EP3930955A1 - Dispositif d'impression en trois dimensions d'un objet en verre de petite taille - Google Patents

Dispositif d'impression en trois dimensions d'un objet en verre de petite taille

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Publication number
EP3930955A1
EP3930955A1 EP20706512.9A EP20706512A EP3930955A1 EP 3930955 A1 EP3930955 A1 EP 3930955A1 EP 20706512 A EP20706512 A EP 20706512A EP 3930955 A1 EP3930955 A1 EP 3930955A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
layer
glass
support
printing device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20706512.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gérard JEANDEL
Marie-Alice SKAPER
Denis Garcia
Simon AUFRANC
Guilherme VIANNA-SANTOS
Damien BRISSINGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre Europeen De Recherches Et De Formation Auxarts Verriers Cerfav
Institut National Polytechnique de Lorraine
Original Assignee
Centre Europeen De Recherches Et De Formation Auxarts Verriers Cerfav
Institut National Polytechnique de Lorraine
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre Europeen De Recherches Et De Formation Auxarts Verriers Cerfav, Institut National Polytechnique de Lorraine filed Critical Centre Europeen De Recherches Et De Formation Auxarts Verriers Cerfav
Publication of EP3930955A1 publication Critical patent/EP3930955A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00—Other methods of shaping glass
    • C03B19/01—Other methods of shaping glass by progressive fusion or sintering of powdered glass onto a shaping substrate, i.e. accretion, e.g. plasma oxidation deposition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • 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
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • 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
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00—Other methods of shaping glass
    • C03B19/06—Other methods of shaping glass by sintering, e.g. by cold isostatic pressing of powders and subsequent sintering, by hot pressing of powders, by sintering slurries or dispersions not undergoing a liquid phase reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B23K2103/54—Glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • TITLE Device for printing in three dimensions a small glass object
  • the invention also relates to a printing method for the three-dimensional printing of such an object.
  • 3D printing or three-dimensional printing techniques are based on the principle of additive manufacturing. Objects are created by forming successive layers.
  • 3D printing devices of an object in a polymer material, for example plastic, the melting point of which is relatively low, for example between 100 ° C. and 300 ° C.
  • 3D printing devices make it possible to manufacture objects of small size, and of complex shape, that is to say with cavities, particular angles, counter shapes, etc.
  • These devices use several techniques, namely printing by deposition of molten material, or printing by projection of binder on a bed of powder, or even printing by laser sintering.
  • glass has a much higher melting temperature, for example between 1000 ° C and 2000 ° C, and a glass transition temperature between 300 ° C and 800 ° C. It also has physicochemical and thermal properties that are very different from those of polymers.
  • the laser used for the 3D printing of a plastic object does not have the right characteristics (power, length wave, etc.) to be used for 3D printing of a glass object.
  • the wavelength of the laser differs from the absorption spectrum of the glass, which depends in particular on the composition of the glass.
  • the wavelength of the selected laser must match the absorption spectrum of the material chosen to form the final object.
  • the downside with this type of device is the lack of precision in the glass casting.
  • the resulting object will have relatively simple shapes, with a low level of detail, and will have a size that will always be of the order of a few centimeters, with a resolution limited by the size of the nozzle.
  • a nozzle can never have a micrometric or lower spatial resolution, since it has an outlet orifice with a diameter which must be large enough to avoid any obstruction or overpressure.
  • EP 2784045 uses a laser for sintering or melting, in order to form an object made of ceramic, or of bio-glass, that is to say a compound comprising SiO 2.
  • the material can therefore be transparent, which is problematic with respect to the laser.
  • the idea is therefore to use a vector to obtain an indirect melting of the transparent powder material.
  • This vector is an additive, of the carbon type, which will modify the absorption spectrum of the material, to allow greater flexibility in the choice of the laser wavelength.
  • the disadvantage is that the object obtained in the end will contain carbon particles, and will not be made of pure glass without additives.
  • the object of the present invention is to overcome the various drawbacks mentioned above, by means of a device for printing in three dimensions a glass object, which is capable of producing objects of great precision, with details smaller than one mm, and which may present complex shapes, overlapping and undercut shapes, with a density close to that of a material without porosity, and all this with industrial reproducibility.
  • the printing device prints a glass object, by applying and solidifying successive layers of a material constituting the glass, in locations corresponding to the section of the object to be produced in the corresponding layer, by means of of a laser.
  • Laser technology is used here in order to achieve a selective and precise fusion of the material to form the 3D objects.
  • the laser is also particularly interesting for its speed of execution.
  • This device includes:
  • the laser produces a beam whose wavelength allows the direct fusion of the material in its core.
  • direct melting of the material in its core is meant within the meaning of the invention that no energy vector is added to the material with the aim of effecting a two-step melting, that is to say of merging with laser using said vector, for example metal nanoparticles, then fusing the glass containing this energy vector by simple thermal conduction.
  • the invention therefore allows direct melting of a glass whose composition does not include a material whose only function is that of an energy carrier described above.
  • the glass used according to the invention can comprise one or more adjuvant and / or catalyst, other than those used as a simple energy carrier.
  • the main feature of the invention is that said printing device comprises means for controlling the power and speed of the laser 8 in real time.
  • control means are an asset in the management of the temperature of the object as it is created. Indeed, they make it possible to control the temperature of the molten layer, in real time, at each point of the pattern to be produced. If a point is not sufficiently heated, then the control means locate it, and instruct the laser to slow down its path in order to spend more time on the point in question, and / or to increase the power of the laser. beam to increase the temperature at that precise point. Conversely, the control means can order the laser to accelerate its path or to reduce the power of the laser beam, if a point is overheating. This real-time control greatly reduces the porosity of printed objects.
  • said thermal regulation means are controlled by the central unit and maintain the layers of the object at a maintenance temperature between the glass transition temperature of the material (Tg) minus 100 ° C and the softening temperature of the material (Tr).
  • Glass is a non-crystalline solid which exhibits a glass transition (Tg).
  • Tg glass transition
  • the glass transition temperature (Tg) which characterizes it corresponds to a temperature range during which this transition occurs. It can be measured at the start, middle or end of the transition. In our case, it is the temperature at which the glass transition begins which will be used for the value of Tg.
  • the softening temperature (Tr) corresponds to the temperature at which the initially solid material begins to soften. It occurs after the onset of the glass transition.
  • the idea behind the invention is to find the appropriate laser whose beam is sized to penetrate the entire layer of material to be treated. This is because radiation should not be absorbed as soon as it enters matter. It must be able to penetrate into matter to allow fusion at the heart of matter.
  • the laser must be able to deliver the right amount of energy, in a very limited space, at the right time.
  • the layer of material melts when its temperature exceeds the glass transition temperature (Tg) of the material and reaches the melting temperature of the material.
  • the penetration rate of the radiation is optimum in order to fuse the glass and avoid residual mechanical stresses induced by excessively large temperature gradients, as will be explained below.
  • the laser wavelength must be matched to the absorption spectrum of the glass. It must be in a wavelength range where the glass is absorbent enough to reach its melting temperature, while limiting transmission through the glass in which case the laser would pass through the material without melting.
  • the printing is carried out using a laser whose wavelength is chosen in the infrared so that the beam is absorbed throughout its journey in the room, and whose optical power is adjustable.
  • the laser used is a CO (Carbon Monoxide) cavity laser, with a wavelength between 1 and 12 pm and an adjustable optical power up to 150W.
  • CO Carbon Monoxide
  • the printing is performed using a UV (Ultraviolet) laser, with other wavelength ranges adapted to the absorption spectrum of the glass.
  • UV Ultraviolet
  • the main difficulty lies in regulating the temperature of the object as it is created, layer by layer.
  • the laser power must be high enough to heat the layers of material.
  • the gradient be kept low to prevent breakage of the object during its creation, or after its creation.
  • gradient is meant a variation in temperature in space.
  • This gradient must be minimal, so that the cooling is homogeneous within the object.
  • Temperature control makes it possible to form 3D glass parts with sufficient mechanical strength for gripping, with complex geometric functions and which can be nested, according to a predefined 3D computer model.
  • said thermal regulation means comprise a system for heating the support heating the first layer, each layer n being heated indirectly by contact with the lower layer n-1.
  • the first layer of material added to the support must first be heated to a temperature close to the glass transition temperature of the material, so that it melts on the support. This first layer constitutes the base of the object. The laser is activated to finalize this fusion.
  • the next layer is deposited on the first layer, and is therefore preheated via contact with the first layer at said holding temperature, then the laser is activated to melt the affected area.
  • each new layer is preheated by the previous layer, before activation of the laser.
  • the support always remains hot, to guarantee the general maintenance temperature of the object.
  • all of the layers are maintained at temperature as the object is created.
  • the first layer is heat treated via the heating medium to allow implantation of volume and then each layer is added and merged while minimizing temperature gradients from one thickness to the next.
  • the thermal environment is controlled in the temperature range between the Tg of the glass minus 100 ° C and the softening temperature Tr.
  • the support is equipped with an induction heating system. Any other type of heating can be used.
  • said thermal regulation means comprise a system for heating the ambient air around the object.
  • This is for example a radiative heating system placed above the printing area.
  • This heating system allows you to heat the object from above remotely, while the holder allows you to heat the object from below in direct contact. By combining the two heating systems, this makes it possible to homogenize the general temperature of the object.
  • This radiative heating system is fixed relative to the support.
  • this radiative heating system is retractable. This means that it can be mobile relative to the support, in order to be away from or brought closer to the object being created, to best adapt the temperature maintenance of the object.
  • This radiative heating system can have a variable thermostat, just like the induction heating system.
  • This dual heating system (via the support and via the environment) makes it possible to refine the temperature of the object being created, in order to limit as much as possible the temperature differences between the lower part and the upper part of the object.
  • the object is created in a thermal enclosure forming a chamber inside which the temperature is uniform and controlled. This enclosure is isolated from the outside.
  • the choice of the laser associated with the limitation of the temperature gradient, makes it possible to manufacture glass objects, of small size, having a dense and smooth surface appearance, and long-term resistant.
  • the laser beam is focused on the print area using converging optics.
  • the working distance between the laser and the print media impacts the point of focus.
  • the intensity of the beam has a Gaussian shape at the point of impact ("beam waist"), which implies that the intensity received at the surface of this point of impact is directly related to the resolution of the impression.
  • the path of the laser is modeled according to the object to be printed. This modeling is generally carried out via an electronic card and specific software, part of the central unit.
  • control means comprise a device for capturing and measuring luminosity capturing and measuring the light produced by in the vicinity of the melting point and transmitting information to the central unit.
  • the light produced by the melting point is captured by the device for capturing and measuring luminosity, then analyzed by the processing means, which then send orders to the laser to adjust its power and speed accordingly.
  • this sensor measures the radiation emitted by the object being produced. Depending on the radiation emitted by the melting point, it is possible to deduce the temperature of the object in the melting zone.
  • a calibration of the device for capturing and measuring the brightness is carried out before the start of printing.
  • the laser beam reaches said locations corresponding to the section of the object to be produced in the corresponding layer, by means of a set of orientable mirror (s) controlled by the central unit and deflecting the rays coming out of the laser in the direction of the target location.
  • a set of orientable mirror controlled by the central unit and deflecting the rays coming out of the laser in the direction of the target location.
  • the laser itself remains fixed.
  • the orientable mirrors are placed on the optical path of the laser beam to direct the beam to the locations provided according to the modeling of the path of the laser.
  • the orientation of the mirrors is controlled by the software and the associated electronic card, thanks to which the path of the laser is modeled.
  • any other system making it possible to direct the laser beam in the x, y and z directions is suitable within the framework of this invention.
  • the material supply means consist of a glass powder dispenser capable of pouring a dose of material over the entire surface forming the support in the initial phase, then onto each fused layer.
  • This powder bed system is therefore used.
  • This powder bed system is adapted to the abrasive nature, to the hardness, to the particle size of the powder used, and to the temperatures used.
  • This powder consists for example of glass beads, each bead preferably having a dimension less than 100 ⁇ m.
  • It can be an established glass powder, or a powder whose composition contains glass precursors.
  • the composition of the glass used is adapted to the desired properties for the final object.
  • the main component of glass can be silica.
  • glass can be soda-lime, borocalcic, bioglass, etc.
  • the physico-chemical, thermal and mechanical properties differ according to each type of glass. Depending on the type of glass chosen, it is necessary to adapt the parameters of the printing process: wavelength, power density, speed.
  • the support is movable in vertical translation relative to a horizontal work table of the device, said support being located at the same level as the work table during the application of the first layer of material, then descends from '' a notch after each layer formation, the height of a notch corresponding to the thickness of the layer formed so that the next application of material is carried out on a work surface located at the same level as the table of job.
  • the support goes down a predefined distance corresponding to the thickness of a layer and the process is repeated for each layer, thus allowing the obtaining of the complete structure in 3D of the layer. 'object.
  • the means of supplying the material can consist of a conventional dispenser of a strand of glass, which unwinds from a spool as it is printed.
  • the printed object has complex shapes, overlapping and undercut shapes.
  • the object has a spatial resolution of less than one millimeter.
  • These small glass objects can be used in medical applications for example, using bioactive glass for biomedical. Or again, it is possible to produce small-sized glass channels for applications in microfluidics for example.
  • This printing device can also be used, for example, to repair glass objects, or to reload a glass object.
  • the glass object After shaping, the glass object generally requires annealing, which corresponds to maintaining a temperature, at a temperature which is characteristic of the composition of the glass used. After this annealing, the glass object requires gradual cooling according to a curve depending on its composition and its mass. Too fast, cooling causes strong tensions in the material with heterogeneous contractions.
  • the device To control the temperature of the object during cooling, the device includes a temperature sensor, of the thermocouple type, measuring the temperature of the object by direct contact. This thermocouple sends its measurements in real time to the central processing unit, which sends commands accordingly to the heating systems to ensure that the temperature of the object during cooling best follows the curve of the preset thermal cycle.
  • the invention also relates to a printing process for printing a three-dimensional glass object by means of a printing device as described above, characterized in that it comprises the following steps:
  • the fusion zone also called the molten pool
  • the molten bath moves with the movement of the laser beam.
  • the molten bath therefore comes into contact with material deemed to be colder, for example glass beads, which disturbs the melting.
  • cold glass beads are present and not fused. They are considered to be disruptive and can even cause reflection or absorption of the laser beam.
  • the temperature of the molten pool drops significantly. Consequently, the fusion bead is not completely homogeneous and this effect impacts the quality of the glass printing: in particular the homogeneity of the fusion as well as the optical and mechanical properties of the part produced.
  • the device for capturing and measuring luminosity at the periphery of the molten pool for example an optical sensor placed above the molten pool, makes it possible to synchronously calculate the power of the LASER beam with respect to the light intensity of the molten pool.
  • the control means consist of a brightness control system, which works here.
  • the brightness control system operates in a closed loop with respect to a desired light intensity and provides laser drive power adjustment.
  • This brightness control system includes the device for capturing and measuring brightness which is based on the optical sensor, for example of the LDR (Light Dependent Resistor) type, as well as a electronic instrumentation to condition the measured signal.
  • This measured signal arrives at a brightness controller, which belongs to the central unit. This brightness controller therefore receives signals as input allowing it to know the measured light intensity.
  • LDR Light Dependent Resistor
  • the printer's electronic control card provides the signals to control the laser, as explained previously in the description. These signals, before going directly to the laser, will go through this same brightness controller. The latter therefore also receives signals as input allowing it to know the desired light intensity.
  • This brightness controller analyzes and compares the signals emitted on the one hand from the optical sensor, and on the other hand from the control board. Depending on the difference measured between the signals, it will adjust the power and speed of the laser in real time and control them, in order to control the fusion in progress.
  • Figure 1 is a schematic view of a three-dimensional printing device of a glass object according to the invention.
  • FIG. 2 represents the laser melting of glass powder
  • FIG. 3 is a diagram of the brightness control system.
  • the printing device as illustrated in Figure 1 has a container 1 open at the top and comprising a support 2 movable in vertical translation.
  • This support 2 is intended to support the object 3 which will be formed and defines a printing area.
  • This support 2 is arranged at a certain height so that each layer in the process of solidification rests on a work surface 18 integrated in a surface of a work table 4 having an opening at the level of the container 1.
  • the container 1 is arranged under the work table 4, so that its upper edge is flush with the work table 4 .
  • the support 2 is placed flush with the surface of the worktable 4.
  • the first layer of the object 3 can be produced directly on the support 2.
  • the support 2 goes down a notch. , corresponding to the thickness of the first layer produced.
  • the first layer then forms a work surface which is found flush with the surface of the work table 4.
  • the second layer of the object 3 can be produced at the level of this work surface 18.
  • a dispenser 7 of glass powder 6 is arranged above the work table 4. This dispenser 7 comprises a reservoir filled with glass powder 6, which is the material used to form the glass object 3.
  • the dispenser 7 initially pours a dose of powder on the work table 4, and in particular on the support 2.
  • a broom 5 or a roller makes a horizontal pass over the work table 4 so as to uniformly distribute the glass powder on the support 2.
  • a laser beam 15 is then directed towards the support 2 in order to bring the molten glass powder 6 into the locations specific to the pattern of the first layer of the object 3 to be formed.
  • the support 2 goes down a notch, and the distributor 7 pours a new dose of glass powder 6 on the work table 4, and in particular on the work surface 18 formed by the 6 previous glass powder layer.
  • the brush 5 makes its pass, then the laser beam 15 is turned on again in order to bring the molten glass powder 6 into the locations specific to the pattern of the second layer of the object 3 to be formed.
  • the support 2 goes down a notch, and all the above operations are repeated n times, until the object 3 is fully achieved.
  • the support 2 is preferably constructed from a non-thermally insulating material, for example metal.
  • the support 2 is mobile in vertical translation, for example via jacks.
  • a heating system is put in place, so that the support 2 is heated and reaches a predefined temperature.
  • it is an induction device 14.
  • the preset temperature must be close to the glass transition temperature of the glass powder 6, so that the powder 6 is heated and begins to melt via the support 2.
  • a second heating system is set up, this time above the work table 4, that is to say above the support 2, so as to heat the upper layer of the object 3 in progress. of achievement. This decreases the potential temperature difference that there could be between the bottom layer of object 3 and the top layer of the object.
  • it is a retractable radiative heater 11.
  • These heating systems allow the object being created to be kept at a maintenance temperature between the glass transition temperature of the glass minus 100 ° C and the softening temperature of the glass. Such a holding temperature makes it possible to limit the temperature gradient between the melting point and the adjacent points. It also helps limit the temperature gradient during the controlled cooling of the object after its creation.
  • the support 2, the work table 4, the distributor 7 and the different heating systems 14,11 can be positioned within a thermal enclosure 17, therefore isolated from the outside.
  • This enclosure 17 defines a chamber in which the temperature is homogeneous at all points.
  • the environment in which object 3 is built is thus homogeneous from a thermal point of view, and this makes it possible to preheat each bed of powder, and each new layer of object 3, as it is created. , at the desired holding temperature.
  • the laser 8 for its part is placed outside the enclosure 17, since it is not designed to withstand such temperatures.
  • the laser 8 is placed above the enclosure 17, and it emits a beam 15 whose optical path is redirected to the support 2, via an orientable mirror 10.
  • the different orientations of the mirror 10 allow the beam 15 to follow a precise path on the powder layer so as to make a section of the object 3.
  • object 3 has been modeled beforehand using software, and a central unit (electronic card) controls the movements of mirror 10 so that beam 15 follows the path provided in the modeling.
  • a central unit electronic card
  • the beam 15 passes through a specific window 16 provided in the upper wall of the enclosure 17.
  • This window 16 may consist of a lens 16 which allows the beam 15 to converge towards a precise point at the level of the work surface 18.
  • the central unit 9 also controls the movements of the brush 5 and of the support 2.
  • means of controlling the power and speed of the laser are in place. They include an optical sensor 12 picking up the light produced by the melting point. This sensor 12 is positioned above the support 2, and is aimed at the zone where the object 3 is created. This optical sensor 12 sends the information to the central unit 9, which processes them, and which then adjusts in real time the laser power 8 and its speed, so that the fusion is optimal at any point of the object 3 being created.
  • object 3 Once object 3 is created, it must be cooled in a certain way, in order to avoid its weakening upon cooling.
  • the cooling of object 3 is predefined, and follows a specific temperature curve, with or without steps, depending on the composition of the glass used.
  • the device comprises for example a thermocouple 13 which is positioned in contact with the object 3 and which measures the temperature of the object 3 during cooling.
  • This thermocouple 13 sends the measured temperature to the central unit 9, which then adjusts in real time the various heating systems 14, 11 in order to regulate the temperature within the enclosure 17 and within the object 3, from so that it follows the imposed curve.
  • thermocouple 13 It is also possible to anneal the object 3, also according to a predefined temperature curve, so as to strengthen its mechanical properties. This annealing is allowed via the heating systems 14, 11, and is controlled by the central unit 9 and the thermocouple 13.
  • the 3D printing device made it possible to produce 3D objects with the following parameters:
  • this interval corresponds to the thickness of a layer for object 3 and the height of a notch for support 2
  • FIG. 2 represents the laser melting of glass powder.
  • the glass powder 6 of FIG. 1 is shown here in a first thick layer, in order to improve the clarity of the diagram, with areas of cold powder 20, and hot areas 21-22-23.
  • the laser beam 15 points at the upper surface of this layer of glass powder, and moves progressively from left to right, according to the large horizontal arrow. To the left, glass is already fused, and solid. The closer the melting point 23 is to the right, the hotter the glass. This rise in temperature is illustrated by the small dots. The more points, the higher the temperature.
  • the molten bath 22 therefore continuously comes into contact with cold glass beads 20, which disturb the melting. Indeed, on the front and the peripheries of the molten bath 22, the so-called cold glass beads 20 are present and not fused. They are considered to be disruptive and can cause reflection or absorption of the laser beam 15, as illustrated by the small oblique arrows.
  • the heat emanating from the melting point 23 is captured by a device 12 for capturing and measuring luminosity at the periphery of the molten bath.
  • This device 12 corresponds for example to the optical sensor. It is placed above the molten bath 22 and slightly upstream of the laser beam 15, so as to point towards each new molten zone each time the beam 15 advances. It points precisely to the front of the molten pool 22, which here corresponds to the right side of the molten pool 22, and which also corresponds to the front of the melting point 23, since this is also where reflections from the laser can occur. and disrupt the merger. It is therefore essential to know precisely the temperature at this point, in order to then be able to adjust the laser parameters until the desired temperature is obtained in the program.
  • the area that melts takes on a certain color with a certain light intensity depending on its temperature.
  • the sensor captures the light intensity emitted by the molten pool, so that the actual temperature can be deduced.
  • FIG. 3 schematically illustrates the control of the laser.
  • the device 12 for capturing and measuring luminosity captures the light emitted by the melting point front 23. It sends this light signal (a) to an instrumentation electronics 26 to condition the measured signal. This electronics 26 converts this signal into a datum (b) of measured brightness, and sends it to a brightness controller 28 which belongs to the central unit 9.
  • the electronic control card 27 of the printer supplies data (c) to the brightness controller 28 to control the laser 8.
  • the electronic control card 27 sends a datum of desired light intensity, which is a function of a temperature. desired at the front of the molten bath 22.
  • This brightness controller 28 analyzes and compares the input data (b) and (c) sent on the one hand from the optical sensor 12, and on the other hand from the control card 27. Depending on the measured difference between the data, it will adjust in real time the power of the beam 15 and the speed (d) of the laser 8 and control them at the output, in order to control the fusion in progress, so that the measured light intensity either as close as possible to the desired light intensity, that is to say that the measured temperature is as close as possible to the desired temperature.
  • the laser 8 therefore sends its beam 15 with a power and a speed controlled in real time.
  • the brightness control system operates in a closed loop with respect to a desired light intensity (i.e. a desired temperature) and provides an adjustment of power and laser drive speed 8.

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Abstract

L'invention propose un dispositif d' impression en trois dimensions d'un objet en verre, par application et solidification de couches successives d'un matériau constitutif du verre, dans des emplacements correspondant à la section de l 'objet à réaliser dans la couche correspondante, au moyen d'un laser produisant un faisceau dont la longueur d'onde permet la fusion directe au cœur du matériau. Le dispositif comprend : - des moyens d'apport du matériau vers un support sur lequel sont formées les couches successives; - des moyens de régulation thermique des couches successives pour leur maintien en température pendant la réalisation de l 'objet et pour leur refroidissement après la réalisation de l 'objet; - une unité centrale contrôlant le laser. Le dispositif d' impression comprend des moyens d'asservissement de la puissance et de la vitesse du laser en temps réel.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif d’impression en trois dimensions d’un objet en verre de petite taille
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un dispositif d’impression en trois dimensions d’un objet en verre de petite taille. L’invention concerne également un procédé d’impression pour l’impression en trois dimensions d’un tel objet.
Les techniques d’impression 3D ou impression tridimensionnelle couramment utilisées se basent sur le principe de fabrication additive. Des objets sont créés par formation de couches successives.
Arrière-plan technique
Pour fabriquer des objets de petite taille, on connaît des dispositifs d’impression en trois dimensions (3D) d’un objet dans un matériau polymère, par exemple plastique, dont la température de fusion est relativement basse, par exemple comprise entre 100°C et 300°C. Ces dispositifs permettent de fabriquer des objets de petite taille, et de forme complexe, c’est-à-dire avec des cavités, des angles particuliers, des contre formes, etc. Ces dispositifs utilisent plusieurs techniques, à savoir des impressions par dépôt de matière fondue, ou bien des impressions par projection de liant sur un lit de poudre, ou encore des impressions par frittage laser.
Ces dispositifs d’impression ne sont toutefois pas adaptés pour fabriquer ces mêmes objets en matériau verre. En effet, le verre a une température de fusion bien plus élevée, par exemple entre 1000°C et 2000°C, et une température de transition vitreuse entre 300°C et 800°C. Il présente également des propriétés physico-chimiques et thermiques bien différentes de celles des polymères. Dans le cas de l’impression par frittage laser, le laser servant à l’impression 3D d’un objet en plastique ne présente pas les bonnes caractéristiques (puissance, longueur d’onde, etc) pour servir à l’impression 3D d’un objet en verre. En effet, la longueur d’onde du laser diffère par rapport au spectre d’absorption du verre, qui dépend notamment de la composition du verre. Or la longueur d’onde du laser sélectionné doit s’accorder avec le spectre d’absorption du matériau choisi pour former l’objet final.
Pour pouvoir imprimer un objet 3D en verre, il est connu du document EP 3042751 d’utiliser une tête d’impression chauffante, dans laquelle sont amenés des filaments de verre qui vont chauffer dans la tête, et ce verre fondu est ensuite distribué via une buse de sortie qui dépose des couches successives de verre fondu selon le motif désiré.
L’inconvénient avec ce type de dispositif est le manque de précision des coulées de verre. L’objet obtenu présentera des formes relativement simples, avec un faible niveau de détail, et aura une taille qui sera toujours de l’ordre de quelques centimètres, avec une résolution limitée par la taille de la buse. Or une buse ne pourra jamais avoir une résolution spatiale micrométrique ou inférieure, puisqu’elle présente un orifice de sortie avec un diamètre qui doit être suffisamment grand pour éviter toute obstruction ou toute surpression.
Pour tenter d’avoir une meilleure précision, il est connu du document FR 3056 593 d’utiliser une technique de photo-polymérisation à deux photons. Ce procédé utilise du verre sous forme de billes en tant que charge dans un monomère polymérisé par le procédé à deux photos. Cette technique permet de réaliser des objets de grande complexité avec un degré élevé de finition, c’est-à-dire de résolution spatiale, pouvant être de l’ordre du nanomètre. Cependant, cette technique est relativement complexe à mettre en œuvre.
Le document EP 2784045 utilise un laser pour un frittage ou une fusion, afin de former un objet en céramique, ou en bio-verre, c’est-à-dire un composé comprenant du Si02. Le matériau peut donc être transparent, ce qui est problématique vis-à-vis du laser. L’idée consiste donc à utiliser un vecteur pour obtenir une fusion indirecte du matériau en poudre transparent. Ce vecteur est un additif, du type carbone, qui va modifier le spectre d’absorption du matériau, pour permettre une souplesse plus importante dans le choix de la longueur d’onde du laser. L’inconvénient est que l’objet obtenu au final contiendra des particules de carbone, et ne sera pas constitué de verre pur sans additif.
Résumé de l'invention
La présente invention a pour objectif de pallier les différents inconvénients énoncés ci-dessus, au moyen d’un dispositif d’impression en trois dimensions d’un objet en verre, qui soit capable de produire des objets d’une grande précision, avec des détails inférieurs au mm, et pouvant présenter des formes complexes, des formes imbriquées et à contre dépouille, avec une densité proche de celle d’un matériau ne comportant pas de porosité, et tout cela avec une reproductibilité industrielle.
Le dispositif d’impression selon l’invention imprime un objet en verre, par application et solidification de couches successives d’un matériau constitutif du verre, dans des emplacements correspondant à la section de l’objet à réaliser dans la couche correspondante, au moyen d’un laser.
La technologie laser est ici utilisée dans le but d’obtenir une fusion sélective et précise du matériau pour former les objets en 3D. Le laser est également particulièrement intéressant pour sa rapidité d’exécution.
Ce dispositif comprend :
- des moyens d’apport du matériau vers un support sur lequel sont formées les couches successives ;
- des moyens de régulation thermique des couches successives pour leur maintien en température pendant la réalisation de l’objet et pour leur refroidissement après la réalisation de l’objet ;
- une unité centrale contrôlant le laser. Le laser produit un faisceau dont la longueur d’onde permet la fusion directe du matériau en son cœur. Par fusion directe du matériau en son cœur, on entend au sens de l’invention qu’aucun vecteur énergétique n’est ajouté au matériau dans le but d’effectuer une fusion en deux étapes, c’est-à-dire de fusionner à l’aide du laser ledit vecteur, par exemple des nanoparticules métalliques, puis de fusionner le verre contenant ce vecteur énergétique par simple conduction thermique. L’invention permet donc une fusion directe d’un verre dont la composition n’inclut pas de matériau dont la seule fonction serait celle d’un vecteur énergétique décrit ci-dessus.
Le verre utilisé selon l’invention peut comprendre un ou plusieurs adjuvent et/ou catalyseur, autre que ceux utilisés comme simple vecteur énergétique.
L’invention se caractérise à titre principal en ce que ledit dispositif d’impression comprend des moyens d’asservissement de la puissance et de la vitesse du laser 8 en temps réel.
Ces moyens d’asservissement sont un atout dans la gestion de la température de l’objet au fur et à mesure de sa création. En effet, ils permettent de contrôler la température de la couche en fusion, en temps réel, en chaque point du motif à réaliser. Si un point n’est pas suffisamment chauffé, alors les moyens d’asservissement le repèrent, et donnent l’instruction au laser de ralentir son trajet pour passer plus de temps sur le point en question, et/ou d’augmenter la puissance du faisceau pour augmenter la température sur ce point précis. Inversement, les moyens d’asservissement peuvent ordonner au laser d’accélérer son trajet ou de diminuer la puissance du faisceau laser, si un point est en surchauffe. Ce contrôle en temps réel permet de diminuer largement la porosité des objets imprimés. En effet, sans ce contrôle, des pores peuvent se former aux endroits où le laser ne passe pas suffisamment de temps, ou n’est pas suffisamment puissant, et la matière n’est pas correctement fondue. La maîtrise de la fusion en tout point de l’objet à imprimer permet d’améliorer l’homogénéité de son état de surface final. Avantageusement, lesdits moyens de régulation thermique sont contrôlés par l’unité centrale et maintiennent les couches de l’objet à une température de maintien comprise entre la température de transition vitreuse du matériau (Tg) moins 100°C et la température de ramollissement du matériau (Tr).
Le verre est un solide non cristallin qui présente une transition vitreuse (Tg). Cette dernière correspond au passage d'un état solide à un état liquide visqueux. La température de transition vitreuse (Tg) qui la caractérise correspond à une plage de température pendant laquelle cette transition se produit. Elle peut être mesurée au début, au milieu ou à la fin de la transition. Dans notre cas, c'est la température à laquelle débute la transition vitreuse qui sera retenue pour la valeur de Tg.
La température de ramollissement (Tr) quant à elle correspond à la température à laquelle le matériau initialement solide commence à ramollir. Elle intervient après le début de la transition vitreuse.
L’idée à la base de l’invention est de trouver le laser adéquat dont le faisceau soit dimensionné pour pénétrer dans l’intégralité de la couche de matière à traiter. En effet, le rayonnement ne doit pas être absorbé dès l’entrée dans la matière. Il doit pouvoir pénétrer dans la matière pour permettre la fusion au cœur de la matière. Le laser doit pouvoir apporter la bonne quantité d’énergie, dans un espace très limité, au bon moment. Il y a fusion de la couche de matière lorsque sa température dépasse la température de transition vitreuse (Tg) de la matière et atteint la température de fusion de la matière.
Avec un laser de longueur d’onde choisie, le taux de pénétration du rayonnement est optimum afin de fusionner le verre et d’éviter des contraintes mécaniques résiduelles induites par des gradients de température trop importants, comme cela sera expliqué ci-après.
La longueur d’onde du laser doit être adaptée au spectre d’absorption du verre. Elle doit se situer dans une gamme de longueur d’onde où le verre est suffisamment absorbant pour atteindre sa température de fusion, tout en limitant la transmission à travers le verre auquel cas le laser traverserait la matière sans qu’il y ait fusion.
De préférence, l’impression est réalisée à l’aide d’un laser dont la longueur d’onde est choisie dans l'infrarouge pour que le faisceau soit absorbé tout au long de son trajet dans la pièce, et dont la puissance optique est réglable.
Dans une configuration préférée de l’invention, le laser utilisé est un laser à cavité CO (Monoxyde de Carbone), de longueur d’onde comprise entre 1 et 12pm et d’une puissance optique réglable jusqu’à 150W.
De façon alternative, l’impression est réalisée à l’aide d’un laser UV (Ultraviolet), présentant d’autres gammes de longueur d’onde adaptées au spectre d’absorption du verre.
La difficulté principale réside dans la régulation de la température de l’objet au fur et à mesure de sa création, couche par couche. La puissance du laser doit être suffisamment élevée pour chauffer les couches de matériau. Cependant, il est nécessaire que le gradient reste faible pour éviter la casse de l’objet pendant sa création, ou après sa création. Par gradient, on entend variation de température dans l’espace.
En l’espèce, lors de la création de l’objet, il s’agit de la différence de température entre le point en fusion et les points adjacents sur les côtés et en-dessous qui ne doivent pas entrer en fusion. Cette différence de température est minime, et doit être gérée avec précision.
Lors du refroidissement de l’objet, il s’agit de la variation de température par exemple entre deux points d’extrémité de l’objet, ou entre un point au cœur de l’objet et un point en superficie. Ce gradient doit être minime, afin que le refroidissement soit homogène au sein de l’objet.
La maîtrise de la température permet de former des pièces 3D en verre à la tenue mécanique suffisante à leur préhension, aux fonctions géométriques complexes et qui peuvent être imbriquées, suivant un modèle informatique 3D prédéfini.
Selon une configuration possible, lesdits moyens de régulation thermique comprennent un système de chauffage du support chauffant la première couche, chaque couche n étant chauffée indirectement par contact avec la couche inférieure n-1. En l’espèce, la première couche de matériau apportée sur le support doit au préalable être chauffée, à une température voisine de la température de transition vitreuse du matériau, afin qu’elle entre en fusion sur le support. Cette première couche constitue le socle de l’objet. Le laser est activé pour finaliser cette fusion.
Puis, la couche d’après est déposée sur la première couche, et est donc préchauffée via le contact avec la première couche à ladite température de maintien, puis le laser est activé pour faire entrer en fusion la zone concernée.
Et ainsi de suite, chaque nouvelle couche est préchauffée par la couche précédente, avant activation du laser.
Le support quant à lui reste toujours chaud, pour garantir la température de maintien générale de l’objet. Au final, la totalité des couches est maintenue en température au fur et à mesure de la création de l’objet. De manière générale, la première couche est traitée thermiquement via le support chauffant pour permettre l’implantation du volume et ensuite chaque couche est additionnée et fusionnée en minimisant les gradients de température d’une épaisseur à l’autre. L’ambiance thermique est maîtrisée dans la plage de température comprise entre la Tg du verre moins 100°C et la température de ramollissement Tr.
Cette limitation du gradient permet à l’objet de le rendre plus résistant, et donc d’améliorer ses propriétés mécaniques à long terme.
De préférence, le support est équipé d’un système de chauffage à induction. Tout autre type de chauffage peut être utilisé.
En alternative ou en supplément, lesdits moyens de régulation thermique comprennent un système de chauffage de l’air ambiant autour de l’objet. Il s’agit par exemple d’un système de chauffage radiatif placé au-dessus de la zone d’impression. Ce système de chauffage permet de chauffer l’objet par le dessus à distance, tandis que le support permet de chauffer l’objet par le dessous en contact direct. En combinant les deux systèmes de chauffage, cela permet d’homogénéiser la température générale de l’objet.
Ce système de chauffage radiatif est fixe par rapport au support. De façon avantageuse, ce système de chauffage radiatif est escamotable. Cela signifie qu’il peut être mobile par rapport au support, afin d’être éloigné ou rapproché de l’objet en cours de création, pour adapter au mieux le maintien en température de l’objet.
Ce système de chauffage radiatif peut avoir un thermostat variable, tout comme le système de chauffage à induction.
Ce double système de chauffage (via le support et via l’environnement) permet d’affiner la température de l’objet en cours de création, afin de limiter au mieux les différences de température entre la partie inférieure et la partie supérieure de l’objet.
Avantageusement, l’objet est créé dans une enceinte thermique formant une chambre à l’intérieur de laquelle la température est homogène et contrôlée. Cette enceinte est isolée de l’extérieur.
Le choix du laser, associé à la limitation du gradient de température, permet de fabriquer des objets en verre, de petite taille, présentant un aspect surfacique dense et lisse, et résistant à long terme. Le faisceau laser est focalisé sur la zone d’impression à l’aide d’une optique convergente. La distance de travail entre le laser et le support d’impression impacte le point de focalisation. L’intensité du faisceau a une forme gaussienne au point d’impact (« beam waist »), ce qui implique que l’intensité reçue à la surface de ce point d’impact est directement liée à la résolution de l’impression.
Le parcours du laser est modélisé en fonction de l’objet à imprimer. Cette modélisation est généralement effectuée via une carte électronique et un logiciel spécifique, faisant partie de l’unité centrale.
De préférence, les moyens d’asservissement comprennent un dispositif de captage et de mesure de luminosité captant et mesurant la lumière produite par au voisinage du point en fusion et transmettant des informations à l’unité centrale. La lumière produite par le point en fusion est captée par le dispositif de captage et de mesure de luminosité, puis analysée par les moyens de traitement, qui envoient ensuite des ordres au laser pour ajuster sa puissance et sa vitesse en conséquence. Ces moyens d’asservissement permettent ainsi d’améliorer l’homogénéité du bain de fusion induit par le laser.
Plus précisément, ce capteur mesure le rayonnement émis par l’objet en train d’être réalisé. En fonction du rayonnement émis par le point en fusion, il est possible d’en déduire la température de l’objet dans la zone de fusion.
Avantageusement, un calibrage du dispositif de captage et de mesure de luminosité est fait avant le début de l’impression.
Selon une configuration possible, le faisceau du laser atteint lesdits emplacements correspondant à la section de l’objet à réaliser dans la couche correspondante, au moyen d’un jeu de miroir(s) orientable(s) commandés par l’unité centrale et déviant les rayons sortants du laser en direction de l’emplacement à viser. Ces miroirs permettent ainsi de balayer l’ensemble de la zone d’impression.
Le laser quant à lui reste fixe.
Les miroirs orientables, donc mobiles, sont placés sur le chemin optique du faisceau laser pour diriger le faisceau aux emplacements prévus selon la modélisation du parcours du laser.
L’orientation des miroirs est commandée par le logiciel et la carte électronique associée, grâce auxquels le parcours du laser est modélisé. De manière générale, tout autre système permettant de diriger le faisceau laser selon les directions x, y et z est approprié dans le cadre de cette invention.
Selon une configuration possible, les moyens d’apport du matériau consistent en un distributeur de poudre de verre apte à déverser une dose de matière sur toute la surface formant le support en phase initiale, puis sur chaque couche fusionnée.
On utilise donc un système de type lit de poudre. Ce système lit de poudre est adapté à la nature abrasive, à la dureté, à la granulométrie de la poudre utilisée, et aux températures employées. Cette poudre est par exemple constituée de billes de verre, chaque bille ayant une dimension inférieure à 100 pm de préférence.
Il peut s’agir de poudre de verre établi, ou bien de poudre dont la composition contient des précurseurs de verre.
La composition du verre utilisé est adaptée aux propriétés recherchées pour l’objet final. Le composant principal du verre peut être la silice. Par exemple, le verre peut être sodocalcique, borocalcique, bioverre, etc. Les propriétés physico-chimiques, thermiques et mécaniques diffèrent selon chaque type de verre. En fonction du type de verre choisi, il est nécessaire d’adapter les paramètres du procédé d’impression : longueur d’onde, densité de puissance, vitesse.
Selon une configuration possible, le support est mobile en translation verticale par rapport à une table de travail horizontale du dispositif, ledit support étant situé au même niveau que la table de travail lors de l’application de la première couche de matériau, puis descend d’un cran après chaque formation de couche, la hauteur d’un cran correspondant à l’épaisseur de la couche formée de manière à ce que l’application suivante de matériau soit effectuée sur un plan de travail situé au même niveau que la table de travail.
En effet, après le traitement d’une couche, le support descend d’une distance prédéfinie correspondant à l’épaisseur d’une couche et le processus se renouvelle pour chaque couche, permettant ainsi l’obtention de la structure complète en 3D de l’objet.
De façon alternative, les moyens d’apport du matériau peuvent consister en un distributeur classique d’un fil de verre, qui se déroule depuis une bobine au fur et à mesure de l’impression.
D’autres moyens d’apport du matériau peuvent être envisagés, du type projection de poudre, ou autre.
L’objet imprimé présente des formes complexes, des formes imbriquées et à contre dépouille.
De préférence, l’objet présente une résolution spatiale inférieure au millimètre. Ces petits objets en verre peuvent être utilisés dans des applications médicales par exemple, en utilisant du verre bioactif pour le biomédical. Ou encore, il est possible de réaliser des canaux en verre de petite dimension pour des applications en micro-fluidique par exemple.
Il est aussi possible d’envisager la réalisation de dépôts de couches minces en verre sur des structures complexes.
Ce dispositif d’impression peut aussi être par exemple utilisé pour réparer des objets en verre, ou encore pour recharger un objet en verre.
Après façonnage, l’objet en verre requiert généralement une recuisson, qui correspond à un maintien en température, à une température qui est caractéristique de la composition du verre utilisé. Après cette recuisson, l’objet en verre requiert un refroidissement progressif selon une courbe dépendant de sa composition et de sa masse. Trop rapide, le refroidissement provoque de fortes tensions dans la matière avec des contractions hétérogènes.
Pour contrôler la température de l’objet lors du refroidissement, le dispositif comporte un capteur de température, du type thermocouple, mesurant la température de l’objet par contact direct. Ce thermocouple envoie ses mesures en temps réel à l’unité centrale, qui envoie des ordres en conséquence aux systèmes de chauffage pour faire en sorte que la température de l’objet lors du refroidissement suive au mieux la courbe du cycle thermique prédéfini.
L’invention concerne également un procédé d’impression pour l’impression d’un objet en verre en trois dimensions au moyen d’un dispositif d’impression tel que décrit précédemment, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
a) vérification de la position du support qui doit se situer au même niveau que celui d’une table de travail ;
b) mise en chauffe du support jusqu’à la température de maintien;
c) application d’une première couche de matériau sur le support;
d) fusion de la première couche du matériau par le laser sous surveillance de moyens d’asservissement du laser ;
e) descente du support d’un cran ; f) application d’une couche supplémentaire de matériau sur la couche précédente ;
g) fusion de la couche supplémentaire du matériau par le laser sous surveillance des moyens d’asservissement du laser ;
h) descente du support d’un cran ;
i) répétition des étapes f) à h) jusqu’à ce que l’objet soit terminé;
j) refroidissement de l’objet selon un diagramme propre au matériau.
Voici des détails techniques supplémentaires concernant l’asservissement.
Lors d’une impression 3D, la zone de fusion aussi appelée bain de fusion se déplace avec le déplacement du faisceau laser. Continuellement, le bain de fusion entre donc en contact avec de la matière réputée plus froide, par exemple les billes de verres, qui vient perturber la fusion.
En effet, sur le front et les pourtours du bain de fusion, des billes de verre dites froides sont présentes et non fusionnées. Elles sont considérées comme perturbatrices et peuvent même occasionner la réflexion ou l’absorption du faisceau laser. A puissance du laser constante, la température du bain de fusion chute de manière importante. Par conséquent, le cordon de fusion n’est pas complètement homogène et cet effet impacte la qualité de l’impression de verre : en particulier l’homogénéité de la fusion ainsi que les propriétés optiques et mécaniques de la pièce produite.
Le dispositif de captage et de mesure de luminosité à la périphérie du bain de fusion, par exemple un capteur optique disposé au-dessus du bain de fusion, permet de calculer de manière synchrone la puissance du faisceau LASER par rapport à l’intensité lumineuse du bain de fusion.
Les moyens d’asservissement consistent en un système de contrôle de luminosité, dont voici le fonctionnement.
Le système de contrôle de luminosité fonctionne en boucle fermée par rapport à une intensité lumineuse désirée et fournit un ajustement de puissance de commande du laser.
Ce système de contrôle de luminosité comporte le dispositif de captage et de mesure de luminosité qui est basé sur le capteur optique, par exemple de type LDR (Light Dépendent Resistor), ainsi qu’une électronique d’instrumentation pour conditionner le signal mesuré. Ce signal mesuré arrive au niveau d’un contrôleur de luminosité, qui appartient à l’unité centrale. Ce contrôleur de luminosité reçoit donc en entrée des signaux lui permettant de connaître l’intensité lumineuse mesurée.
De manière générale, la carte électronique de contrôle de l’imprimante fournit les signaux pour commander le laser, comme expliqué précédemment dans la description. Ces signaux, avant d’aller directement au laser, vont passer par ce même contrôleur de luminosité. Ce dernier reçoit donc également en entrée des signaux lui permettant de connaître l’intensité lumineuse désirée.
Ce contrôleur de luminosité analyse et compare les signaux émis d’une part en provenance du capteur optique, et d’autre part en provenance de la carte de contrôle. En fonction de la différence mesurée entre les signaux, il va ajuster en temps réel la puissance et la vitesse du laser et les commander, afin de contrôler la fusion en cours.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera à l’unique dessin annexé dans lequel :
[Fig.1 ] la figure 1 est une vue schématique d’un dispositif d’impression en trois dimensions d’un objet en verre selon l’invention ;
[Fig.2] la figure 2 représente la fusion par laser de poudre de verre ; [Fig.3] la figure 3 est un schéma du système de contrôle de luminosité.
Description détaillée de l'invention
Le dispositif d’impression tel qu’illustré en figure 1 dispose d’un conteneur 1 ouvert en partie supérieure et comprenant un support 2 mobile en translation verticale. Ce support 2 est destiné à supporter l’objet 3 qui sera formé et définit une zone d’impression.
Ce support 2 est disposé à une certaine hauteur de manière à ce que chaque couche en cours de solidification repose sur un plan de travail 18 intégré dans une surface d’une table de travail 4 présentant une ouverture au niveau du conteneur 1. Le conteneur 1 est disposé sous la table de travail 4, de manière à ce que son rebord supérieur soit à raz de la table de travail 4.
Plus précisément, en phase initiale, le support 2 est disposé à raz de la surface de la table de travail 4. La première couche de l’objet 3 peut être réalisée directement sur le support 2. Puis le support 2 descend d’un cran, correspondant à l’épaisseur de la première couche réalisée. La première couche forme alors un plan de travail qui se retrouve à raz de la surface de la table de travail 4. Puis, la deuxième couche de l’objet 3 peut être réalisée au niveau de ce plan de travail 18. Et ainsi de suite. Un distributeur 7 de poudre de verre 6 est disposé au-dessus de la table de travail 4. Ce distributeur 7 comporte un réservoir rempli de poudre de verre 6, qui est le matériau utilisé pour former l’objet 3 en verre.
Le distributeur 7 déverse initialement une dose de poudre sur la table de travail 4, et en particulier sur le support 2.
Puis, un balai 5 ou un rouleau effectue une passe horizontale sur la table de travail 4 de manière à répartir uniformément la poudre de verre sur le support 2.
Un faisceau laser 15 est alors dirigé vers le support 2 afin de faire entrer la poudre de verre 6 en fusion aux emplacements propres au motif de la première couche de l’objet 3 à former.
Une fois que cette première couche est fusionnée, le support 2 descend d’un cran, et le distributeur 7 déverse une nouvelle dose de poudre de verre 6 sur la table de travail 4, et en particulier sur le plan de travail 18 formé par la couche de poudre de verre 6 précédente.
Le balai 5 effectue sa passe, puis le faisceau laser 15 est à nouveau mis en marche afin de faire entrer la poudre de verre 6 en fusion aux emplacements propres au motif de la seconde couche de l’objet 3 à former.
Une fois que cette seconde couche est fusionnée, le support 2 descend d’un cran, et toutes les opérations ci-dessus sont répétées n fois, jusqu’à ce que l’objet 3 soit réalisé en intégralité. Le support 2 est construit de préférence dans un matériau non isolant thermiquement, par exemple en métal. Le support 2 est mobile en translation verticale par exemple via des vérins.
Sous le support 2, un système de chauffage est mis en place, de manière à ce que le support 2 soit chauffé et atteigne une température prédéfinie. Dans cet exemple, il s’agit d’un dispositif à induction 14. La température prédéfinie doit être voisine à la température de transition vitreuse de la poudre de verre 6, afin que la poudre 6 soit chauffée et commence à entrer en fusion via le support 2.
Un deuxième système de chauffage est mis en place, cette fois au- dessus de la table de travail 4, c’est-à-dire au-dessus du support 2, de manière à chauffer la couche supérieure de l’objet 3 en cours de réalisation. Cela permet de diminuer la différence de température potentielle qu’il pourrait y avoir entre la couche inférieure de l’objet 3 et la couche supérieure de l’objet. Dans cet exemple, il s’agit d’un chauffage radiatif 11 escamotable.
Ces systèmes de chauffage permettent de conserver l’objet en cours de création à une température de maintien comprise entre la température de transition vitreuse du verre moins 100°C et la température de ramollissement du verre. Une telle température de maintien permet de limiter le gradient de température entre le point en fusion et les points adjacents. Elle permet également le limiter le gradient de température lors du refroidissement contrôlé de l’objet après sa création.
Afin d’obtenir une température homogène à l’intérieur de l’objet 3 en cours de création et à l’extérieur, le support 2, la table de travail 4, le distributeur 7 et les différents systèmes de chauffage 14,11 peuvent être positionnés au sein d’une enceinte thermique 17, donc isolée de l’extérieur. Cette enceinte 17 définit une chambre dans laquelle la température est homogène en tout point. L’environnement dans lequel se construit l’objet 3 est ainsi homogène d’un point de vue thermique, et cela permet de préchauffer chaque lit de poudre, et chaque nouvelle strate de l’objet 3, au fur et à mesure de sa création, à la température de maintien souhaitée. Le laser 8 quant à lui est disposé en dehors de l’enceinte 17, puisqu’il n’est pas conçu pour résister à de telles températures.
Le laser 8 est disposé au-dessus de l’enceinte 17, et il émet un faisceau 15 dont le chemin optique est redirigé vers le support 2, via un miroir 10 orientable. Les différentes orientations du miroir 10 permettent au faisceau 15 de suivre un trajet précis sur la couche de poudre de manière à réaliser une section de l’objet 3.
En effet, l’objet 3 a été au préalable modélisé via un logiciel, et une unité centrale (carte électronique) commande les mouvements du miroir 10 afin que le faisceau 15 suive le trajet prévu dans la modélisation.
Le faisceau 15 passe à travers une vitre 16 spécifique prévue dans la paroi supérieure de l’enceinte 17. Cette vitre 16 peut consister en une lentille 16 qui permet au faisceau 15 de converger vers un point précis au niveau du plan de travail 18.
L’unité centrale 9 commande également les mouvements du balai 5 et du support 2.
En sus, des moyens d’asservissement de la puissance et de la vitesse du laser sont mis en place. Ils comprennent un capteur optique 12 captant la lumière produite par le point en fusion. Ce capteur 12 est positionné au-dessus du support 2, et vise la zone où est créé l’objet 3. Ce capteur optique 12 envoie les informations à l’unité centrale 9, qui les traite, et qui ajuste alors en temps réel la puissance du laser 8 et sa vitesse, pour que la fusion soit optimale en tout point de l’objet 3 en cours de création.
Une fois que l’objet 3 est créé, il doit être refroidi d’une certaine manière, afin d’éviter sa fragilisation au moment du refroidissement. Le refroidissement de l’objet 3 est prédéfini, et suit une courbe de température spécifique, avec ou sans paliers, selon la composition du verre utilisé.
Pour se faire, le dispositif comporte par exemple un thermocouple 13 qui vient se positionner au contact de l’objet 3 et qui mesure la température de l’objet 3 au cours du refroidissement. Ce thermocouple 13 envoie la température mesurée à l’unité centrale 9, qui ajuste alors en temps réel les différents systèmes de chauffage 14, 11 afin de réguler la température au sein de l’enceinte 17 et au sein de l’objet 3, de manière à ce qu’elle suive la courbe imposée.
II est également possible de recuire l’objet 3, également selon une courbe de température prédéfinie, de manière à renforcer ses propriétés mécaniques. Cette recuisson est permise via les systèmes de chauffage 14, 11, et est contrôlée par l’unité centrale 9 et le thermocouple 13.
Exemple d’impression 3D selon l’invention
Le dispositif d’impression 3D selon l’invention a permis de réaliser des objets 3D avec les paramètres suivants :
- utilisation de verre silico-sodocalcique en micro-billes
- granulométrie comprise entre 100pm et 200pm
- température de transition vitreuse Tg du verre supérieure à 500°C
- température de ramollissement du verre Tr autour de 600°C
- maintien en température à 550°C
- intervalle entre chaque couche réglé à 0.6mm : cet intervalle correspond à l’épaisseur d’une couche pour l’objet 3 et à la hauteur d’un cran pour le support 2
- intervalle entre chaque ligne de passage du laser sur le plan d’impression réglé à 0.7mm
- vitesse d’impression du laser de 15mm/s
- puissance du faisceau laser de 1.6W
- type de laser : laser CO
- longueur d’onde du laser : de 5,6 à 6,2 pm
- lentille convergente en ZnSe disposée sur le chemin optique du faisceau laser
- contrôle via une carte électronique de type minitronics v1.1 avec un logiciel embarqué
- palier de maintien de température à 550°C, puis descente lente en température
La figure 2 représente la fusion par laser de poudre de verre. La poudre de verre 6 de la figure 1 est ici représentée en une première couche épaisse, afin d’améliorer la clarté du schéma, avec des zone de poudre froide 20, et des zones chaudes 21-22-23. Le faisceau 15 du laser pointe sur la surface supérieure de cette couche de poudre de verre, et se déplace progressivement de la gauche vers la droite, selon la grande flèche horizontale. Vers la gauche, du verre est déjà fusionné, et solide. Plus on approche le point de fusion 23 sur la droite, plus le verre est chaud. Cette montée en température est illustrée par les petits points. Plus il y a de points, plus la température est élevée. On remarque un bain 22 de fusion autour du point de fusion 23. Lors de l’impression 3D, le bain de fusion 22 se déplace avec le déplacement du faisceau laser 15. Il en est de même pour le point de fusion 23.
Il existe une zone 25 de contact entre le verre chaud du bain 22 et la poudre de verre froide 20. Continuellement, le bain de fusion 22 entre donc en contact avec des billes de verre froides 20, qui viennent perturber la fusion. En effet, sur le front et les pourtours du bain de fusion 22, les billes de verre 20 dites froides sont présentes et non fusionnées. Elles sont considérées comme perturbatrices et peuvent occasionner la réflexion ou l’absorption du faisceau laser 15, comme illustré par les petites flèches obliques.
La chaleur émanant du point de fusion 23 est captée par un dispositif 12 de captage et de mesure de luminosité à la périphérie du bain de fusion. Ce dispositif 12 correspond par exemple au capteur optique. Il est disposé au-dessus du bain 22 de fusion et légèrement en amont du faisceau laser 15, de manière à pointer vers chaque nouvelle zone en fusion à chaque fois que le faisceau 15 avance. Il pointe précisément vers le front du bain de fusion 22, qui correspond ici au côté droit du bain de fusion 22, et qui correspond également au front du point de fusion 23, puisque c’est également là que les réflexions du laser peuvent se produire et perturber la fusion. Il est donc primordial de connaître précisément la température à cet endroit, pour pouvoir ensuite ajuster les paramètres du laser jusqu’à obtenir la température souhaitée dans le programme. La zone qui entre en fusion prend une certaine couleur avec une certaine intensité lumineuse en fonction de sa température. Le capteur capte l’intensité lumineuse émise par le bain de fusion, de manière à pouvoir en déduire la température réelle. La figure 3 illustre schématiquement l’asservissement du laser.
Le dispositif 12 de captage et de mesure de luminosité capte la lumière émise par le front du point de fusion 23. Il envoie ce signal (a) de lumière à une électronique 26 d’instrumentation pour conditionner le signal mesuré. Cette électronique 26 permet de convertir ce signal en une donnée (b) de luminosité mesurée, et l’envoie à un contrôleur de luminosité 28 qui appartient à l’unité centrale 9.
En parallèle, la carte électronique de contrôle 27 de l’imprimante fournit des données (c) au contrôleur de luminosité 28 pour commander le laser 8. En particulier, elle envoie une donnée d’intensité lumineuse désirée, qui est fonction d’une température désirée au front du bain 22 de fusion. Ce contrôleur de luminosité 28 analyse et compare les données d’entrée (b) et (c) émis d’une part en provenance du capteur optique 12, et d’autre part en provenance de la carte de contrôle 27. En fonction de la différence mesurée entre les données, il va ajuster en temps réel la puissance du faisceau 15 et la vitesse (d) du laser 8 et les commander en sortie, afin de contrôler la fusion en cours, de manière à ce que l’intensité lumineuse mesurée soit au plus proche de l’intensité lumineuse désirée, c’est-à-dire que la température mesurée soit au plus proche de la température désirée.
Le laser 8 envoie donc son faisceau 15 avec une puissance et une vitesse contrôlée en temps réel.
Le système de contrôle de luminosité fonctionne en boucle fermée par rapport à une intensité lumineuse désirée (c’est-à-dire une température désirée) et fournit un ajustement de puissance et de vitesse de commande du laser 8.
Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l’invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l’homme de l’art.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d’impression en trois dimensions d’un objet (3) en verre, par application et solidification de couches successives d’un matériau constitutif du verre, dans des emplacements correspondant à la section de l’objet (3) à réaliser dans la couche correspondante, au moyen d’un laser (8), ledit dispositif comprenant :
- des moyens d’apport du matériau vers un support (2) sur lequel sont formées les couches successives;
- des moyens de régulation thermique des couches successives pour leur maintien en température pendant la réalisation de l’objet (3) et pour leur refroidissement après la réalisation de l’objet (3);
- une unité centrale (9) contrôlant le laser ;
ledit laser (8) produisant un faisceau (15) dont la longueur d’onde permet la fusion directe du matériau en son cœur, ledit dispositif d’impression étant caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’asservissement de la puissance et de la vitesse du laser (8) en temps réel.
2. Dispositif d’impression selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation thermique sont contrôlés par l’unité centrale et maintiennent les couches de l’objet (3) à une température de maintien comprise entre la température de transition vitreuse du matériau (Tg) moins 100°C et la température de ramollissement du matériau (Tr).
3. Dispositif d’impression selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation thermique comprennent un système de chauffage (14) du support (2) chauffant la première couche, chaque couche n étant chauffée par contact avec la couche inférieure n-1.
4. Dispositif d’impression selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation thermique comprennent un système de chauffage (11) de l’air ambiant autour de l’objet (3).
5. Dispositif d’impression selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens d’asservissement comprennent un dispositif de captage et de mesure de luminosité (12) captant et mesurant la lumière produite au voisinage du point en fusion et transmettant des informations à l’unité centrale (9).
6. Dispositif d’impression selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau (15) du laser (8) atteint lesdits emplacements correspondant à la section de l’objet (3) à réaliser dans la couche correspondante, au moyen d’un jeu de miroir(s) (10) orientable(s) commandé(s) par l’unité centrale (9) et déviant les rayons sortants du laser (8) en direction de l’emplacement à viser.
7. Dispositif d’impression selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d’apport du matériau consistent en un distributeur (7) de poudre de verre (6) apte à déverser une dose de matière (6) sur toute la surface formant le support (2) en phase initiale puis sur chaque couche fusionnée.
8. Dispositif d’impression selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (2) est mobile en translation verticale par rapport à une table de travail (4) horizontale du dispositif, ledit support (2) étant situé au même niveau que la table de travail (4) lors de l’application de la première couche de matériau, puis descend d’un cran après chaque formation de couche, la hauteur d’un cran correspondant à l’épaisseur de la couche formée de manière à ce que l’application suivante de matériau soit effectuée sur un plan de travail (18) situé au même niveau que la table de travail (4).
9. Dispositif d’impression selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’objet (3) présente une résolution spatiale inférieure au millimètre.
10. Dispositif d’impression selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser est du type laser dont la longueur d’onde est choisie dans l'infrarouge ou l'UV pour que le faisceau soit absorbé tout au long de son trajet dans la pièce.
11. Dispositif d’impression selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le laser est du type laser CO dont la longueur d’onde est comprise entre 1 et 12 pm.
12. Procédé d’impression pour l’impression d’un objet 3 en verre en trois dimensions au moyen d’un dispositif d’impression tel que décrit dans la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : a) vérification de la position du support (2) qui doit se situer au même niveau que celui d’une table de travail (4) ;
b) mise en chauffe du support (2) jusqu’à la température de maintien ; c) application d’une première couche de matériau sur le support (2) ; d) fusion de la première couche du matériau par le laser (8) sous surveillance des moyens d’asservissement du laser (8) ;
e) descente du support (2) d’un cran ;
f) application d’une couche supplémentaire de matériau sur la couche précédente ;
g) fusion de la couche supplémentaire du matériau par le laser (8) sous surveillance des moyens d’asservissement du laser (8) ;
h) descente du support (2) d’un cran ;
i) répétition des étapes f) à h) jusqu’à ce que l’objet (3) soit terminé ; j) refroidissement de l’objet (3) selon un diagramme propre au matériau.
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