CZ20085A3

CZ20085A3 - Tool for making mock-ups, particularly for investment precision casting technologies

Info

Publication number: CZ20085A3
Application number: CZ20080005A
Authority: CZ
Inventors: Píša@Zdenek; Sedlák@Josef; Sedlácek@Jan; Zouhar@Jan
Original assignee: Vysoké ucení technické v Brne
Priority date: 2008-01-03
Filing date: 2008-01-03
Publication date: 2009-09-09
Also published as: CZ300900B6

Abstract

Nástroj k vytvárení prostorových modelu, zejména pro technologie presného lití na vytavitelný model, je tvorený dutým pláštem (1), uzpusobeným pro uchycení do vretene císlicove rízeného obrábecího stroje, kde ve vnitrní dutine (102) plášte (1) je umísten pracovní válec (3), který je vybavený pracovní tryskou (7) vyvedenou vne plášte (1) a který je spražen s pohonem (4), rízeným výstupním signálem z rídící jednotky (13) podávání stavebního materiálu (15). Do vnitrní dutiny (102) plášte (1) je jednak napojen horkovzdušný ohrívac (9) a jednak je pohon (4) upevnený vne plášte (1) na loži (5), které je suvne uloženo na lineárním vedení (6) situovaném soubežne s pístnicí (32) pracovního válce (3), pricemž pracovní tryska (7), jejíž povrch je predehrívatelný topidlem (8), je vyvedena dnem (104) plášte (1) ve smeru kolmém k podélné ose pracovního válce (3) a v oblasti vývodu pracovní trysky (7) z plášte (1) je dále vyústena pomocná horkovzdušná tryska (10), která je zaústena odborným potrubím (16) do proudu vzduchu vystupujícího z horkovzdušného ohrívace (9), a minimálne jeden pruduch (11). The tool for creating spatial models, in particular for investment wax casting technology, is formed by a hollow sheath (1) adapted to be inserted into a spindle of a digital guided machine where a working cylinder (3) is placed in the inner cavity (102) of the sheath (1) ), which is provided with a working nozzle (7) extending outside the housing (1) and which is coupled to the drive (4) controlled by the output signal from the building material supply control unit (13). On the one hand, a hot-air heater (9) is connected to the inner cavity (102) of the housing (1), and secondly, the drive (4) is mounted outside the housing (1) on the bed (5) which is slidably mounted on a linear guide (6) parallel to the with the piston rod (32) of the working cylinder (3), wherein the working nozzle (7), the surface of which is preheated by the heater (8), is led out through the bottom (104) of the housing (1) in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the working cylinder (3) and in the area The outlet of the working nozzle (7) from the housing (1) further leads to an auxiliary hot-air nozzle (10), which is led through a professional pipe (16) into a stream of air exiting the hot-air heater (9) and at least one vent (11).

Description

Nástroj k vytváření prostorových modelů, zejména pro technologie přesného lití na vytavitelný modelA tool for creating spatial models, especially for precision casting technologies

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká konstrukce nástroje k vytváření prostorových modelů, zejména pro technologie přesného lití na vytavitelný model, s využitím číslicově řízeného (CNC Computer Numerical Control) obráběcího stroje.The invention relates to the construction of a tool for creating spatial models, in particular for precision casting technology, using a CNC Computer Numerical Control machine tool.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době se pro vytváření matečních modelů pro technologie přesného lití využívá řady technologií rychlé výroby prostorových (3D) modelů, tzv. technologií Rapid Prototyping (RP), kdy je model vytvořen v konstrukčním grafickém programu, který je obslužným software stroje RP rozdělen na horizontální řezy konstantní tloušťky, které jsou pomocí specializovaného zařízení převedeny do fyzické podoby. Tyto metody vytvářejí tzv. mateční modely zejména pomocí měkkých forem a následně slouží k výrobě funkčních vzorků nebo přímo keramických forem.At present, a number of 3D modeling technologies, called Rapid Prototyping (RP) technology, are used to create parent models for precision casting technologies, where the model is created in a design graphics program that is divided into RP horizontal machine software cuts of constant thickness, which are converted into physical form by a specialized device. These methods create so-called mother models mainly using soft molds and then serve for the production of functional samples or directly ceramic molds.

Mezi často používané RP technologie patři stereolitografie (SL), u níž je nástroj pro tvorbu modelu tvořen laserovým paprskem působícím na hladinu fotopolymeru, kde dochází k částečnému vytvrzení modelu. Zařízení pro tuto technologii sestává z hermeticky uzavřené skříně a řídícího systému. Další metodou je tzv. Solid Ground Cutting (SGC), kde je nástrojem pro tvorbu modelu vysokovýkonná UV výbojka, z níž je UV záření promítáno na vrstvu fotopolymeru a vytvrzená vrstva je frézována na požadovanou tloušťku. Vlastní zařízení se skládá z hermeticky uzavřené skříně obsahující i obráběcí nástroj a z externě umístěného řídícího systému. Technologie označovaná Selective Laser Sintering (SLS) jako nástroj pro tvorbu modelu používá laserový paprsek, který působí naFrequently used RP technologies include stereolithography (SL), where the modeling tool consists of a laser beam acting on the photopolymer level, where the model is partially cured. The equipment for this technology consists of a hermetically sealed housing and a control system. Another method is the so-called Solid Ground Cutting (SGC), where the modeling tool is a high-performance UV lamp, from which UV radiation is projected onto the photopolymer layer and the cured layer is milled to the desired thickness. The device itself consists of a hermetically sealed enclosure containing a cutting tool and an externally placed control system. A technology called Selective Laser Sintering (SLS) as a modeling tool uses a laser beam that acts on the laser

- 2 vrstvu práškového materiálu. Pro spojení materiálu se využívá tepelného působení dopadajícího paprsku laseru. Technologie označovaná Laminated Object Manufacturing (LOM) opět používá laserový paprsek, který působí na folii a tepelným účinkem vyřezává profil vrstvy. Vyříznutá vrstva je pomocí zažehlovacího zařízení spojena s vrstvou předchozí. Laserový paprsek může být nahrazen nožem upnutým v CNC stroji, tak jak je například popisováno v řešení dle spisu TW 568811 B.- 2 layers of powder material. The thermal action of the incident laser beam is used to join the material. A technology called Laminated Object Manufacturing (LOM) again uses a laser beam that acts on the foil and cuts the profile of the layer by thermal action. The cut layer is connected to the previous layer by means of an ironing device. The laser beam can be replaced by a knife clamped in a CNC machine, as described, for example, in the solution of TW 568811 B.

Další modifikací RP technologií je tzv. Three Dimensional Printing (3DP), která vychází principielně z technologie SLS, ale laser je nahrazen tryskou vystřikující pojivo spojující práškový materiál. Příkladem využití této metody je řešení dle spisů DE 19853814 nebo WO 9534468. U metody Ballistic Particle Manufacturing (BPM) je v tiskové hlavě, tedy nástroji, využíván piezoelektrický systém, kdy roztavený materiál vystřelovaný z trysek je spojován s již vytvrzeným materiálem. U další známé metody Multiphase Jet Solidification (MJS) nástroj vytlačuje z vyhřívaného zásobníku směs kovového prášku a vosku při teplotě cca 200°C, jak je publikováno například ve stati „Fast, functional prototypes via multiphase jet solidation“ (Greulich M. et al., Rapid Prototyping Journal, 1995, vol. 1, page 20-25). Metoda Multi-Jet Modeling (MJM) používá tryskovou hlavu s mnoha tryskami, které vstřikují pojivo, například glukózu, pro spojení vrstvy vytvořené z práškového materiálu. Teplota materiálu i pojivá je přitom blízká teplotě okolí.Another modification of RP technology is the so-called Three Dimensional Printing (3DP), which is based in principle on SLS technology, but the laser is replaced by a nozzle spraying a binder connecting the powdered material. An example of the use of this method is the solution of DE 19853814 or WO 9534468. In the Ballistic Particle Manufacturing (BPM) method, a piezoelectric system is used in the print head, i.e. a tool, where molten material ejected from the nozzles is associated with the already cured material. In another known Multiphase Jet Solidification (MJS) method, the tool extrudes a mixture of metal powder and wax from a heated container at a temperature of about 200 ° C, as published, for example, in "Fast, functional prototypes via multiphase jet solidation" (Greulich M. et al. Rapid Prototyping Journal, 1995, vol. 1, page 20-25). The Multi-Jet Modeling (MJM) method uses a nozzle head with multiple nozzles that inject a binder, such as glucose, to join a layer made of powdered material. Both the temperature of the material and the binder are close to the ambient temperature.

Konečně je známa metoda Fused Deposition Modeling (FDM), která využívá nástroj ve formě tiskové hlavy, která je umístěna uvnitř vyhřívané komory, jejíž vnitřní pracovní teplota je cca 70°C. Přídavný materiál je do hlavy odvíjen z cívek umístěných mimo vyhřívaný prostor a je podáván pomoci krokových motorů, které jsou součástí tiskové hlavy. Krokové motory zajišťují rovněž podávání materiálu do trysky vyhřívané cca na 270°C. Celé zařízení je umístěno ve skříni, která není hermeticky uzavřena a jejím úkolem je zejména udržování konstantní pracovní teploty. Příklady užití této metody jsou uvedeny například ve spisech US 4749347, US 5121329, US 5340433, US 5503785 nebo US 5764521.Finally, the Fused Deposition Modeling (FDM) method is known which uses a tool in the form of a print head that is located inside a heated chamber having an internal working temperature of about 70 ° C. The filler material is unwound into the head from coils located outside the heated space and is fed by stepper motors that are part of the print head. Stepper motors also provide material feed to a nozzle heated to approximately 270 ° C. The whole device is housed in a casing which is not hermetically sealed and is mainly intended to maintain a constant operating temperature. Examples of the use of this method are given, for example, in US 4749347, US 5121329, US 5340433, US 5503785 or US 5764521.

Cílem předkládaného vynálezu je představit novou konstrukci nástroje k vytváření prostorových matečních modelů, která by vycházela z principu technologie pro metoduIt is an object of the present invention to introduce a new tool construction for generating spatial parent models based on the principle of technology for the method

-3FMD, byla konstrukčně poměrně jednoduchá, umožňovala upnutí do sklíčidla CNC stroje, přičemž by částečně využívala jeho pohonný a řídící systém a vykazovala absenci jakýchkoliv negativních vlivů působících na obsluhu stroje i životní prostředí a nevyžadovala umístění do tepelně izolované ani jiným způsobem ošetřené skříně.The -3FMD was relatively simple in design, allowing the chuck to be mounted on the CNC chuck while partially utilizing its drive and control system and exhibiting the absence of any adverse effects on machine operators and the environment, and did not require placement in a thermally insulated or otherwise treated cabinet.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Stanoveného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je nástroj k vytváření prostorových modelů, zejména pro technologie přesného lití na vytavitelný model, tvořený dutým pláštěm, uzpůsobeným pro uchycení do vřetene číslicově řízeného obráběcího stroje, kde ve vnitřní dutině pláště je umístěn pracovní válec, který je vybavený pracovní tryskou vyvedenou vně pláště a který je spřažen s pohonem a řízeným výstupním signálem z řídící jednotky podávání stavebního materiálu, jehož podstata spočívá v tom, že jednak je do vnitřní dutiny pláště napojen horkovzdušný ohřívač a jednak je pohon upevněný vně pláště na loži, které je suvně uloženo na lineárním vedeni situovaném souběžně s pístnicí pracovního válce, přičemž pracovní tryska, jejíž povrch je předehřívatelný topidlem, je vyvedena dnem pláště ve směru kolmém k podélné ose pracovního válce a v oblasti vývodu pracovní trysky z pláště je dále vyústěna pomocná horkovzdušná tryska, která je zaústěna odběrným potrubím do proudu vzduchu vystupujícího z horkovzdušného ohřívače, a minimálně jeden průduch.The object is achieved by the invention, which is a tool for creating spatial models, in particular for precision casting technology, consisting of a hollow shell, adapted to be mounted in a spindle of a numerically controlled machine tool, wherein a working cylinder equipped with working nozzle extending outside the housing and coupled to the drive and controlled output signal from the building material supply control unit, which is based on the fact that a hot air heater is connected to the inner cavity of the housing and secondly the drive is mounted outside the housing on the bed. slidably mounted on a linear guide situated parallel to the piston rod of the working cylinder, the working nozzle, the surface of which is preheatable by a heater, extending through the bottom of the housing in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the working cylinder and The auxiliary hot-air nozzle, which is connected to the air flow exiting the hot-air heater, and the at least one air vent, flows out of the housing.

Další podstatou vynálezu je, že pomocná horkovzdušná tryska je vyústěna ze dna pláště z pohledu směru pohybu nástroje před pracovní tryskou a průduchy jsou vytvořeny za pracovní tryskou.It is a further object of the invention that the auxiliary hot air nozzle extends from the bottom of the housing in terms of the direction of movement of the tool in front of the working nozzle and the vents are formed downstream of the working nozzle.

Konečně je podstatou vynálezu, že alespoň ve vnitřní dutině pláště, v čele pracovního válce a u vyústění pracovní trysky z pláště jsou umístěny termočlánky, které jsou napojeny, stejně jako ovládací modul pohonu, do řídící jednotky nástroje, která je propojena s ovládacím a řídícím blokem číslicově řízeného obráběcího stroje.Finally, it is the object of the invention that at least in the inner cavity of the housing, at the head of the working cylinder and at the mouth of the working nozzle from the housing are thermocouples which are connected as well as the drive control module to the tool control unit which is connected to the control and control block numerically controlled machine tool.

-4Novým vynálezem se dosahuje vyššího účinku v tom, že nepoužívá laserový paprsek, který vyžaduje zvýšenou bezpečnost při obsluze, ani práškové materiály, u nichž hrozí nebezpečí rozptýlení v pracovním prostoru s potenciální možností výbuchu, a proto je nutno s nimi pracovat v ochranné atmosféře inertních plynů. Vzhledem k poměrné nízkým pracovním teplotám není nutno využívat speciální opláštění stroje a tepelným a mechanickým působením na používaný materiál, tedy vosk, nevznikají emise, přičemž model tímto nástrojem vytvořený je plně recyklovatelný s možností opakovaného použití v nástroji.The new invention achieves a higher effect in that it does not use a laser beam that requires increased operator safety, nor powder materials that are at risk of being dispersed in a potentially explosive work area, and therefore must be operated under inert atmosphere. of gases. Due to the relatively low working temperatures, there is no need to use special machine cladding and no thermal and mechanical effects on the material used, ie wax, are generated, and the model created by this tool is fully recyclable and can be reused in the tool.

Popis obrázku na pnoojeném výkreseDescription of the drawing in the connected drawing

Konkrétní příklad provedení vynálezu je blokově znázorněno na připojeném výkrese zobrazujícím konstrukční schéma nástroje s naznačením napojení jednotlivých jeho funkčních dílů na měřící a řídící jednotky.A specific embodiment of the invention is illustrated in the attached drawing showing a constructional diagram of the tool showing the connection of its individual functional parts to the measuring and control units.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Nástroj je tvořen samonosným dutým pláštěm 1, vytvořeným s výhodou ve tvaru horizontálně situovaného hranolu, opatřeným odnímatelným víkem 101, k němuž je z vnější strany upevněn upínací kužel 2 sloužící k upnutí do neznázorněného vřetene CNC stroje, například frézky. Ve vnitřní dutině 102 pláště 1 je upevněn pracovní válec 3, jehož píst 31 je spřažen pomocí pístnice 32 s pohonem 4, tvořeným například krokovým elektromotorem. Pohon 4 je upevněn na loži 5, které je suvně vedeno lineárním vedením 6, tvořeným s výhodou dvěma tyčemi, situovaným souběžně s pístnicí 32 pracovního válce 3 a upevněným v přilehlé boční stěně 103 pláště 1. Čelo 33 pracovního válce 3 je napojeno pomocí podávaciho potrubí 34 na pracovní trysku 7, která je vyvedena dnem 104 pláště 1 ve směru kolmém k podélné ose pracovního válce 3, přičemž kolem povrchu pracovní trysky Z je v prostoru vnitřní dutiny 102 situováno topidlo 8, například odporové. Na druhou boční stěnu 103 pláště 1 protilehlou umístění pohonu 4 je uchycen horkovzdušný ohřívač 9 propojený s vnitřní dutinou 102 pláště 1. Do směru prouděníThe tool consists of a self-supporting hollow sheath 1, preferably formed in the form of a horizontally situated prism, provided with a removable cover 101, to which a clamping cone 2 is fastened from the outside for clamping into a CNC machine spindle (not shown). In the inner cavity 102 of the housing 1 is mounted a working cylinder 3, the piston 31 of which is coupled by means of a piston rod 32 with a drive 4, for example a stepping electric motor. The actuator 4 is mounted on a bed 5, which is guided by a linear guide 6, preferably formed by two rods, situated parallel to the piston rod 32 of the working cylinder 3 and fixed in the adjacent side wall 103 of the housing 1. 34 on the working nozzle 7, which is led out by the bottom 104 of the housing 1 in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the working cylinder 3, wherein a heater 8, for example resistive, is situated around the working nozzle surface Z. On the second side wall 103 of the housing 1 opposite the location of the drive 4 is mounted a hot air heater 9 communicating with the inner cavity 102 of the housing 1. In the flow direction

-5vzduchu z horkovzdušného ohřívače 9 je zaústěno odběrné potrubí 16 horkého vzduchu pro pomocnou horkovzdušnou trysku 10, která je vyústěna vně pláště 1 v oblasti dna 104, a to z pohledu pracovního pohybu nástroje v prostoru před pracovní tryskou 7. V prostoru za pracovní tryskou 7 je dno 104 opatřeno průduchy H- Konečně jsou pak ve vnitřní dutině 102 pláště 1, v čele 33 pracovního válce 3 a u vyústění pracovní trysky 7 z pláště 1 umístěny termočlánky 12, které jsou napojeny, stejně jako ovládací modul pohonu 4, do řídící jednotky 13, která je propojena s ovládacím a řídícím blokem 14 CNC stroje.In the air from the hot air heater 9 there is a hot air sampling line 16 for the auxiliary hot air nozzle 10 which extends outside the housing 1 in the region of the bottom 104, in view of the working movement of the tool in the space upstream of the working nozzle 7. The bottom 104 is provided with air vents. Finally, thermocouples 12 are placed in the inner cavity 102 of the housing 1, at the front 33 of the working cylinder 3 and at the mouth of the working nozzle 7 from the housing 1, which are connected to the control unit 13. , which is connected to the control and control block 14 of the CNC machine.

Při činnosti se nejdříve nástroj upne pomocí upínacího kužele 2 do vřetene CNC stroje, které se zaaretuje tak, aby nemohlo konat rotační pohyb. Do pracovního válce 3 se vloží stavební materiál 15, například vosk, a celá vnitřní dutina 102 pláště 1 se temperuje pomocí horkovzdušného ohřívače na teplotu odpovídající přechodu stavebního materiálu 15 z pevného skupenství na kapalné. Současně se temperuje pomocí topidla 8 pracovní tryska 7 na teplotu nepatrně vyšší, než je teplota vnitřní dutiny 102. Vyhřátý stavební materiál 15 je z pracovního válce 3 vytlačován pístem 31, který je poháněn pohybem lože 5 posouvaném po lineárním vedení 6. Stavební materiál 15 je po výstupu z pracovní trysky 7 kladen na již položené předchozí vrstvy, jejichž povrch je předehříván v prostoru před pracovní tryskou 7 horkým vzduchem vystupujícím z pomocné horkovzdušné trysky 10. Pomocí ohřátého vzduchu vystupujícího z průduchů 11 je v okolí místa kladení stavebního materiálu 15 vytvářena tzv. tepelná závora, která zabraňuje rychlému ochlazování prostorového modelu. Teploty v jednotlivých místech popsaných výše jsou během pracovního procesu měřeny termočlánky 12 napojenými na řídící jednotku 13 nástroje, z níž je řízen jak pohon £ tak i množství podávaného stavebního materiálu 15.During operation, the tool is first clamped by the clamping cone 2 into the spindle of the CNC machine, which is locked so that it cannot rotate. A building material 15, for example wax, is placed in the working cylinder 3, and the entire inner cavity 102 of the jacket 1 is tempered by a hot air heater to a temperature corresponding to the transition of the building material 15 from solid to liquid. At the same time, the working nozzle 7 is tempered by a heater 8 to a temperature slightly higher than the temperature of the internal cavity 102. The heated building material 15 is forced out of the working cylinder 3 by a piston 31 which is driven by the movement of the bed 5 moved along the linear guide 6. after the exit from the working nozzle 7 is laid on already laid previous layers, the surface of which is preheated in the space in front of the working nozzle 7 by hot air exiting the auxiliary hot air nozzle 10. By means of heated air exiting the vents 11. a thermal barrier that prevents rapid cooling of the spatial model. The temperatures at each of the locations described above are measured during operation by thermocouples 12 connected to a tool control unit 13 from which both the drive 6 and the amount of building material 15 is controlled.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Nástroj podle vynálezu je možno využít k vytváření prostorových modelů, zejména pro technologie přesného lítí na vytavitelný model, a to zejména ve spojení s využitím připojeni k CNC strojům.The tool according to the invention can be used to create spatial models, in particular for precision casting technologies on a fusible model, especially in connection with the use of a connection to CNC machines.

Claims

PATENT CLAIMS

A tool for forming spatial models, in particular for precision casting technology, comprising a hollow shell (1) adapted to be mounted in a spindle of a numerically controlled machine tool, wherein a working cylinder (1) is located in the inner cavity (102) of the shell (1). 3), which is equipped with a working nozzle (7) extending outside the housing (1) and which is coupled to a drive (4) controlled by an output signal of the building material supply unit (13), characterized in that a hot air heater (9) is connected to the cavity (102) of the housing (1) and the drive (4) is mounted outside the housing (1) on a bed (5) which is slidably supported on a linear guide (6) situated parallel to the piston rod (32) a working nozzle (7), the surface of which is preheated by a heater (8), is led out through the bottom (104) of the housing (1) in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the working cylinder (3) ) and in the area of the outlet of the working nozzle (7) from the jacket (1), there is also an auxiliary hot air nozzle (10), which is connected to the air flow from the hot air heater (9) and at least one vent (11). ).

Tool according to claim 1, characterized in that the auxiliary hot-air nozzle (10) extends from the bottom (104) of the housing (1) in front of the working nozzle (7) with respect to the direction of movement of the tool and (7).

Tool according to claims 1 and 2, characterized in that at least in the inner cavity (102) of the housing (1), in the face (33) of the working cylinder (3) and at the outlet of the working nozzle (7) from the housing (1) thermocouples (12) which are connected, as well as the drive control module (4), to a tool control unit (13) which is connected to the control and control module (14) of the numerically controlled machine tool.