WO1989011680A1 - Procede et dispositif de production de modeles de pieces industrielles par action de la lumiere - Google Patents

Procede et dispositif de production de modeles de pieces industrielles par action de la lumiere Download PDF

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WO1989011680A1
WO1989011680A1 PCT/FR1989/000239 FR8900239W WO8911680A1 WO 1989011680 A1 WO1989011680 A1 WO 1989011680A1 FR 8900239 W FR8900239 W FR 8900239W WO 8911680 A1 WO8911680 A1 WO 8911680A1
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phototransformation
radiation
irradiated
light
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PCT/FR1989/000239
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Jean-Claude Andre
Miguel Cabrera
Jean-Yvon Jezequel
Philippe Karrer
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs
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    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49013—Deposit layers, cured by scanning laser, stereo lithography SLA, prototyping

Definitions

  • the present invention relates to a process and a device for the production of industrial part models, by the action of light and in particular by phototransformation of a plastic material.
  • the subject of the present invention is a process and a device for producing models of industrial parts, using figures available from the computer output memories, directly for producing the models of parts without going through plans or involve digital machines such as milling machines, lathes, etc.
  • the processes and devices of this type are, as a general rule, on a photochemical polymerization induced by laser. The controlled movement of one o several laser beams concentrated at the same point allows the local polymerization of a polyfunctional monomer and, step by step, the production of the part.
  • French Patent 84 11241 of July 16, 1984 describes a device for producing models of industrial parts which comprises: a memory system containing information representative of the shape of the industrial part; an information processing circuit connected to the memory system and capable of deliver from this information, signals representative of the position of elements of the volume of the room whose meeting forms the entire volume of the room, which signals are delivered successively for a series of said elements ordered according to a first scan of the room ; a tank containing a monomer liquid; a generator of laser radiation connected to the outlet of the cir ⁇ cuit for treatment and capable of causing, by polymerization, the solidification of the monomer liquid under the action of said radiation; and control means, connected to the processing circuit, for directing the laser radiation, in response to said signals, successively towards portions of the monomer liquid of the tank according to a second scan identical to the first scan and starting from from the bottom of the tank to successively solidify said portions and form the model resting on the bottom of the tank.
  • the processing circuit has the function of dividing the volume of the room into a plurality of elementary volumes and of successively delivering signals representative of the position of these elementary volumes arranged according to a first scan of the volume of the room;
  • the monomer resin is in the state of viscous liquid in the tank;
  • It includes an electric pump, controlled by the treatment circuit, and whose input is connected to the reservoir, while it delivers " at its output a volume of viscous liquid equal to the elementary volume swept during scanning;
  • - It includes an injector connected to the outlet of the pump; - Means, connected to the treatment circuit, are provided for moving the injector over a horizontal plate following a second scan identical to the first scan and carried out from the plate;
  • the means for solidifying the injected viscous liquid which are constituted by a source of optical radiation and means for directing this radiation towards the plate form on the latter, successively elementary volumes of the model constituted by the solidified viscous liquid.
  • the method and the device for producing a model of industrial part which are the subject of French patent 85 09055 also filed on June 14, 1985, plans to use two liquids, a first liquid which is delivered through an injector, and a second liquid contained in a tank.
  • the first liquid can be constituted by a photochemical initiator capable of causing solidification by illumination, while the second liquid is a monomeric resin, the initiator possibly being diluted in monomeric resin.
  • the first liquid is constituted by a mixture of monomeric resin and initiator
  • the second liquid is a neutral medium such as a solvan immiscible with the monomeric resin and with the initiator, such as alcohols or mixtures of alcohols, diluted or not diluted with water, hydrocarbons or mixtures of hydrocarbons, the selection criterion being that the neutral medium must have absorption properties as low as possible of the radiation causing photochemical polymerization and disseminate this radiation as little as possible.
  • the liquid-contained in the tank can also contain neutral additives capable of modifying its density to make it substantially equal to that of the other liquid; such additives can be particles of silica, alumina, titanium oxide, latex or particles of polymers.
  • the device proposed in French Patent 86 02327 of February 20, 1986 differs from the previous ones in that:
  • the monomer or the oligomer - contained in the tank is associated with a thermal initiator as well as with neutral products, the thermal initiator being a chemical substance which decomposes under the action of the temperature to give free radicals which initiate the local polymerization or crosslinking reaction;
  • the generator is said to be an infrared thermal radiation generator; and control means, connected to the processing circuit, are provided for closing the light beam if necessary, changing the focusing distance of the exciting light and injecting material into the tank.
  • the apparatus described as having been designed by an American firm r 3D SYSTEMS INC, comprises a tank which contains the liquid photopolymer at the level of which is exposed a mobile platform which descends step by step during the operation .
  • the beam of a UV laser traces on the surface of the liquid successive sections of the object to be produced, thanks to a set of mirrors with electronic deflection, controlled by the database of the CAD system.
  • the software has previously sub- divided the virtual model of the object into a multitude of thin slices.
  • This type of process of manufacturing three-dimensional models which uses the principle of absorption monophotonic of the light by photoinitiators of polymerization or crosslinking, has the disadvantage of requiring the superposition of the monomers (or of the oligomers or their mixture on already polymerized parts; to obtain a good precision of the model, it is necessary to superimpose a considerable number of liquid or pasty layers of monomer, which can lead to fairly long production times, moreover, the material obtained after irradiation generally has a higher density than the initial material, which can lead to difficulties in setting implementation of the method with instabilities, deformations or constraints s all or part of the model.
  • the subject of the present invention is a method and a device for producing models of industrial parts by the action of light, which better meet the needs of the practice than known methods and device, in particular in that they eliminate the use of of a polymerizable material having a liquid or pasty initial state, and, consequently, reduce the duration of realization of the model, reduce the risks of increase in the density of the material after phototransformation, eliminate the risks of instabilities, and reduce the distortions tions or constraints that the model could undergo.
  • the present invention therefore provides a method of producing an industrial part model by photo transformation of an organic polymerizable or crosslinkable material, by monophotonic absorption of a light ray by polymerization or crosslinking photoinitiators, the photopolymerizable material.
  • or crosslinkable being a solid or plastic material having the form of a thin film and the method consisting in superimposing a plurality of layers of this solid or plastic film, characterized in that the solid or plastic thin film is chosen from materials capable of adhering both to a support and to themselves, by pressure or by heating, and to be made soluble or insoluble under the action of suitable radiation, the process further comprising separating-by dissolution the irradiated parts and the non-irradiated parts of the film.
  • the above-mentioned film is made insoluble by phototransformation and comprises the following essential components:
  • thermoplastic polymer which confers physicochemical properties, in particular adhesion, to the film
  • the film is made soluble by pho totransformation and comprises the essential components following before:
  • thermoplastic polymer which confers physicochemical properties, in particular of adhesion to the film
  • an insoluble polymer optionally copoly erized with the preceding polymer, which becomes soluble p interaction with the initiators - possibly dyes, adhesi promoters and plasticizers.
  • insoluble polymers which are made soluble by phototransformation are known in themselves and are described in particular in American Patent 3,201,239. According to another characteristic, the invention, in order to increase the speed of the process, phototransformation is not carried out than on the surface of the mold.
  • the separation by dissolution of the radiated and non-irradiated parts i is accelerated by an application of thermal or mechanical energy or by ultrasound.
  • the formulation of the phototransformable thin film is adjusted so that the shrinkage of the film after phototransformation is zero or very low. This makes it possible to eliminate the deformations or the stresses which the mold could undergo.
  • the radiation required to phototransformatio said film thin is infrared radiation.
  • the phototransformable film 3 is initially sandwiched between two protective layers of polymer, the lower protective layer is removed to superimpose the layer of phototransformable wire on another layer of the same film, adhesion is obtained by heating or pressure on the upper protective film, then removed before irradiation, the phototransformable film being placed first glued on a support and then on itself, and the light radiation selectively irradiating the film following straight lines.
  • the film can thus be superimposed and glued on itself by successively substantially flat layers, o wound on a cylindrical support.
  • the present invention also proposes a device for producing a model of an industrial part using the action of light, of the type comprising:
  • a memory system containing information representative of the shape of the industrial part to be modeled; - an information processing circuit connected to the memory system and capable of delivering from this information, signals representative of the positio of elements of the volume of said industrial part;
  • control means connected to the processing circuit, to direct the light radiation, as a function of the aforementioned signals, towards successive zones of a material to be treated by phototransformation to produce said model, characterized
  • the material to be treated by phototransformation is a thin film in the solid or plastic state
  • - in that it comprises a support suitable for receiving a plurality of superimposed layers of said thin film; - in that it also comprises a device, connected to the processing circuit, which performs the separation of the mate irradiated material and non-irradiated material, by dissolution.
  • this comprises, in addition, a mechanical system, connected to the processing circuit, which achieves the superimposition of the layers of film lide or phototransformable plastic and their bonding l to each other.
  • the device also includes an optomechanical system which shapes the light radiation and which deflects it on the film surface, so as to irradiate the elementary volumes which must train the model.
  • the or each light generator is designed to emit radiation capable of causing localized phototransformation of the thin solid or plastic wire, capable of affecting the properties of solubility or insolubility of the latter.
  • the dissolving separation device comprises a tank containing an appropriate solvent which realizes the dissolution of the irradiated or non-irradiated parts of the film.
  • the thin film forms in the device a roll comprising a plurality of film layers superimposed and glued to one another.
  • the aforesaid optomechanical device consists of a mirror which returns the light beam to 45 : and is moved by one or two motorized axes.
  • the aforementioned optomechanical device it is constituted by a vibrating or rotating mirror along an axis parallel to the axis of deflection of the radiation by said mirror.
  • a motorized axis compensates for the increase in diameter of the roll of thin film.
  • the light radiation used is advantageously laser radiation taken from the group:
  • - continuous UV lasers helium-cadmium or ionized argon lasers, in particular,
  • UV lasers nitrogen, excimer or YAG lasers tripled or quadrupled, in particular,
  • - continuous or pulsed visible lasers provided that in the formulation of the phototransformable film, photosensitizing products absorbing in the visible range, - continuous or pulsed infrared lasers associated with thermal initiators.
  • FIG. 1 schematically represents an embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows the phototransformable film sandwiched between two layers of polymer
  • FIG. 3 is a perspective view of part of the device illustrated in FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a first embodiment of part of the device illustrated in FIG. 1,
  • a memory system 1 is shown, arranged at the output of a computer not shown, which was used to determine by the C.A.O.method. the characteristics of a part such as a connecting rod.
  • a laser generator 2 is connected to the system output 1 through an information processing circuit 3 and emits radiation 4.
  • the phototransformable material is a solid or plastic film 5 partially wound around the support and primed on the support 8.
  • the film is of the type which becomes insoluble by phototransformation
  • monomers such as spiroorthoesters which polymerize by ring opening and which have very low shrinkage, or else a mixture of monomers of shrinkage res pectively positive and negative so as to cancel the algebraic summation of withdrawals. Due to the absence of withdrawal, no significant constraint can appear in the product model.
  • the film is of the type which is made soluble by phototransformation
  • chains of the Novolak type constituted by a metacresol-formaldehyde polymer
  • the initiator is preferably a diazonaphthoquinone.
  • this forms a complex with the preceding polymer.
  • the whole is sparingly soluble in basic solutions.
  • the diazo naphthoquinone is broken down, thus increasing the solubility of the material.
  • Other mechanisms are possible: for example by increasing the solubilization of a polymer by cleavage of the chains, which is possible with copolymers of methyl methacrylate and ethacrylic acid.
  • a motorized system 9 bis, connected to 3, makes it possible to unwind the film from the support 7 and to wrap it around the support 8.
  • the radiation 4 is shaped by a converging optical system 9, then is deflected by a second optical system 10 on a portion 11 of the film 5.
  • a motorized system 12, connected to the processing circuit 3, makes it possible to control the systems optics 9 and 10.
  • the device further comprises a mechanical system 13, controlled by a motorized system 14 connected to the processing circuit 3, which exerts pressure or heating on the film 5 in order to make it adhere to itself during the winding of the film around the support 8.
  • a tank 6 containing a suitable solvent makes it possible to separate the irradiated parts and the non-irradiated parts of the film.
  • FIG. 2 shows the photo-transformable film 5 sandwiched between two protective polymer layers 15 and 16.
  • Figure 3 is a perspective view which specifies the implementation of the method.
  • the protective films 15 and 16 are detached from the phototransformable film 5 and rolled up on supports 17 and 18. This process is controlled by the motorized system 9bis.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment which consists in using a vibrating or rotating mirror 23 to scan the generator AB, as well as a mechanical system 24 and possibly an optomechanical system 25, to maintain the convergence of the beam.
  • the device according to the present invention described in FIGS. 1 to 4 works in the following way: the phototransformable film 5 sandwiched between two protective films 15 and 16 is wound around the port 7, the phototransformable film is primed on the port 8, the protective films are wound on the ports 17 and 18.
  • the memory system 1 advantageously available at the output of a computer, communicates processing circuit 3, the characteristics of the model to be created. This is then broken down into elementary volumes.
  • the processing circuit 3 controls the torized system 9bis which wraps the protective film 16 around the support 18, the protective film 15 around the support 17 the film 5 around the support 8.
  • the mechanical system 13 makes it possible to make adhere film 5 to itself following a CD generator.
  • the motorized system 14, connected to the processing circuit 3, makes it possible to compensate for the increase in the radius of the film cylinder 5 e rolled around the support 8.
  • the laser radiation 4, emitted by the generate 2 is shaped by the converging optical system then is deflected by an optomechanical system so as to selectively irradiate an AB generator.
  • This optomechanical system can be constituted by a mirror 19 returning the beam at 90 ° and which is moved by one or two motorized axes 21 and 22 (cf. FIG. 4).
  • the optomechanical system consists of a vibrating or rotating mirror 2 along an axis parallel to Ox.
  • the motorized axis 24 possibly allows to compensate for the increase in the radius of the cylinder constituted by the photopolymer and the opto-mechanical system 25 makes it possible to maintain the convergence of the beam when this describes the generator AB.

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Abstract

Procédé et dispositif de production d'un modèle de pièce industrielle par phototransformation d'un matériau organique polymérisable ou réticulable mis en oeuvre sous la forme d'au moins un film mince. Dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Application à la détermination de la forme d'une pièce par CAO.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PRODUCTION DE MODELES DE PIECE
INDUSTRIELLES PAR ACTION DE LA LUMIERE
La présente invention est relative à un procé et un dispositif pour la production de modèles de pièc industrielles, par action de la lumière et notamment p phototransformation d'une matière plastique.
Il est souhaitable de pouvoir disposer quelques modèles d'une pièce industrielle, telle, nota ment, qu'une pièce mécanique, avant d'en lancer la fabric tion en série. Actuellement, pour réaliser des modèles telles pièces, il est nécessaire de faire tout d'abord e fectuer des plans cotés au bureau d'études à partir de do nées chiffrées qui définissent la forme de la pièce et q sont fournies, depuis quelques années, par un ordinate utilisé pour déterminer la forme de la pièce par la métho de "conception assistée par ordinateur" (CAO).
La présente invention a pour objet un procé et un dispositif de production de modèles de pièces indu trielles, utilisant des données chiffrées disponibles da les mémoires de sortie de l'ordinateur, directement po réaliser les modèles de pièces sans passer p l'intermédiaire de plans ou faire intervenir des machin numériques telles que fraiseuses, tours, etc.. Les procédés et dispositifs de ce type rep sent, en règle générale, sur une polymérisation photochi mique induite par laser. Le déplacement asservi d'un o plusieurs faisceaux laser concentrés en un même point per met la polymérisation locale d'un monomère polyfonctionne et, de proche en proche, la réalisation de la pièce.
En particulier le Brevet français 84 11241 d 16 Juillet 1984 décrit un dispositif de réalisation de mo dèles de pièces industrielles qui comprend : un système d mémoires contenant des informations représentatives de l forme de la pièce industrielle ; un circuit de traitemen de l'information relié au système de mémoires et capable d délivrer à partir de ces informations, des signaux repré¬ sentatifs de la position d'éléments du volume de la pièce dont la réunion forme la totalité du volume de la pièce, lesquels signaux sont délivrés successivement pour une suite desdits éléments ordonnés suivant un premier balayage de la pièce ; une cuve contenant un liquide monomère ; un générateur d'un rayonnement laser relié à la sortie du cir¬ cuit de traitement et apte à provoquer par polymérisation, la solidification du liquide monomère sous l'action dudit rayonnement ; et des moyens de commande, reliés au circuit de traitement, pour diriger le rayonnement laser, en ré¬ ponse auxdits signaux, successivement vers des portions du liquide monomère de la cuve suivant un deuxième balayage identique au premier balayage et s'eff ctuant à partir du fond de la cuve pour solidifier successivement lesdites portions et former le modèle reposant sur le fond de la cuve.
Le dispositif proposé dans le Brevet fran¬ çais 85 09054 du 14 Juin 1985 se distingue du précédent en ce que :
- le circuit de traitement a pour fonction de diviser le volume de la pièce en une pluralité de volumes élémentaires et de délivrer successivement des signaux représentatifs de la position de ces volumes élémentaires rangés suivant un premier balayage du volume de la pièce ;
- la résine monomère est à l'état de liquide visqueux dans le réservoir ;
- il comporte une pompe électrique, commandée par le circuit de traitement, et dont 1'entrée est reliée au réservoir, tandis qu'elle délivre "à sa sortie un volume de liquide visqueux égal au volume élémentaire balayé a cours du balayage ;
- il comporte un injecteur relié à la sortie de la pompe ; - des moyens, reliés au circuit de traitement, sont prévus pour le déplacement de l'injecteur au-dessus d'une plaque horizontale suivant un deuxième balayage ide tique au premier balayage et s'effectuant à partir de l plaque ;
- les moyens de solidification du liquide visqueux injecté qui sont constitués par une source de rayonnement optiqu et des moyens pour diriger ce rayonnement vers la plaque forment sur cette dernière, successivement des volumes élé mentaires du modèle constitué par le liquide visqueux soli difié. Le procédé et le dispositif de réalisation d'u modèle de pièce industrielle qui font l'objet du breve français 85 09055 également déposé le 14 juin 1985, prévoi d'utiliser deux liquides, un premier liquide qui est débit à travers un injecteur, et un deuxième liquide contenu dan une cuve.
Le premier liquide peut être constitué par u amorceur photochimique apte à provoquer la solidificatio par illumination, alors que le deuxième liquide est une ré sine monomère, 1'amorceur pouvant éventuellement être dilu dans de la résine monomère.
En variante, le premier liquide est constitu par un mélange de résine monomère et d'amorceur, tandis qu le deuxième liquide est un milieu neutre tel qu'un solvan non miscible à la résine monomère et à l'amorceur, tel qu des alcools ou des mélanges d'alcools, dilués ou non dan l'eau, des hydrocarbures ou des mélanges d'hydrocarbures, le critère de choix étant que le milieu neutre doit présen ter des propriétés d'absorption aussi faible que possibl des rayonnements provoquant la polymérisation photochimiqu et ne diffuser qu'aussi peu que possible ces rayonnements. Le liquide-contenu dans le réservoir peut en outre conteni des additifs neutres propres à modifier sa densité pour l rendre sensiblement égale à celle de l'autre liquide ; d tels additifs peuvent être des particules de silice, d'alumine, d'oxyde de titane, de latex ou des particules de polymères. Le dispositif proposé dans le Brevet fran¬ çais 86 02327 du 20 février 1986 se distingue des précé¬ dents en ce que :
- l monomère ou l'oligomère - contenu dans la cuve est associé à un amorceur thermique ainsi qu'à des produits neutres, l'amorceur thermique étant une substance chimique qui se décompose sous 1'action de la températur pour donner des radicaux libres qui amorcent la réactio locale de polymérisation ou de réticulation ; le générateur est dit être un générateur de rayonnement thermique infra¬ rouge ; et des moyens de commande, reliés au circuit de traitement, sont prévus pour obturer le faisceau lumineux en cas de besoin, changer la distance de focalisation de la lumière excitatrice et injecter du matériau dans la cuve. II est, par ailleurs, connu de réaliser de tels modèles en utilisant un milieu sensible à 1'intersection de deux rayonnements (mais insensible à chacun des deux rayon¬ nements séparément), dont les générateurs sont guidés par ordinateur de telle sorte que 1'intersection balaye le vo- lu e à modéliser, pour obtenir une polymérisation conforme au modèle (SPIE, vol. 458 "Applications of lasers to Indus- trial Chemistry" (1984) pages 90-97).
Il a également été proposé de réaliser directe¬ ment en matière plastique par commande numérique, une pièce prototype conçue avec un écran graphique de CAO, par "sté- réolithographie", en utilisant les propriétés de certains gels plastiques, les photopolymères, qui durcissent et se solidifient au contact des rayons ultra-violets. L'appareil, décrit comme ayant été conçu par une firme amé- ricainer 3D SYSTEMS INC, comprend une cuve qui contient le photopolymère liquide au niveau duquel affleure une plate¬ forme mobile qui descend pas-à-pas au cours de l'opération. Le faisceau d'un laser UV trace à la surface du liquide des coupes successives de l'objet à produire, grâce à un jeu de miroirs à déflexion électronique, piloté par la base de données du système de CAO. Le logiciel a préalablement sub- divisé le modèle virtuel de l'objet en une multitude tranches de faible épaisseur. Au fur et à mesure de la s lidification de chaque tranche, le modèle "sculpté" plon lentement dans la cuve : avec un laser de lOm , ce systè permettrait de créer une pièce de 30 mm de haut en 50 m nutes, avec une précision de l'ordre du l/100ème de mm. modèle obtenu, dont la surface serait lisse, pourrait êt créé en toutes sortes de matériaux (plastiques), en u grande variété de couleurs, avec différentes duretés toute une gamme de résistances à l'abrasion. (SCIENCE TECHNOLOGIE N° 2, Février 1988 ; INDUSTRIAL LASER REVIE Vol.2, N" 8, Janvier 1988, pages 11-13). Ce type de procé de fabrication de modèles en trois dimensions, qui utili le principe de l'absorption monophotonique de la lumiè par des photoamorceurs de polymérisation ou de réticul tion, présente l'inconvénient de nécessiter la superpos tion des monomères (ou des oligomères ou leurs mélange sur des parties déjà polymérisées; pour obtenir une bon précision du modèle, il faut superposer un nombre consid rable de couches liquides ou pâteuses de monomère, ce q peut conduire à des temps de réalisation assez longs. plus, le matériau obtenu après irradiation a, en généra une densité supérieure au matériau initial, ce qui pe conduire à des difficultés de mise en oeuvre du procédé à des instabilités, des déformations ou des contraintes s tout ou partie du modèle.
La présente invention a pour objet un procéd et un dispositif de production de modèles de pièces indus trielles par action de la lumière, qui répondent mieux au nécessités de la pratique que les procédés et dispositif connus, notamment en ce qu'ils éliminent l'utilisatio d'un matériau polymerisable présentant un état initial li quide ou pâteux, et, par suite, réduisent la durée de réa lisation du modèle, diminuent les risques d'augmentation d la densité du matériau après phototransformation, élimi nent les risques d'instabilités, et diminuent les déforma tions ou les contraintes que pourrait subir le modèle.
La présente invention propose donc un procéd de production d'un modèle de pièce industrielle par photo transformation d'un matériau organique polymerisable ou ré ticulable, par absorption monophotonique d'un rayonnemen lumineux par des photoamorceurs de polymérisation ou de ré ticulation, le matériau photopolymérisable ou réticulabl étant un matériau à l'état solide ou plastique ayant l forme d'un film mince et le procédé consistant à superpose une pluralité de couches de ce film solide ou plastique, caractérisé en ce que le film mince solide ou plastique es choisi parmi les matériaux aptes à adhérer tant sur un sup port que sur eux-mêmes, par pression ou par échauffement, et à être rendus solubles ou insolubles sous l'action d'u rayonnement adapté, le procédé consistant en outre à sépa rer -par dissolution les parties irradiées et les partie non irradiées du film.
Conformément à l'invention, le film précité es rendu insoluble par phototransformation et comprend le composants essentiels suivants :
- des amorceurs photochimiques de polymérisation ou d réticulation par voie radicalaire ou par voie anioniqu ou cationique,
- un monomère polyfonctionnel apte à former un réseau réticulé propre à rendre le mélange insoluble
- un polymère thermoplastique soluble qui confère se propriétés physico-chimiques, en particulier d'adhésion, au film
- éventuellement des colorants, des promoteurs et de plastifiants
- éventuellement un monomère monofonctionnel pouvant donne lieu à un plus haut polymère.
Un tel matériau est connu en lui-même et a été décrit pa WALKER et Al. dans J. PH0T0GR. Sci., 18, 150 (1970). En variante, le film est rendu soluble par pho totransformation et comprend les composants essentiels sui vants :
- des amorceurs photochimiques de réaction par vo radicalaire ou par voie anionique ou cationique
- un polymère thermoplastique soluble qui confère s propriétés physico-chimiques, en particulier d'adhésio au film
- un polymère insoluble, éventuellement copoly érisé av le polymère précédent, qui devient soluble p interaction avec les amorceurs - éventuellement des colorants, des promoteurs d'adhési et des plastifiants.
Les polymères insolubles qui sont rendus solubles p phototransformation, sont connus en eux-mêmes et so décrits notamment dans le Brevet Américain 3 201 239. Selon une autre caractéristique l'invention, afin d'augmenter la rapidité du procédé, phototransformation n'est effectuée qu'à la surface du m dèle.
Selon encore une autre caractéristique l'invention, la séparation par dissolution des parties i radiées et non irradiées est accélérée par un appo d'énergie thermique ou mécanique ou par ultra-sons.
Selon une autre caractéristique de l'inventio la formulation du film mince phototransformable est ajust de façon à ce que le retrait du film après phototransform tion soit nul ou très faible. Ceci permet d'éliminer l déformations ou les contraintes que pourrait subir le m dèle.
Selon encore une autre caractéristique l'invention, dans le cas où l'amorceur présent dans le fil 'mince solide ou plastique, phototransformable, est u amorceur thermique du type du peroxyde de benzoyle ou ana logue, le rayonnement nécessaire à la phototransformatio dudit film mince, est un rayonnement infra-rouge. Selon une forme de réalisation avantageuse d procédé conforme à l'invention, le film phototransformabl 3 est initialement pris en sandwich entre deux couche protectrices de polymère, la couche protectrice inférieur est retirée pour superposer la couche de fil phototransformable sur une autre couche du même film, l'adhésion est obtenue par échauffement ou pression sur l film protecteur supérieur, que l'on retire ensuite avan l'irradiation, le film phototransformable étant posé e collé d'abord sur un support puis sur lui-même, et l rayonnement lumineux irradiant sélectivement le film sui vant des lignes droites.
Le film peut ainsi être superposé et collé su lui-même par couches successives sensiblement planes, o enroulé sur un support cylindrique.
La présente invention propose également un dis positif de production d'un modèle de pièce industrielle pa action de la lumière, du type comportant :
- un système de mémoires contenant des information représentatives de la forme de la pièce industrielle modeliser ; - un circuit de traitement de 1'information relié au sys tème de mémoires et capable de délivrer à partir de ce informations, des signaux représentatifs de la positio d'éléments du volume de ladite pièce industrielle ;
- au moins un générateur de rayonnement lumineux relié à l sortie du circuit de traitement ;
- des moyens de commande reliés au circuit de traitement, pour diriger le rayonnement lumineux, en fonction des si gnaux précités, vers des zones successives d'un matériau traiter par phototransformation pour réaliser ledit modèle, caractérisé
- en ce que le matériau à traiter par phototransformatio est un film mince à 1'état solide ou plastique ;
- en ce qu'il comprend un support propre à recevoir un pluralité de couches superposées dudit film mince ; - en ce qu'il comprend également un dispositif, relié a circuit de traitement, qui réalise la séparation du maté riau irradié et du matériau non irradié, par dissolution.
Selon un mode de réalisation avantageux du di positif conforme à l'invention, celui-ci comprend, outre, un système mécanique, relié au circuit de trait ment, qui réalise la superposition des couches de film s lide ou plastique phototransformable et leur collage l unes aux autres.
Selon un autre mode de réalisation avantage du dispositif conforme à l'invention, celui-ci compre également un système optomécanique qui met en forme l rayonnement lumineux et qui le défléchit sur la surface d film, de façon à irradier les volumes élémentaires qui doi vent former le modèle.
Selon encore un autre mode de réalisation avan tageux du dispositif conforme à l'invention, le ou chaqu générateur de lumière est conçu pour émettre un rayonnemen apte à provoquer une phototransformation localisée du fil mince solide ou plastique, propre à affecter les propriété de solubilité ou d'insolubilité de ce dernier. Selon une disposition avantageuse d l'invention, le dispositif de séparation par dissolutio comprend une cuve contenant un solvant approprié qui réa lise la dissolution des parties irradiées ou non irradiées du film. Selon une autre disposition avantageuse du dis positif conforme à l'invention, le film mince forme dans l dispositif un rouleau comprenant une pluralité de couche de film superposées et collées l'une à l'autre.
Selon un mode de réalisation avantageux du dis positif_ optomécanique précité, celui-ci est constitué pa un miroir qui renvoie le faisceau lumineux à 45 : et est dé placé par un ou deux axes motorisés.
Selon un autre mode de réalisation avantageu du dispositif optomécanique précité, celui-ci est constitu par un miroir vibrant ou tournant suivant un axe parallèl à l'axe de déflexion du rayonnement par ledit miroir. Selon une modalité avantageuse de ce mode de réalisation, un axe motorisé compense l'augmentation de diamètre du rouleau de film mince.
Conformément à l'invention, le rayonnement lumineux mis en oeuvre est avantageusement un rayonnement laser pris dans le groupe :
- des lasers UV continus : lasers hélium-cadmium ou argon ionisé, notamment,
- des lasers UV impulsionnels : lasers à azote, à excimère ou YAG triplé ou quadruplé, notamment,
- des lasers visibles continus ou impulsionnels à condition de rajouter dans la formulation du film phototransformable, des produits photosensibilisateurs absorbant dans le domaine visible, - des lasers infrarouges continus ou impulsionnels associés à des amorceurs thermiques.
Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui res- sortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à 1'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 montre le film phototransformable pris en sandwich entre deux couches de polymère,
- la figure 3 est une vue en perspective d'une partie du dispositif illustré à la figure 1,
- la figure 4 montre un premier mode de réalisation d'une partie du dispositif illustré à la figure 1,
- la figure 5 montre un deuxième mode de réalisation de cette même partie.
Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation.
Sur la figure 1, est représenté un système mémoires 1, disposé à la sortie d'un ordinateur non repr senté, qui a été utilisé pour déterminer par la métho C.A.O. les caractéristiques d'une pièce telle qu'u bielle. Un générateur laser 2 est connecté à la sortie système 1 à travers un circuit de traitement 1'information 3 et émet un rayonnement 4.
Le matériau phototransformable est un film s lide ou plastique 5 enroulé en partie autour du support et amorcé sur le support 8.
Dans le cas où le film est du type qui devie insoluble par phototransformation, on a avantage à utilise des monomères tels que des spiroorthoesters qui polyméri sent par ouverture de cycle et qui ont des retraits trè faibles, ou encore un mélange de monomères de retraits res pectivement positif et négatif de façon à annuler la somm algébrique des retraits. Du fait de l'absence de retrait aucune contrainte significative ne peut apparaître dans l modèle produit.
Dans le cas où le film est du type qui es rendu soluble par phototransformation, on a avantage utiliser des chaînes de type Novolaque, constituées par u polymère metacrésol-formaldéhyde, auquel cas l'amorceur es de préférence une diazonaphtoquinone. En l'absenc d'irradiation, celle-ci forme un complexe avec le polymèr précédent. L'ensemble est peu soluble dans les solution basiques. Sous l'effet d'un rayonnement adapté, la diazo naphtoquinone est décomposée, augmentant ainsi la solubi lité du matériau. D'autres mécanismes sont possibles : pa exemple en augmentant la solubilisation d'un polymère pa scission des chaînes, ce qui est possible avec des copoly mères de méthacrylate de méthyle et d'acide éthacrylique. Un système motorisé 9 bis, relié à 3, permet d dérouler le film du support 7 et de l'enrouler autour d support 8. Le rayonnement 4 est mis en forme par un sys¬ tème optique convergent 9, puis est défléchi par un deuxième système optique 10 sur une portion 11 du film 5. Un système motorisé 12, relié au circuit de traitement 3, permet de commander les systèmes optiques 9 et 10.
Le dispositif comporte en outre un système mé¬ canique 13, commandé par un système motorisé 14 relié au circuit de traitement 3, qui exerce une pression ou un échauffement sur le film 5 afin de le faire adhérer sur lui-même durant l'enroulement du film autour du support 8. Une cuve 6 contenant un solvant adapté permet de séparer les parties irradiées et les parties non irradiées du film. Sur la figure 2 est représenté le film photo¬ transformable 5 pris en sandwich entre deux couches protec- trices de polymère 15 et 16.
La figure 3 est une vue en perspective qui pré¬ cise la mise en oeuvre du procédé. Les films protecteurs 15 et 16 sont décollés du film phototransformable 5 et enrou¬ lés sur des supports 17 et 18. Ce processus est commandé par le système motorisé 9bis.
La figure 4 montre un type de balayage possible du rayonnement 4. Celui-ci est initialement parallèle à l'axe 0γ puis est défléchi dans un plan x = constante, par un miroir 19 incliné à 45 ' . Le rayonnement 4 est focalisé sur la partie 11 du film 5 suivant une génératrice AB. Un système mécanique 20 relié au circuit de traitement 3, com¬ prenant un axe motorisé 21, et éventuellement un deuxième axe motorisé 22, permet de maintenir la convergence du faisceau sur le film pendant l'enroulement de celui-ci au- tour du support 8, tout en balayant la* génératrice AB.
La figure 5 montre une variante de réalisation qui consiste à utiliser un miroir 23 vibrant ou tournant pour balayer la génératrice AB, ainsi qu'un système méca¬ nique 24 et éventuellement un système optomécanique 25, pour maintenir la convergence du faisceau.
Le dispositif conforme à la présente invention décrit dans les figures 1 à 4 fonctionne de la façon su vante : le film phototransformable 5 pris en sandwich ent deux films protecteurs 15 et 16 est enroulé autour du su port 7, le film phototransformable est amorcé sur le su port 8, les films protecteurs sont enroulés sur les su ports 17 et 18. Le système de mémoires 1, dispo avantageusement à la sortie d'un ordinateur., communique circuit de traitement 3, les caractéristiques du modèle créer. Celui-ci est alors décomposé en volumes élé e taires. Le circuit de traitement 3 commande le système m torisé 9bis qui enroule le film protecteur 16 autour support 18, le film protecteur 15 autour du support 17 le film 5 autour du support 8. Pendant cette dernière op ration, le système mécanique 13 permet de faire adhérer film 5 sur lui-même suivant une génératrice CD. Le systè motorisé 14, relié au circuit de traitement 3, permet compenser l'augmentation du rayon du cylindre de film 5 e roulé autour du support 8.
Le rayonnement laser 4, émis par le générate 2, est mis en forme par le système optique convergent puis est défléchi par un système optomécanique de façon irradier sélectivement une génératrice AB.
Ce système optomécanique peut être constit par un miroir 19 renvoyant le faisceau à 90° et qui est dé placé par un ou deux axes motorisés 21 et 22 (cf. Figur 4).
En variante (figure 5), le système optoméca nique est constitué par un miroir vibrant ou tournant 2 suivant un axe parallèle à Ox. L'axe motorisé 24 perme éventuellement de compenser l'augmentation du rayon du cy lindre constitué par le photopolymère et le système optomé canique 25 permet de maintenir la convergence du faiscea lorsque celui-ci décrit la génératrice AB.
Ainsi que cela ressort de ce qui précède l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui vien nent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en em¬ brasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS l' ) Procédé de production d'un modèle de pièc industrielle par phototransformation d'un matériau orga nique polymerisable ou réticulable, par absorption monopho tonique d'un rayonnement lumineux par des photoamorceurs d polymérisation ou de réticulation, le matériau photopolymé risable ou réticulable mis en oeuvre ayant la forme d'u film mince (5) à l'état solide ou plastique et le procéd consistant à superposer une pluralité de couches de ce fil solide ou plastique (5), caractérisé en ce que ledit fil mince (5) est choisi parmi les matériaux aptes à adhére tant sur un support que sur eux-mêmes, par pression ou pa échauffement, et à être rendus solubles ou insolubles ,sou l'action du rayonnement lumineux précité, le procéd consistant en outre à séparer par dissolution les partie irradiées et les parties non irradiées du film.
2 ° ) Procédé selon la revendication 1, caracté risé en ce que le film est rendu insoluble pa phototransformation et comprend les composants essentiel suivants :
- des amorceurs photochimiques de polymérisation ou d réticulation par voie radicalaire ou par voie anioniqu ou cationique, - un monomère polyfonctionnel apte à former un réseau réticulé propre à rendre le mélange insoluble
- un polymère thermoplastique soluble qui confère se propriétés physico-chimiques, en particulier d'adhésion, au film - éventuellement des colorants, des promoteurs d'adhésio et des plastifiants
- éventuellement un monomère monofonctionnel pouvant donne lieu à un plus haut polymère.
3°) Procédé selon la revendication 1, caracté risé en ce que le film est rendu soluble pa phototransformation et comprend les composants essentiel suivants :
- des amorceurs photochimiques de réaction par voie radicalaire ou par voie anionique ou cationique
- un polymère thermoplastique soluble qui confère ses propriétés physico-chimiques, en particulier d'adhésion, au film
- un polymère insoluble, éventuellement copolymérisé avec le polymère précédent, qui devient soluble par interac¬ tion avec les amorceurs, - éventuellement des colorants, des promoteurs d'adhésion et des plastifiants.
4*) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, afin d'augmenter la rapidité du procédé, la phototransformâtion n'est effectuée qu'à la surface du modèle.
5') Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la séparation par dissolution des parties irradiées et non irradiées est accélérée par un ap¬ port d'énergie thermique ou mécanique ou par ultra-sons. 6°) Procédé selon l'une des revendications 1 à
5, caractérisé en ce que la formulation du film mince pho¬ totransformable est ajustée de façon à ce que le retrait du film après phototransformation soit nul ou très faible.
7") Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans le cas où l'amorceur pré¬ sent dans le film mince, est un amorceur thermique du type du peroxyde de benzoyle ou analogue, on utilise un rayonne¬ ment lumineux infra-rouge.
8") Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le film phototransformable est initialement pris en sandwich entre deux couches protec¬ trices de polymère (15,16), la couche protectrice in¬ férieure (16) est retirée pour superposer la couche de film phototransformable (5) sur une autre couche du même film, l'adhésion est obtenue par échauffement ou pression sur la couche protectrice (15) supérieure, que l'on retire en- suite, le film phototransformable (5) est posé et coll d'abord sur un support, puis sur lui-même, et le rayon nement lumineux (4) irradie sélectivement le film suivan des lignes droites. 9°) Procédé selon la revendication 8, caracté risé en ce que le support du film mince (5) est orienté d façon à décaler le film par rapport au rayonnement.
10°) Procédé selon l'une des revendications 1 9, caractérisé en ce que le film (5) est superposé e collé sur lui-même par couches successives sensiblemen planes, ou par enroulement sur un support cylindrique (8).
11°) Dispositif de production d'un modèle d pièce industrielle par action de la lumière, du type com portant : - un système de mémoires (1) contenant des information représentatives de la forme de la pièce industrielle modéliser ;
- un circuit de traitement de l'information (3) relié a système de mémoires et capable de délivrer à partir d ces informations, des signaux représentatifs de la posi tion d'éléments du volume de ladite pièce industrielle;
- au moins un générateur (2) de rayonnement lumineux (4), relié à la sortie du circuit de traitement (3) ;
- des moyens de commande reliés au circuit de traitemen (3), pour diriger le rayonnement lumineux, en fonctio des signaux précités, vers des zones successives d'un maté¬ riau à traiter par phototransformation pour réaliser ledit modèle, caractérisé : - en ce que le matériau à traiter par phototransformation un film mince (5) à l'état soiide ou plastique ;
- en ce qu'il comprend un support (8) propre à recevoir une pluralité de couches superposées dudit film mince ;
- en ce qu'il comprend également un dispositif, relié au circuit de traitement (3), qui réalise la séparation du matériau irradié et du matériau non irradié, par dissolu- 13 tion.
12') Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un système mé¬ canique(13), relié au circuit de traitement (3), qui réa- s lise la superposition des couches de film (5) solide ou plastique phototranεformable et leur collage les unes aux autres.
13°) Dispositif selon la revendication 11 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend également un système opto» o mécanique (9,10) qui met en forme le rayonnement lumineux (4) et qui le défléchit sur la surface du film (5), de fa¬ çon à irradier les volumes élémentaires qui doivent former le modèle.
14") Dispositif selon l'une des revendications 5 11 à 13, caractérisé en ce que le ou chaque générateur (2) de lumière est conçu pour émettre un rayonnement apte à provoquer une phototransformation localisée du film mince solide ou plastique, propre à affecter les propriétés de solubilité ou d'insolubilité de ce dernier. 0 15°) Dispositif selon l'une des revendications
11 à 14, caractérisé en ce que le dispositif de séparation par dissolution comprend une cuve (6) contenant un solvant approprié qui réalise la dissolution des parties irradiées ou non irradiées du film. 5 16°) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que le film mince (5) à l'état solide ou plastique forme dans le dis¬ positif un rouleau comprenant une pluralité de couches de film superposées et collées l'une à l'autre. 0 . 17°) Dispositif- selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif optomécanique comprend un miroir (19) qui renvoie le faisceau lumineux (4) à 45' et est déplacé par un ou deux axes motorisés (21, 22).
18°) Dispositif selon la revendication 13, 5 caractérisé en ce que le dispositif optomécanique comprend un miroir (23) vibrant ou tournant autour d'un axe. 19') Dispositif selon l'une des revendicatio
11 à 18, caractérisé en ce que la source de rayonnement ( est une source de rayonnement laser prise dans le groupe :
- des lasers UV continus : lasers hélium-cadmium ou arg ionisé, notamment,
- des lasers UV impulsionnels : lasers à azote, à excimè ou YAG triplé ou quadruplé, notamment,
- des lasers visibles continus ou impulsionnels à conditi de rajouter dans la formulation du film phototransfor able, des produits photoεensibilisateurs absorbant dan le domaine visible,
- des lasers infrarouges continus ou impulsionnels associé à des amorceurs thermiques.
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