IMPRESORA DE CONFORMADO TRIDIMENSIONAL.

Impresora de conformado tridimensional.

La invención proporciona una máquina (1) que comprende:

un cabezal (7) de extrusión de material fundido solidificable; una mesa (5) de trabajo sobre la que se conforma la pieza 3D por deposición de material; y medios mecánicos para mover dicho cabezal (7) y dicha mesa (5) relativamente entre sí en tres dimensiones según los ejes X, Y y Z.

La máquina (1) se caracteriza porque dichos medios mecánicos comprenden: un travesaño (3), dispuesto horizontalmente según el eje Y, incluyendo medios de actuación y guiado de eje Y para trasladar el cabezal según el eje Y; una primera (2) y una segunda (2') columnas, dispuestas verticalmente según el eje Z, incluyendo medios de actuación y guiado de eje Z para trasladar el travesaño según el eje Z; y una viga (4), dispuesta horizontalmente según el eje X, incluyendo medios de actuación y guiado de eje X para trasladar la mesa (5) según el eje X.

Impresora de conformado tridimensional.

OBJETO Y CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de las técnicas de fabricación de piezas en tres dimensiones (3D) .

La invención se refiere a técnicas de moldeo de prototipos y fabricación rápidos (RP&M, “Rapid Prototyping and Manufacturing”) . Más en particular, la invención se refiere a técnicas de fabricación por aportación de material (AM, “Additive Manufacturing”) .

La presente invención tiene por objeto proporcionar una máquina de conformado tridimensional por deposición de material fundido (FFF, “Fused Filament Fabrication”) .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Son conocidas diversas técnicas de conformado RP&M disponibles en el estado de la técnica. Las técnicas más comunes actualmente se basan en retirar material por mecanizado.

A diferencia de las técnicas de mecanizado, la técnica de fabricación AM se basa en la aportación de material para fabricar la pieza 3D. Las piezas se conforman por deposición de material generalmente capa a capa de abajo hacia arriba de la pieza, donde cada capa representa una sección transversal de la misma. El material de aportación es solidificable y normalmente fluido en el momento de la aportación del mismo para conformar la pieza. En el documento de patente US-6270335 puede encontrarse un resumen de las diversas técnicas disponibles de fabricación AM en el estado actual de la técnica.

Dentro de las técnicas de fabricación AM, la presente invención se refiere a una máquina para ser utilizada preferentemente, pero sin limitación, con la técnica FFF, que se basa en el conformado de piezas 3D por deposición de material fundido. En esta técnica, el material fundido se deposita por un cabezal sobre una mesa de trabajo siguiendo una trayectoria adecuada controlada por medios CAM. El material es suministrado al cabezal de manera automática desde donde, mediante un extrusor, se deposita convenientemente en estado fundido y en forma de filamento para conformar la pieza 3D. Normalmente, el material se alimenta al extrusor en forma de cable flexible en estado sólido almacenado por ejemplo en rollos. El extrusor calienta el material por encima de su temperatura de solidificación y deposita el mismo en estado fluido, de manera que solidifica rápidamente a una temperatura controlada. La tecnología empleada en esta técnica de fabricación es conocida tal como se enseña en US-5121329.

Se conocen multitud de materiales que pueden utilizarse como materiales de deposición en la técnica FFF, tales como termoplásticos, PLA, metales, aleaciones de metal, cera, parafina, vidrio. En particular, se encuentran adecuados termoplásticos tales como ABS, policarbonato, PCL, PPSF y metales o sus aleaciones tales como aluminio, cobre, oro, plomo, magnesio, acero y titanio. Asimismo, la técnica FFF también puede aplicarse a alimentos tales como chocolate. En general, puede emplearse cualquier material que ha temperatura ambiente es sólido y funden a menos de 500ºC, temperatura máxima aproximada a la que pueden calentarse los extrusores conocidos en la técnica.

Por otra parte, en las técnicas de RP&M convencionales, la pieza tridimensional es previamente dibujada y diseñada utilizando medios de diseño asistido por ordenador (CAD, “Computer-aided design”) . Una vez terminado el diseño de la pieza, la fabricación de la misma puede automatizarse mediante la utilización de medios de fabricación asistida por ordenador (CAM, “Computer-Aided Manufacturing” o también “Compute-Aided Machining”) . Los medios CAM pueden comprender medios de control numérico por ordenador (CNC, “Computer Numerically Controlled”) . La información de diseño de la pieza 3D obtenida por CAD es procesada y transferida a la máquina de conformado mediante CAM para la fabricación de la pieza 3D.

El tipo de máquina o impresora de conformado tridimensional FFF al que se refiere la presente invención comprende: Un cabezal de extrusión de material fundido solidificable, que incluye medios de extrusión del material; medios de alimentación del material al cabezal, por ejemplo desde un rollo de material; una mesa de trabajo del material; y medios mecánicos para mover dicho cabezal y dicha mesa relativamente entre sí en tres dimensiones según ejes X, Y y Z de un sistema de coordenadas rectangular fijo respecto a una base de impresora. La máquina de conformado comprende adicionalmente medios de control y procesamiento (de los medios de extrusión, de los medios mecánicos y de los medios de alimentación) . Estos medios de control y procesamiento se conectan electrónicamente a medios de computación de diseño de piezas, que incluyen medios CAD y CAM (por ejemplo el sistema de movimiento del cabezal puede estar controlado por CNC) , de manera que la impresora permite conformar piezas tridimensionales diseñadas por ordenador. Este tipo de impresora de conformado tridimensional tal como se describe anteriormente es conocido en el estado de la técnica por ejemplo a partir de US-5121329, cuya tecnología se incorpora en la presente invención.

En relación con las impresoras de conformado tridimensional FFF de este tipo conocidas en el estado de la técnica, es manifiesta la necesidad que existe actualmente de proporcionar una impresora que tenga una estructura simple, de fácil montaje y reducido coste, en oposición a la familia de impresoras de conformado tridimensional FFF divulgada en la patente citada US-5121329, comercializada por la compañía Stratasys con el nombre de uPrint. En este sentido, sería deseable disponer de una impresora de conformado de piezas 3D con la misma facilidad y simplicidad de uso que un ordenador o una impresora normal de escritorio. En particular sería útil para permitir al diseñador conformar modelos y prototipos de piezas pudiendo efectuar comprobaciones y cambios de forma rápida y eficiente mediante la observación directa de la pieza realizada por la impresora.

Ante este problema técnico, existen dos universidades en el mundo que separadamente están desarrollando sendos modelos de impresoras de conformado tridimensional FFF con el mismo objetivo. Por un lado, la Universidad de Bath (Reino Unido) desde 2005 viene desarrollando la familia de impresoras que se conocen con el nombre de RepRap. Por otro lado, la Universidad de Cornell (Estados Unidos) está desarrollando la familia de impresoras conocidas con el nombre de Fab@Home desde el año 2006. Sin embargo, aunque tanto las impresoras RepRap como las Fab@Home se han llagado a construir con éxito, estas máquinas siguen siendo muy complejas y con un gran número de piezas.

Por todo ello, la presente invención trata de proporcionar una impresora de conformado tridimensional FFF con una estructura simple, de fácil montaje y reducido coste, dando solución a la necesidad existente en el estado de la técnica y presentando mejoras respecto a las soluciones conocidas.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Con objeto de resolver el problema técnico señalado y lograr mejoras en las impresoras de conformado tridimensional, la invención propuesta proporciona las características y efectos técnicos que se describen a continuación.

La impresora de conformado tridimensional de la presente invención se concibe para su aplicación preferente a la técnica FFF tal como se ha descrito en el apartado anterior. La impresora de la invención se caracteriza porque los medios mecánicos para mover el cabezal de extrusión y la mesa de trabajo relativamente entre sí y según las tres ejes X, Y y Z comprenden: Un travesaño, dispuesto horizontalmente según el eje Y y provisto de medios de actuación y guiado de eje Y para trasladar el cabezal según el eje Y; Una primera y una segunda columnas, dispuestas verticalmente según el eje Z y provistas de medios de actuación y guiado de eje Z para trasladar el travesaño según el eje Z; y una viga, dispuesta horizontalmente según el eje X provista de medios de actuación y guiado de eje X para trasladar la mesa según el eje X. El sistema descrito se dispone de forma que la viga y las columnas se apoya de forma fija a la base.

Alternativamente, también se contempla que la impresora incluya más de un cabezal alimentados por distintos alimentadores de material, de forma que el conformado de la pieza 3D se lleve a cabo con el cabezal y material preseleccionado.

A los efectos de la presente memoria los conceptos de viga, travesaño y columna se refieren a elementos estructurales constituidos cada uno de ellos esencialmente por una sola pieza, lo que contribuye a reducir el número total de piezas de la impresora y simplificar su estructura....

1. Impresora (1) de conformado tridimensional, para fabricación de piezas por deposición de un material fundido solidificable en múltiples capas secuencialmente; la impresora (1) comprendiendo:

- un cabezal (7) de extrusión del material, incluyendo medios de extrusión del material;

- una mesa (5) de trabajo del material;

- medios mecánicos para mover dicho cabezal (7) y dicha mesa (5) relativamente entre sí en tres dimensiones según ejes X, Y y Z de un sistema de coordenadas rectangular fijo respecto a una base (6) de impresora;

- medios de alimentación de material al cabezal;

- medios de control y procesamiento de los medios de extrusión, de los medios mecánicos y de los medios de alimentación; dichos medios de control y procesamiento conectados electrónicamente a medios de computación de diseño de piezas, de manera que la impresora (1) permite conformar piezas tridimensionales diseñadas por ordenador;

la impresora (1) caracterizada porque los medios mecánicos comprenden:

- un travesaño (3) , dispuesto horizontalmente según el eje Y, teniendo medios de actuación y guiado de eje Y para trasladar el cabezal (7) según el eje Y;

- una primera y una segunda columnas (2, 2’) , dispuestas verticalmente según el eje Z, teniendo medios de actuación y guiado de eje Z para trasladar el travesaño (3) según el eje Z; y

-una viga (4) , dispuesta horizontalmente según el eje X, teniendo medios de actuación y guiado de eje X para trasladar la mesa (5) según el eje X.

2. Impresora (1) de conformado tridimensional, según la reivindicación 1, caracterizada porque la viga (4) , el travesaño (3) y las columnas (2, 2’) son perfiles.

3. Impresora (1) de conformado tridimensional, según la reivindicación 2, caracterizada porque la viga (4) , el travesaño (3) y las columnas (2, 2’) son perfiles en “U”; y los respectivos medios de actuación y guiado se disponen en el interior de los perfiles.

4. Impresora (1) de conformado tridimensional, según una de las reivindicaciones 1-3, caracterizada porque:

los medios de actuación y guiado de eje X comprenden un motor (12) de eje X para girar un husillo (17) de eje X; dicho husillo (17) estando acoplado a la mesa (5) con medios de transmisión de eje X para transmitir el movimiento de giro de dicho husillo (17) en un movimiento de traslación de la mesa (5) según el eje X;

los medios de actuación y guiado de eje Y comprenden un motor (13) de eje Y para girar un husillo (18) de eje Y; dicho husillo (18) estando acoplado al cabezal (7) con medios de transmisión de eje Y para transmitir el movimiento de giro de dicho husillo (18) en un movimiento de traslación del cabezal (7) según el eje Y; y

los medios de actuación y guiado de eje Z comprenden un primer motor (14) de eje Z para girar un primer husillo (19) de eje Z y un segundo motor (14’) de eje Z para girar un segundo husillo (19’) de eje Z; dichos primer y segundo husillos (19, 19’) de eje Z estando acoplados al travesaño (3) con medios de transmisión de eje Z para transmitir el movimiento de giro de dichos husillos (19, 19’) en un movimiento de translación del travesaño (3) según el eje Z.

5. Impresora (1) de conformado tridimensional, según la reivindicación 4, caracterizada porque los motores (12, 13, 14, 14’) son de tipo paso a paso.

6. Impresora (1) de conformado tridimensional, según una de las reivindicaciones 4-5, caracterizada porque los motores (14, 14’) de eje Z están sincronizados para permitir un correcto movimiento del travesaño (3) según el eje z.

7. Impresora (1) de conformado tridimensional, según la reivindicación 6, caracterizada porque los medios de actuación y guiado en los tres ejes comprenden adicionalmente:

- unos medios de fijación de los motores (12, 13, 14, 14’) a los respectivos perfiles, viga (4) , travesaño (3) y columnas (2, 2’) , y que comprenden respectivos soportes (15, 16, 16’) de motor; y

- unos medios de fijación y alineación de los husillos (17, 18, 19, 19’) a los respectivos perfiles, viga (4) , travesaño (3) y columnas (2, 2’) , y que comprenden al menos un elemento de fijación (20, 21, 22, 22’) que comprende a su vez un cojinete.

8. Impresora (1) de conformado tridimensional, según una de las reivindicaciones 4-7, caracterizada porque los medios de transmisión de eje X comprenden un elemento de transmisión de eje X acoplado de forma fija a la mesa (5) ; dicho elemento de transmisión teniendo un orificio pasante a través del que el husillo (17) de eje X se conecta de forma roscada; de manera que el giro del husillo (17) de eje X produce la traslación de la mesa (5) .

9. Impresora (1) de conformado tridimensional, según la reivindicación 8, caracterizada porque el acoplamiento del elemento de transmisión de eje X a la mesa (5) comprende un soporte (29) de mesa; el soporte (29) de mesa estando conectado de forma fija al elemento de transmisión de eje X.

10. Impresora (1) de conformado tridimensional, según una de las reivindicaciones 4-9, caracterizada porque los medios de transmisión de eje Y comprenden un elemento de transmisión (25) de eje Y acoplado de forma fija al cabezal (7) ; dicho elemento de transmisión (25) teniendo un orificio pasante a través del que el husillo (18) de eje Y se conecta de forma roscada; de manera que el giro del husillo (18) de eje Y produce la traslación del cabezal (7) .

11. Impresora (1) de conformado tridimensional, según las reivindicaciones 1 y 10, caracterizada porque los medios de extrusión comprenden un extrusor (10) de material y un soporte (11) de extrusor; y el soporte (11) de extrusor se conecta de forma fija al elemento de transmisión (25) de eje Y.

12. Impresora (1) de conformado tridimensional, según una de las reivindicaciones 4-11, caracterizada porque los medios de transmisión de eje Z comprenden:

-un primer elemento de transmisión (26) de eje Z acoplado de forma fija al travesaño (3) ; dicho primer elemento de transmisión (26) teniendo un orificio pasante a través del que el primer husillo (19) de eje Z se conecta de forma roscada; y

-un segundo elemento de transmisión (26’) de eje Z acoplado de forma fija al travesaño (3) ; dicho segundo elemento de transmisión (26’) teniendo un orificio pasante a través del que el segundo husillo (19’) de eje Z se conecta de forma roscada;

de manera que el giro del primer y segundo husillos (19, 19’) de eje Z produce la traslación del travesaño (3) .

13. Impresora (1) de conformado tridimensional, según una de las reivindicaciones 4-13, caracterizada porque los elementos de transmisión (26, 26’) de eje Z se conectan de forma fija al travesaño (3) .