estado da Técnica apresenta dois tipos de soluções que diferem na aplicação:
a. 0 documento US2016067920A1 divulga a deposição simultânea de múltiplas peças iguais. Esta aplicação serve apenas para replicação simultânea da mesma peça. As cabeças estão posicionadas a distâncias fixas umas das outras durante toda a impressão, acopladas mecanicamente.
b. Deposição simultânea de múltiplas peças ou partes de peças diferentes. Esta aplicação permite que uma ou mais cabeças de deposição trabalhem de forma colaborativa e em simultâneo no fabrico de uma mesma peça, ou de várias peças iguais ou diferentes. As cabeças de deposição são independentes durante o seu movimento, em pelo menos dois eixos. Esta técnica é adequada ao fabrico de peças de grandes dimensões, ou seja, cujo envelope é excessivo para os sistemas de fabrico aditivo convencionais.
Os sistemas com múltiplas cabeças de deposição independentes podem, em teoria, reduzir consideravelmente o tempo de fabrico.
No âmbito desta aplicação foram apresentados estudos e patentes relevantes. Paul Wachsmuth propõe na sua tese de mestrado uma configuração mecânica para incorporar múltiplas cabeças de impressão numa máquina. Um par de carris na direção X é partilhado por múltiplos pórticos onde viajam as cabeças de impressão. Um ou mais pares de carris podem ser colocados lado a lado na direção Y. No entanto, para haver a sobreposição de áreas de fabrico entre carris adjacentes, Wachsmuth propõe o uso de braços, eventualmente telescópicos, que admite serem muito limitadores no sistema. 0 próprio autor admite que estas limitações implicam a utilização prática de apenas um a três pares de carris na direção Y.
Paul Wachsmuth apresenta ainda um método de geração de trajetórias de deposição baseado na divisão da peça em sub-regiões. Cada uma destas sub-regiões é construída por uma única cabeça. Embora este procedimento facilite a geração de trajetórias, do ponto de vista mecânico e estético, são criadas superfícies de interface entre as sub-regiões de menor resistência mecânica.
Outra solução é a patente US9011136B1, na qual é proposto uma máquina composta por uma plataforma e um par de carris partilhados. Estes pórticos são acoplados intercaladamente a cada um dos carris e o seu movimento pode ser independente ou mecanicamente sincronizado a outro pórtico no mesmo carril. A cabeça de impressão viaja neste pórtico. Este sistema é escalável na direção do comprimento, mas dado que existe apenas uma plataforma de impressão, a máquina é eficiente apenas para peças longas.
No entanto, é pouco eficiente no fabrico de outras peças ou de múltiplas peças de alturas diferentes que não sejam igualmente compridas.
Numa área industrial em expansão como é a do fabrico aditivo, as necessidades de rápida adaptação às exigências de produção requerem sistemas de fabrico flexíveis. Os sistemas convencionais são mecanicamente não reconfiguráveis, com volumes de impressão limitados e apenas um sistema de impressão. Diferentes tipos, tamanhos ou quantidades de produção podem requerer máquinas diferentes, o que requer investimentos avultados e exige uma taxa de ocupação das máquinas adequada.
Contudo, um sistema capaz de proporcionar estas vantagens ainda não existe.
A presente invenção tem, assim, por objeto, a apresentação de um sistema de fabrico aditivo modular que contorna as desvantagens do estado da técnica referidas anteriormente, em especial, a apresentação de um sistema que permite aumentar a dimensão das peças a produzir e/ou o volume de produção, sem aumentar proporcionalmente o tempo de fabrico, mantendo a precisão dimensional e a qualidade de acabamento.
Este objetivo é atingido através de um sistema caracterizado por compreender um corpo rígido principal e ainda um subsistema de deposição, que compreende um ou mais módulos de deposição, e um subsistema de suporte, que compreende um ou mais módulos de plataforma, e um subsistema de controlo dos subsistemas anteriores.
Surpreendentemente verificou-se que o sistema da presente invenção, sistema de fabrico aditivo modular permite o fabrico de peças de grandes dimensões ou de múltiplas peças de forma concorrente, ou não, o que faz com que o sistema possa ser utilizado em várias indústrias, onde a dimensão, o tempo de fabrico e a qualidade das peças obtidas por fabrico aditivo é importante.
Sumário da invenção
A presente invenção refere-se a um sistema de fabrico aditivo modular, caracterizado por compreender um corpo rígido principal (1) e ainda um subsistema de deposição, que compreende pelo menos um módulo superior de deposição (3), ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4), ou pela combinação destes, um subsistema de suporte, que compreende pelo menos um módulo de plataforma (2), fixo ao corpo rígido principal (1) através de uma estrutura (19), e um subsistema de controlo dos subsistemas anteriores que permite aumentar a dimensão das peças a produzir e/ou o volume de produção, sem aumentar proporcionalmente o tempo de fabrico, mantendo a precisão dimensional e a qualidade de acabamento.
sistema da presente invenção é amovível e intermutável, caracterizado por ser possível utilizar, de forma controlada e coordenada, pelo menos um módulo superior de deposição (3), ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4), ou pela combinação de pelo menos um módulo superior de deposição (3) e pelo menos um módulo de deposição (4) e pelo menos um módulo de plataforma (2) de forma concorrente, ou não.
Numa forma de realização da presente invenção, pelo menos um módulo superior de deposição (3), ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4), ou pela combinação de pelo menos um módulo superior de deposição (3) e pelo menos um módulo de deposição (4) fabricam, em simultâneo, coordenadamente e cooperativamente, uma peça de grandes dimensões; ou fabricam trabalhos diferentes em simultâneo; ou ambas as funções em simultâneo.
Cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) são mecanicamente independentes nas direções x e y. 0 seu processo de controlo garante o fabrico de toda a camada de uma peça evitando as colisões. 0 módulo superior de deposição (3) e o módulo inferior de deposição (4) são caracterizados por permitirem a sobreposição parcial das suas áreas de fabrico com as dos módulos adjacentes, em qualquer direção x e y.
sistema da presente invenção é escalável quanto ao número de módulos de plataforma (2), adaptando-se às necessidades de produção, sendo este número limitado pelas dimensões do corpo rígido principal (1). A Figura 9 demonstra a escalabilidade do sistema da presente invenção quanto ao número de módulos de plataforma (2).
Numa forma de realização, o sistema da presente invenção é também escalável quanto ao número de módulos superiores de deposição (3) e quanto ao número de módulos inferiores de deposição (4), adaptando-se às necessidades de produção, sendo a quantidade destes módulos limitada pelas dimensões do corpo rígido principal (1), limitado também pela distância mínima entre os módulos superiores de deposição (3) e limitado ainda pela distância mínima entre os módulos inferiores de deposição (4).
Cada módulo de plataforma (2) é mecanicamente independente dos restantes. 0 seu processo de controlo garante que o movimento na direção Z é o adequado ao fabrico da peça.
algoritmo utilizado na presente invenção inclui sucessivamente, para cada camada, as plataformas de deposição (6) necessárias ao fabrico da peça.
subsistema de controlo do subsistema de deposição e do subsistema de suporte é composto por um programa de computador que transforma cada camada, em que as peças a fabricar foram divididas, numa sequência de instruções de controlo e trajetórias de deposição.
As trajetórias de deposição de material são geradas de forma a evitar colisões entre os vários módulos de superiores de deposição (3) e módulos inferiores de deposição (4) durante todo o processo de fabrico.
Descrição das Figuras
A descrição das figuras é indicada com maior detalhe através dos exemplos seguintes, meramente ilustrativos, não sendo de caráter limitativo do âmbito da presente invenção.
A Figura 1 representa o sistema de fabrico aditivo, proposto na presente invenção, composto por um corpo rígido principal (1), onde estão incluídos os componentes de fixação (19) de cada módulo de plataforma (2) à estrutura do corpo rígido principal (1), um subsistema de deposição que compreende pelo menos um módulo superior de deposição (3), pelo menos um módulo inferior de deposição (4), e um subsistema de suporte que compreende pelo menos um módulo de plataforma (2).
A Figura 2 representa o corpo rígido principal (1) e par de carris superior (5) alinhado com o eixo y.
A Figura 3 representa o módulo superior de deposição (3) onde se observa o pórtico superior (10), o mecanismo de atuação inferior (12), a cabeça superior de deposição (13), o veio (15), o atuador superior (16), o carril inferior (17) e os bocais de deposição (18).
A Figura 4 representa o módulo inferior de deposição (4) onde se observa o pórtico inferior (11), o mecanismo de atuação inferior (12), a cabeça inferior de deposição (14), o veio (15), o atuador superior (16), o carril inferior (17) e os bocais de deposição (18).
A Figura 5 representa o módulo de plataforma (2) com a plataforma de deposição (6), as guias lineares (7) e o atuador vertical (8).
A Figura 6 representa a unidade motriz de topo responsável pelo movimento do mecanismo de atuação superior (9) .
A Figura 7 representa a distribuição de módulos superiores de deposição (3) ao longo de um par de carris superior (5), no interior do corpo rígido principal (1).
A Figura 7 demonstra a escalabilidade do sistema da presente invenção quanto ao número de módulos superior de deposição (3) ao longo de um par de carris superior (5), no interior do corpo rígido principal (1).
A Figura 8 representa a distribuição de pelo menos um módulo superior de deposição (3) e a distribuição de pelo menos um módulo inferior de deposição (4) ao longo de um par de carris superior (5) , no interior do corpo rígido principal. A Figura 8 demonstra a escalabilidade do sistema da presente invenção quanto ao número de módulos superiores de deposição (3) ao longo de um par de carris superior (5). A Figura 8 demonstra também a escalabilidade do sistema da presente invenção quanto ao número de módulos inferiores de deposição (4) ao longo de um par de carris superior (5) . Ά Figura 8 demonstra ainda a escalabilidade do sistema da presente invenção quanto ao número de conjuntos de módulos superiores de deposição (3) e ao número de conjuntos de módulos inferiores de deposição (4), ao longo de par de carris superior (5), no interior do corpo rígido principal (D ·
Ά Figura 9 representa a distribuição de pelo menos um módulo de plataforma (2) no interior do corpo rígido principal (1) atingindo o limite de número de módulos de plataforma (2) no interior do corpo rígido (1).
Ά figura 10 representa uma distribuição de pelo menos um módulo de plataforma (2) no interior do corpo rígido principal (1), para um número de módulos de plataforma (2) que não é o limite máximo de módulos de plataforma (2) no interior do corpo rígido principal (1).
Descrição Detalhada da Invenção
Ά presente invenção refere-se a um sistema de fabrico aditivo modular que permite aumentar as dimensões das peças a produzir e/ou o volume de produção, sem aumentar proporcionalmente o tempo de fabrico, mantendo a precisão dimensional e a qualidade de acabamento.
A presente invenção é composta por um corpo rígido principal (1), um subsistema de deposição que compreende pelo menos um módulo superior de deposição (3) , ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4), ou pela combinação destes, um subsistema de suporte que compreende pelo menos um módulo de plataforma (2) e ainda um subsistema que permite controlar os vários módulos: módulos superiores de deposição (3), os módulos inferiores de deposição (4) e os módulos de plataforma (2).
corpo rígido principal (1) suporta os restantes elementos do sistema, incluindo um par de carris superior (5) alinhados com o eixo y, onde se desloca o subsistema com o módulo superior de deposição (3) e o módulo inferior de deposição (4), e os componentes de fixação (19) para o subsistema de suporte do módulo de plataforma (2).
sistema de fabrico aditivo modular da presente invenção, tem um funcionamento baseado em 3 eixos (x, y e z) . 0 módulo superior de deposição (3) e o módulo inferior de deposição (4) têm um movimento segundo os eixos x e y de forma a depositar o material ao longo das trajetórias prédefinidas. 0 material depositado é suportado pelo módulo de plataforma (2), que assegura a progressão do fabrico, movimentando as respetivas plataformas de deposição (6) segundo o eixo z.
módulo superior de deposição (3) e o módulo inferior de deposição (4) são constituídos por quatro subconjuntos: um mecanismo de atuação superior (9); um mecanismo de atuação inferior (12); um pórtico superior (10), um pórtico inferior (11); uma cabeça superior de deposição (13) e uma cabeça inferior de deposição (14).
mecanismo de atuação superior (9) é responsável pela progressão do próprio módulo superior de deposição (3) e do módulo inferior de deposição (4) ao longo do par de carris superior (5) segundo o eixo y e inclui um veio (15) e um motor que aciona o veio (15).
módulo superior de deposição (3) difere do módulo inferior de deposição (4) na medida em que, apesar dos bocais de deposição (18) de ambos serem complanares, o carril inferior (17) está posicionado numa altura diferente, visto o primeiro ser constituído por um pórtico superior (10) e uma cabeça superior de deposição (13) enquanto o segundo é constituído por um pórtico inferior (11) e uma cabeça inferior de deposição (14).
pórtico superior (10) e o pórtico inferior (11) suportam a cabeça superior de deposição (13) e a cabeça inferior de deposição (14), respetivamente, que se movem sobre um carril inferior (17) segundo o eixo x.
O sistema da presente invenção é escalável quanto ao número de módulos de plataforma (2), adaptando-se às necessidades de produção, sendo este número limitado pelas dimensões do corpo rígido principal (1).
Numa forma de realização, o sistema da presente invenção é também escalável quanto ao número de módulos superiores de deposição (3) e quanto ao número de módulos inferiores de deposição (4), adaptando-se às necessidades de produção, sendo a quantidade destes módulos limitada pelas dimensões do corpo rígido principal (1), limitado também pela distância mínima entre os módulos superiores de deposição (3) e limitado ainda pela distância mínima entre os módulos inferiores de deposição (4).
Vários módulos superiores de deposição (3) e vários módulos inferiores de deposição (4) podem ser colocados segundo o eixo y, partilhando o mesmo par de carris superior (5) . Na direção do eixo x poderão ser colocados outros pares de carris superiores (5).
A cabeça superior de deposição (13) e a cabeça inferior de deposição (14) são complanares e movem-se independentemente nos eixos X e Y.
A designação eixos X e Y utilizada na presente invenção não implica que estes sejam necessariamente ortonormados.
Quando uma peça é fabricada por pelo menos um módulo superior de deposição (3), ou por pelo menos um módulo inferior de deposição (4), ou pela combinação de pelo menos um módulo superior de deposição (3) e pelo menos um módulo de deposição (4) simultaneamente, é importante que a zona de fronteira entre o material depositado por módulos diferentes tenha uma região onde exista intercalação de camadas depositadas. Existe interseção entre a área de impressão no eixo y e também no eixo x. No eixo y, porque que cada cabeça superior de deposição (13) partilha o mesmo par de carris superior (5) e porque cada cabeça inferior de deposição (14) partilha o mesmo par de carris superior (5), diferente do primeiro. No eixo x porque o comprimento do carril inferior (17) interseta com a área de deposição do carril adjacente.
Para tal, os pórticos superiores (10) e os pórticos inferiores (11) têm a forma de um T e o carril inferior (17), onde se move o módulo superior de deposição (3) e o módulo inferior de deposição (4), tem um comprimento maior do que a plataforma de deposição (6) sobre a qual está posicionado.
Com esta configuração apenas poderão existir colisões se, no momento em que o módulo superior de deposição (3) e o módulo inferior de deposição (4), adjacentes segundo o eixo x, ocupem a mesma coordenada do eixo y, a cabeça superior de deposição (13) esteja posicionada numa coordenada do eixo x, também ocupada pelo carril inferior (17) do módulo inferior de deposição adjacente (4).
O programa de computador é responsável por garantir que os trajetos das cabeças superiores de deposição (13) e das cabeças inferiores de deposição (14) são projetados de modo a que não exista nenhuma colisão durante o fabrico das peças.
O subsistema de módulos de plataforma é constituído por uma plataforma de deposição (6) com, pelo menos, uma guia linear (7) e um atuador vertical (8), posicionados na parte inferior da plataforma de deposição (6).
O controlo de cada módulo de plataforma (2) é totalmente independente do controlo dos restantes, permitindo que cada plataforma de deposição (6) seja alocada a um trabalho, apenas se necessário e apenas no momento em que seja necessário.
módulo superior de deposição (3), o módulo inferior de deposição (4) e o módulo de plataforma (2) são amovíveis e são intermutáveis, ou seja, é possível retirar ou introduzir o número desejado de módulos superiores de deposição (3) e os módulos inferiores de deposição (4) e módulos de plataforma (2), enquanto as dimensões do corpo rígido principal (1) o permitirem. Desta forma, é possível reconfigurar o sistema de acordo com as necessidades de fabrico, tendo em conta que, quanto maior for o número de módulos superiores de deposição (3) e de módulos inferiores de deposição (4) a fabricar uma peça simultaneamente, menor é o tempo de fabrico da referida peça.
subsistema de controlo compreende um computador utilizado no controlo de cada módulo de plataforma (2), de cada módulo superior de deposição (3) e de cada módulo inferior de deposição (4), de forma coordenada. 0 subsistema de controlo é utilizado na criação e no controlo de trajetórias de deposição de material de fabrico.
programa de computador controla pelo menos um módulo superior de deposição (3), pelo menos um módulo inferior de deposição (4), ou pela combinação destes e pelo menos um módulo de plataforma (2) de forma coordenada, de acordo com as características das peças a fabricar, das necessidades de produção e tecnologia de deposição utilizada.
Dada a independência mecânica do módulo de plataforma (2), a posição vertical da plataforma de deposição (6) é controlada individualmente em cada módulo e coordenada com os restantes módulos de plataforma (2), módulos superiores de deposição (3) e módulos inferiores de deposição (4).
Desta forma, pelo menos duas plataformas de deposição cessidades de fabrico de uma idade das plataformas de plataforma (2) alocados ao controla as características processo de deposição da independente para cada módulo destas características poderá específicos para a tecnologia (6) só são complanares se as n peça requererem a complana deposição (6) dos módulos de fabrico da mesma.
subsistema de controlo específicas, necessárias ao tecnologia utilizada de forma de plataforma (2) . 0 controlo requerer sensores e atuadores de deposição utilizada.
Um exemplo destas características é a temperatura da plataforma de deposição (6) utilizando a tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling). 0 fabrico de peças em múltiplas plataformas de deposição (6), utilizando diferentes materiais, pode requerer diferentes temperaturas, em diferentes plataformas de deposição (6), dos módulos de plataforma (2) alocados.
programa de computador define uma temperatura de trabalho de acordo com o material de deposição e controla a referida temperatura de trabalho em cada plataforma de deposição (6), independentemente da temperatura das outras plataformas de deposição (6).
programa de computador controla cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) de forma coordenada entre si e coordenada com os módulos de plataforma (2), de forma a não haver colisões entre os mesmos. Cada módulo superior de deposição (3) contém pelo menos uma cabeça superior de deposição (13) que é controlada de acordo com a tecnologia de deposição utilizada por cada cabeça superior de deposição. Cada módulo inferior de deposição (4) contém pelo menos uma cabeça inferior de deposição (14) que é controlada de acordo com a tecnologia de deposição utilizada por cada módulo inferior de deposição (4).
subsistema de controlo controla as caracteristicas especificas do processo de deposição da tecnologia utilizada forma independente para cada módulo superior de deposição (3) e para cada módulo inferior de deposição (4). Um exemplo destas caracteristicas é a temperatura das extrusoras na tecnologia FDM que pode ser diferente consoante o material de deposição utilizado.
controlo da posição, no plano XY, de cada módulo superior de deposição (3) e de cada módulo inferior de deposição (4) é realizado de acordo com as trajetórias de deposição e instruções geradas pelo programa de computador de controlo com o objetivo de fabricar a peça, peças ou parte de peças, depositando material ao longo dos caminhos evitando colisões entre um ou vários módulos superiores de deposição (3) e um ou vários módulos inferiores de deposição (4) .
subsistema de controlo é composto por um programa de computador que transforma cada camada, em que as peças a fabricar foram divididas, numa sequência de instruções de controlo e trajetórias de deposição de pelo menos um módulo de plataforma (2) e de pelo menos um módulo superior de deposição (3) ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4). As instruções de controlo e as trajectórias de deposição são geradas de forma a que não existam colisões entre os vários módulos.
método de geração de trajectórias e instruções de deposição, implementado em computador compreende os seguintes passos:
subsistema de controlo permite iniciar o fabrico de uma ou mais peças enquanto decorre o fabrico de outra ou outras peças, implementando método de geração de trajectórias e instruções de deposição de duas formas distintas:
1) Gera conjuntos de combinações de cenários de fabrico com posições e orientações diversas para as novas peças; divide de forma iterativa a área de cada camada de pelo menos uma peça pelo número de módulos superiores de deposição (3) e pelo número de módulos inferiores de deposição (4); estima o tempo de fabrico para cada peça; seleciona a combinação de cenário, posição e orientação com a menor estimativa de tempo de fabrico da peça; gera a sequência de trajetórias de deposição, em simultâneo, para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) alocado e obtém o menor tempo de fabrico de outra peça através dos módulos de plataforma (2), módulos superiores de deposição (3) e módulos inferiores de deposição (4) disponíveis.
2) Gera conjuntos de combinações de cenários de fabrico com posições e orientações diversas para as novas peças; divide de forma iterativa a área de cada camada de pelo menos uma peça pelo número de módulos superiores de deposição (3) e pelo número de módulos inferiores de deposição (4); estima o tempo de fabrico para cada peça; seleciona a combinação de cenário, posição e orientação com a menor estimativa de tempo de fabrico do conjunto das peças; gera a sequência de trajetórias de deposição, em simultâneo, para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) alocado e obtém o menor restante tempo de fabrico do conjunto das peças.
Nas situações em que pelo menos uma peça termina o fabrico e pelo menos uma peça continua em processo de fabrico, o subsistema de controlo permite realocar os módulos superiores de deposição (3) ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4), entretanto disponíveis, ao fabrico de pelo menos uma peça não concluída. 0 método de geração de trajectórias e instruções de deposição é implementado da seguinte forma: - Gera conjuntos de combinações de cenários de fabrico constituídos pela combinação de pelo menos um módulo superior de deposição (3), de pelo menos um módulo inferior de deposição (4), alocados ao fabrico de pelo menos uma peça, mantendo a posição e orientação das peças em processo de fabrico;
- Divide de forma iterativa a área de cada camada de pelo menos uma peça pelo número de módulos superiores de deposição (3) e pelo número de módulos inferiores de deposição (4);
- Estima o tempo de fabrico restante para cada peça;
- Seleciona a combinação de cenário de fabrico com a menor estimativa do restante tempo de fabrico; gera a sequência de trajetórias de deposição, em simultâneo, para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) alocado e obter o menor restante tempo de fabrico.
Outra particularidade do programa de computador da presente invenção, é a iniciação do fabrico de uma ou mais peças enquanto se está a fabricar outra ou outras peças. 0 método implementado em computador executa uma de duas opções para o fabrico conjunto das peças, a primeira aloca os recursos disponíveis ao fabrico de pelo menos uma peça, minimizando o tempo de fabrico das novas peças; a segunda aloca os recursos da máquina ao fabrico conjunto das novas peças e das peças já iniciadas, minimizando o tempo de fabrico restante para o conjunto de pelo menos duas peças.
Na primeira opção, o método implementado em computador é caracterizado por:
a) Gerar conjuntos de combinações de cenários de fabrico com posições e orientações diversas, constituídos pela combinação de pelo menos um módulo de plataforma (2) que esteja disponível, de pelo menos um módulo superior de deposição (3) que esteja disponível, de pelo menos um módulo inferior de deposição (4) que esteja disponível, alocados ao fabrico de pelo menos uma nova peça;
b) Dividir de forma iterativa a área de cada camada de pelo menos uma peça pelo número de módulos superiores de deposição (3) e de módulos inferiores de deposição (4) alocados;
c) Estimar o tempo de fabrico para cada peça (Tfabrico) dado pelo somatório do tempo de fabrico por camada em cada cenário gerado, através da interseção das áreas de deposição, calculadas de acordo com os caminhos de deposição necessários para preenchimento e contorno da camada, no qual o tempo de fabrico estimado para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) (TMi) é dado pelo somatório do tempo de deposição dos contornos (CMik) e preenchimento de cada camada (Pmíj') r no qual a estimativa do tempo de fabrico de cada camada (Tcp) é igual de deposição dos módulos à maior das estimativas do tempo de deposição;
Tmí k=l /, rMi j j=l
Tcp = Max(TMÍ, i = 0,...,N) p
Tfabrico Tcp p=l d) Selecionar a combinação de cenário, posição e orientação com a menor estimativa de tempo de fabrico da peça;
e) Gerar a sequência de trajetórias de deposição, em simultâneo, para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) alocado, iniciando o fabrico da peça com a deposição dos contornos, seguido do preenchimento, quando existente, no qual são geradas trajetórias de movimentação sem deposição para ligar zonas de deposição disjuntas, quando necessárias e ainda são gerados períodos de espera, quando necessários, restritos à não existência de colisões entre pelo menos um módulo de plataforma (2), pelo menos um módulo superior de deposição (3) e pelo menos um módulo inferior de deposição (4) durante o fabrico;
f) Otimizar o tempo real de fabrico da peça através da procura de múltiplas sequências de trajetórias.
Na segunda opção, o método implementado em computador é caracterizado por:
a) Gerar conjuntos de combinações de cenários de fabrico com posições e orientações diversas das novas peças, constituídos pela combinação de pelo menos um módulode plataforma (2), de pelo menos um módulo superiorde deposição (3) , de pelo menos um módulo inferiorde deposição (4), alocados ao fabrico de pelo menos duas peças;
b) Dividir de forma iterativa a área de cada camada de pelo menos uma peça pelo número de módulos superiores de deposição (3) e de módulos inferiores de deposição (4) alocados;
c) Estimar o tempo de fabrico para cada peça (Tfabrico) dado pelo somatório do tempo de fabrico por camada em cada cenário gerado, através da interseção das áreas de deposição, calculadas de acordo com os caminhos de deposição necessários para preenchimento e contorno da camada, no qual o tempo de fabrico estimado para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) (TMÍ) é dado pelo somatório do tempo de deposição dos contornos {CMik) e preenchimento de cada camada (Pmíj) , no qual a estimativa do tempo de fabrico de cada camada (Tcp) é igual à maior das estimativas do tempo de deposição dos módulos de deposição;
k=i j=i
Tcp = Max(TMÍ, i = 0,...,N) p Tfabrico ~ ' Tcp p=l
d) Selecionar a combinação de cenário, posição e orientação com a menor estimativa de tempo de fabrico restante de pelo menos duas peças;
e) Gerar a sequência de trajetórias de deposição, em simultâneo, para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) alocado, iniciando o fabrico da camada de cada peça com a deposição dos contornos, seguido do preenchimento, quando existente, no qual são geradas trajetórias de movimentação sem deposição para ligar zonas de deposição disjuntas, quando necessárias e ainda são gerados períodos de espera, quando necessários, restritos à não existência de colisões entre pelo menos um módulo de plataforma (2), pelo menos um módulo superior de deposição (3) e pelo menos um módulo inferior de deposição (4) durante o fabrico;
f) Otimizar o tempo real de fabrico restante de pelo menos duas peças através da procura de múltiplas sequências de traj etórias.
Outra particularidade do programa de computador da presente invenção, é, aquando da conclusão do fabrico de pelo menos uma peça, permitir a realocação de pelo menos um módulo superior de deposição (3) ou de pelo menos um módulo inferior de deposição (4) ao fabrico de pelo menos uma peça em processo de fabrico, minimizando o tempo de fabrico restante. 0 método implementado em computador executa uma de duas opções para o fabrico conjunto das peças, a primeira aloca os recursos disponíveis ao fabrico de pelo menos uma peça, minimizando o tempo de fabrico das novas peças, o método implementado em computador é caracterizado por: a) Gerar conjuntos de combinações de cenários de fabrico constituídos pela combinação de pelo menos um módulo de plataforma (2) que esteja disponível, de pelo menos um módulo superior de deposição (3) que esteja disponível, de pelo menos um módulo inferior de deposição (4) que esteja disponível, alocados ao fabrico de pelo menos uma peça; b) Dividir de forma iterativa a área de cada camada de pelo menos uma peça pelo número de módulos superiores de deposição (3) e de módulos inferiores de deposição (4) alocados;
c) Estimar o tempo de fabrico para cada peça (Tfabrico) dado pelo somatório do tempo de fabrico por camada em cada cenário gerado, através da interseção das áreas de deposição, calculadas de acordo com os caminhos de deposição necessários para preenchimento e contorno da camada, no qual o tempo de fabrico estimado para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) (TMÍ) é dado pelo somatório do tempo de deposição dos contornos (CMífe) e preenchimento de cada camada (Pmíj) , no qual a estimativa do tempo de fabrico de cada camada (Tcp) é igual à maior das estimativas do tempo de deposição dos módulos de deposição;
k=i j=i
Tcp = Max(TMi,i = Ο,.,.,Ν) p Tfabrico ~ ' Tcp p=l
d) Selecionar a combinação de cenário com a menor estimativa de tempo de fabrico restante de pelo menos uma peça;
e) Gerar a sequência de trajetórias de deposição, em simultâneo, para cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) alocado, iniciando o fabrico da camada da peça com a deposição dos contornos, seguido do preenchimento, quando existente, no qual são geradas trajetórias de movimentação sem deposição para ligar zonas de deposição disjuntas, quando necessárias e ainda são gerados períodos de espera, quando necessários, restritos à não existência de colisões entre pelo menos um módulo de plataforma (2), pelo menos um módulo superior de deposição (3) e pelo menos um módulo inferior de deposição (4) durante o fabrico;
f) Otimizar o tempo real de fabrico restante da peça através da procura de múltiplas sequências de trajetórias.
sistema de fabrico aditivo proposto na presente invenção, permite o fabrico de peças de maiores dimensões sem aumentar, na mesma proporção, o seu tempo de fabrico. Seja T o tempo de fabrico de uma determinada peça utilizando um sistema convencional, o tempo de fabrico conseguido pelo presente sistema de fabrico aditivo, utilizando n módulos superiores de deposição (3) e módulos inferiores de deposição (4), é T/n com o acréscimo do tempo adicional derivado de trajetórias mais longas para evitar colisões entre as cabeças superiores de deposição (13) e cabeças inferiores de deposição (14).
Nos casos em que as peças a fabricar têm uma geometria com pelo menos uma zona suspensa, que requer a deposição de material de suporte, a presente invenção permite que pelo menos um módulo de plataforma (2) se posicione à altura zona suspensa, através do início do movimento num instante de tempo diferente em relação ao módulo de plataforma (2) onde está depositado o material que não corresponde a zona suspensa, reduzindo a quantidade de material de suporte utilizado para o fabrico destas peças.
facto de existirem pelo menos dois módulos de plataforma (2), pelo menos dois módulos superiores de deposição (3) e pelo menos dois módulos inferiores de deposição (4) mecanicamente independentes entre si permite ainda, em alguns casos, que durante o fabrico de uma peça, desde que exista pelo menos um módulo de plataforma (2) e pelo menos um módulo superior de deposição (3) ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4) livres, se inicie um novo processo de deposição, sem interromper o primeiro processo, nem esperar que este termine.
facto de, cada módulo de plataforma (2), cada módulo superior de deposição (3) e cada módulo inferior de deposição (4) serem amovíveis e intermutáveis permite que a distribuição dos referidos módulos seja adequada à geometria de cada peça.
Sabendo quais as dimensões máximas das peças que se pretende fabricar, para o caso de um corpo rígido principal (1), tanto o número de módulos superiores de deposição (3) e o número de módulos inferiores de deposição (4), como o número de módulos de plataforma (2) é variável, sendo possível dispô-los no interior do corpo rígido principal (1) tendo em conta a configuração mais adequada para o fabrico da peça.
facto de cada módulo de plataforma (2), de cada módulo superior de deposição (3) e de cada um módulo inferior de deposição (4) serem livres, tem a vantagem de poderem ser utilizados noutros sistemas semelhantes.
sistema de fabrico aditivo, proposto na presente invenção, permite o fabrico de múltiplas peças de menores dimensões de forma concorrente, ou não, visto que os módulos de plataforma (2), os módulos superiores de deposição (3) e os módulos inferiores de deposição (4) não utilizados são controlados de forma a estarem disponíveis para o fabrico de novas peças, se existir espaço nas plataformas de deposição (6).
Numa forma de realização, o sistema de fabrico aditivo, proposto na presente invenção, permite também a utilização de diversas tecnologias de deposição de material de forma concorrente, ou não, sendo possível o controlo de cada módulo superior de deposição (3), de cada módulo inferior de deposição (4) e de cada módulo de plataforma (2) de forma independente.
Lisboa, 28 de outubro de 2016

Claims (1)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema de fabrico aditivo modular caracterizado por compreender um corpo rígido principal (1) e ainda:
    a) Um subsistema de deposição, composto por pelo menos um módulo superior de deposição (3) ou pelo menos um módulo inferior de deposição (4), ou pela combinação destes, montados em pelo menos um par de carris superior (5);
    b) Um subsistema de suporte, composto por pelo menos um módulo de plataforma (2), fixo ao corpo rígido principal (1) através de uma estrutura de fixação (19);
    c) Um subsistema de controlo do subsistema de deposição e do subsistema de suporte;
    em que, o módulo superior de deposição (3) compreende um mecanismo de atuação superior (9) acoplado a um pórtico superior (10), que por sua vez está acoplado ao carril inferior (17), que suporta o mecanismo de atuação inferior (12) e onde se movimenta a cabeça superior de deposição (13), que compreende pelo menos um bocal de deposição (18); e em que o módulo inferior de deposição (4) compreende um mecanismo de atuação superior (9) acoplado a um pórtico inferior (11), que por sua vez está acoplado ao carril inferior (17), que suporta o mecanismo de atuação inferior (12) e onde se movimenta a cabeça inferior de deposição (14), que compreende pelo menos um bocal de deposição (18).
    Lisboa, 7 de dezembro de 2021.
    i
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