EP4549033A1 - Dispositif d'enduction d'une couche mince, par exemple pour électrode de pile à combustible - Google Patents

Dispositif d'enduction d'une couche mince, par exemple pour électrode de pile à combustible Download PDF

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EP4549033A1
EP4549033A1 EP24210484.2A EP24210484A EP4549033A1 EP 4549033 A1 EP4549033 A1 EP 4549033A1 EP 24210484 A EP24210484 A EP 24210484A EP 4549033 A1 EP4549033 A1 EP 4549033A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
wedge
base
substrate
centering opening
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
EP24210484.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Armelle FABULET
Jean-François BLACHOT
Marie Heitzmann
Clémence MARTY
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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 Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4549033A1 publication Critical patent/EP4549033A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C11/00—Component parts, details or accessories not specifically provided for in groups B05C1/00 - B05C9/00
    • B05C11/02—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface
    • B05C11/04—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface with blades
    • B05C11/041—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface with blades characterised by means for positioning, loading, or deforming the blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C11/00—Component parts, details or accessories not specifically provided for in groups B05C1/00 - B05C9/00
    • B05C11/02—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface
    • B05C11/04—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface with blades
    • B05C11/044—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface with blades characterised by means for holding the blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C3/00—Apparatus in which the work is brought into contact with a bulk quantity of liquid or other fluent material
    • B05C3/18—Apparatus in which the work is brought into contact with a bulk quantity of liquid or other fluent material only one side of the work coming into contact with the liquid or other fluent material

Definitions

  • the present invention relates to the field of devices and methods for coating a layer of material. It particularly concerns the deposition of thin layers. It finds a particularly advantageous application in the field of fuel cells, in particular proton exchange membrane (PEM) fuel cells.
  • PEM proton exchange membrane
  • the electrodes used in this type of cell are in fact coated with a thin layer of catalytic ink, for example platinum-based.
  • Coating deposition techniques constitute a less expensive and easily industrializable alternative.
  • the principle of coating deposition is as follows: a device, commonly called a knife, is moved over the substrate in order to draw and distribute a solution of interest over the substrate. The film thus formed then dries and forms a continuous deposit.
  • a first solution is presented in the document EP0311742 B1 This solution is based on the use of a scraper element made of magnetizable material held by magnetic force to a support containing a magnet.
  • the document EP2705542 A1 presents a second solution in which a copper and indium-based ink dispensed from a distribution reservoir is spread onto a substrate using a doctor blade. This document provides for the integration of means for controlling the temperature of the ink at the distribution reservoir, the doctor blade and the substrate in order to control the viscosity of the ink and therefore the coating on the substrate as well as the thickness of the deposited film.
  • a third solution is based on the use of a blade fixed to a base and whose height relative to the substrate is adjusted using micrometric screws. This possibility of adjustment is thus supposed to make it possible to control the thickness of the layer deposited on the substrate.
  • An objective of the present invention is therefore to propose a solution making it possible to deposit a layer of material on a substrate while precisely controlling the thickness of the latter, in particular when this thickness is low.
  • a first aspect of the invention relates to a device for depositing by coating a layer of a coating material on a substrate, comprising a base having a contact surface intended to be oriented facing the substrate, and preferably to come into contact with the substrate, and having a support surface intended to be oriented facing the substrate, a blade removably mounted on the base and having a doctor surface intended to be oriented facing the substrate and configured to define a space for depositing the coating material between the doctor surface and the substrate.
  • the device further advantageously comprises a shim configured to be removably mounted on the base between the blade and the support surface.
  • clamping means capable of cooperating with the wedge and the blade to hold the blade against the wedge and the wedge against the bearing surface so as to hold the scraper surface at a reference distance d relative to the bearing surface, the reference distance d being measured in a direction perpendicular to the bearing surface, called the vertical direction.
  • the reference distance d between the support surface and the scraper surface is thus a function of the height of the shim in the vertical direction. This height determines the thickness of the layer of material that can be deposited on the substrate using the device. By setting the appropriate shim height, the desired layer thickness is obtained. Furthermore, by changing the shim to vary the height of the shim used while keeping a blade and base of the same height, the thickness of the deposited layer can be modified.
  • the accuracy of the layer thickness is ensured by the accuracy of the height of the shim and by the ease of clamping the blade and the shim against the support surface.
  • current manufacturing techniques allow low manufacturing tolerances to produce shims with very precise dimensions: the error on this parameter is therefore very low.
  • the user simply has to tighten the clamping means to the maximum, without worrying about any clamping precision.
  • the error on this parameter is low.
  • the overall error on the reference distance d and therefore on the thickness of the deposited layer is therefore very low.
  • the assembly is very rigid and defines a very precise and little variable space with the substrate.
  • the precision of the thickness of the deposited layer does not depend on the precision of the positioning by the user of the blade by means of clamping screws. Thanks to the rigidity of the assembly provided by the shim, the error in the thickness and the variations in the thickness due to the movements of the blade in the vertical direction under the effect of time and the viscosity of the deposited material are limited or even eliminated. In particular, the entirety of a reaction force exerted by the coating material on the blade - preferably vertically - is transmitted to the base by means of the shim.
  • the device according to the invention is compact and easy to clean. Its geometry is also stable over time, which allows good reproducibility of deposits.
  • the present invention provides a solution for depositing a layer of material by precisely controlling its thickness. This solution makes it possible to precisely deposit thin layers. It also allows for layers with a very uniform thickness.
  • the present invention makes it possible to produce fine and very homogeneous deposits of catalytic ink on a membrane, a gas diffusion layer or an intermediate substrate used in the composition of these cells, which results in a significant improvement in the performance of the cells.
  • reducing the inhomogeneity of the thickness of the catalytic ink layer makes it possible to reduce the inhomogeneities of the electrical performances within the same cell. A more homogeneous operation of the cell is therefore enabled by the invention.
  • the invention also makes it possible to authorize very fine deposits of catalytic ink, which makes it possible to reduce the electrical resistance of the electrodes or catalytic layers and therefore again to improve the performance of the cells.
  • the reduction of deposit inhomogeneity and the possibility of producing thin deposits also make it possible to reduce the quantity of material consumed, which is particularly advantageous in this field, as catalytic inks are typically based on platinum, a rare and expensive material.
  • a second aspect of the invention relates to a system for depositing by coating a layer of a material on a substrate
  • a device according to the first aspect of the invention a reservoir intended to contain the material and an actuating arm, the base of the device being mounted on the actuating arm, the system being configured to pour the coating material onto the substrate upstream of the blade in an intended direction of advance of the blade.
  • the clamping means comprise a screw having an external thread and the blade having a thread, the external thread and the thread being able to cooperate to hold the blade against the wedge, the wedge having a hole allowing the passage and free rotation of the screw.
  • the blade has two main faces extending mainly along a transverse plane defined by a transverse direction and the vertical direction, the wedge having a width L 200 along the transverse direction and the blade having a width L 300 along the transverse direction, with L 200 ⁇ 0.5*L 300 , preferably L 200 ⁇ 0.6*L 300 , preferably L 200 ⁇ 0.8*L 300 , and preferably L 200 ⁇ 0.9*L 300 .
  • L 200 and L 300 are substantially equal to the internal width of the base L 100 which will be defined further on, to within a tolerance allowing the insertion of the wedge and the blade between the sides of the base.
  • the centering element extends mainly in the vertical direction, in which the base, the wedge and the blade respectively have a first centering opening, a second centering opening and a third centering opening, the first centering opening and the second centering opening being through in the vertical direction in the base and in the wedge respectively, the first centering opening, the second centering opening and the third centering opening being continuous with each other in the vertical direction when the wedge and the blade are mounted on the base, the centering element being intended to be inserted into the first centering opening, into the second centering opening and into the third centering opening when the wedge and the blade are mounted on the base.
  • the device comprises a secondary centering element extending mainly in the vertical direction, in which the base, the wedge and the blade respectively have a first secondary centering opening, a second secondary centering opening and a third secondary centering opening, the first secondary centering opening and the second secondary centering opening being through in the vertical direction in the base and in the wedge respectively, the first secondary centering opening, the second secondary centering opening and the third secondary centering opening being continuous with each other in the vertical direction when the wedge and the blade are mounted on the base, the secondary centering element being intended to be inserted into the first secondary centering opening, into the second secondary centering opening and into the third secondary centering opening when the wedge and the blade are mounted on the base.
  • the base has two main sides, each having a slide, each slide being capable of receiving and guiding the blade in translation in the vertical direction.
  • the shim has a height h 200 measured in the vertical direction when the shim is mounted on the base, with h 200 ⁇ 3 mm, preferably h 200 ⁇ 4 mm, preferably h 200 ⁇ 5 mm.
  • the shim is made of stainless steel.
  • the coating material is a catalytic ink.
  • catalytic ink is meant in particular an ink comprising at least one supported catalyst, an ionomer and a solvent.
  • the supported catalyst may be a carbon compound, for example of the graphitic type, supporting platinum (Pt) nanoparticles; the ionomer is a perfluorosulfonic acid and the solvent may comprise an alcohol such as ethanol and optionally water.
  • the substrate is chosen from a proton exchange membrane, for example made of a perfluorosulfonic acid polymer such as Nafion (marketed by DuPont) or Aquivion ® (marketed by Solvay), and a gas diffusion layer, generally made of a carbon fiber support.
  • a proton exchange membrane for example made of a perfluorosulfonic acid polymer such as Nafion (marketed by DuPont) or Aquivion ® (marketed by Solvay)
  • a gas diffusion layer generally made of a carbon fiber support.
  • the device does not include an additional element such as an elastic element, a spring or a continuous adjustment element, for example by rotation, in the chain transmitting forces between the blade and the wedge.
  • an additional element such as an elastic element, a spring or a continuous adjustment element, for example by rotation, in the chain transmitting forces between the blade and the wedge.
  • a direction substantially normal to a plane means a direction presenting an angle of 90 ⁇ 10° with respect to the plane.
  • a reference frame whose longitudinal direction corresponds to the Y axis, whose transverse direction corresponds to the X axis and whose vertical direction corresponds to the Z axis.
  • the horizontal plane referred to in the figures corresponds to the plane defined by the X and Y axes.
  • the plane formed by the X and Z axes is called the transverse plane.
  • the plane formed by the Y and Z axes is called the longitudinal plane.
  • the device 1 is intended to be used on a substrate 10.
  • This substrate 10 has an upper face 11 intended to be coated.
  • This upper face 11 extends mainly along a horizontal plane XY defined by a first direction X, also designated transverse dimension X, and a second direction Y, also designated longitudinal direction Y.
  • the vertical direction Z is also defined, perpendicular to the horizontal plane XY and therefore to the upper face 11 of the substrate 10.
  • the direction Y corresponds, when using the device 1, to the direction of movement of the device 1 on the substrate 10.
  • the device 1 firstly comprises a base 100.
  • the base 100 typically comprises two main flanks 110, 120 and a central portion 130.
  • the main flanks 110, 120 both have main faces extending parallel to a longitudinal plane YZ defined by the longitudinal direction Y and the vertical direction Z.
  • the central portion 130 connects the main flanks 110, 120. It has an upper face 132 and a lower face 131 opposite each other, the lower face 131 being intended to be placed opposite the substrate 10. These two faces 131, 132 extend parallel to the horizontal plane XY.
  • the base 100 has an internal width L100 measured along the transverse direction X between the two main flanks 110, 120 of the base.
  • L100 is greater than 5 cm.
  • L100 is preferably less than 30 cm.
  • the base 100 may be a single piece. Its two main sides 110, 120 and its central portion 130 are then all in one piece.
  • the base 100 may also be made up of separate elements fixed to each other, in particular the sides 110, 120 and the central portion 130, as illustrated in the Figures 1B And 2C in particular.
  • the Figure 2C depicts how attachment means may be arranged to hold the central portion 130 and a main flank 120 of the base 100 together.
  • the base 100 has a bearing surface 101 oriented opposite the substrate 10.
  • the bearing surface 101 typically corresponds to the lower face 131 of the central portion 130.
  • the base 100 also has a contact surface 102 typically corresponding to the lower faces of the main flanks 110, 120 of the base 100.
  • the contact surface 102 can be placed in contact with the substrate 10 or simply be placed opposite it.
  • the device 1 further comprises a wedge 200 intended to be mounted on the base 100.
  • the wedge 200 typically has the shape of a rectangular parallelepiped. It has an upper face 202 and a lower face 201 opposite each other and extending mainly, when the wedge 200 is mounted on the base 100, parallel to the horizontal plane XY.
  • the wedge 200 has a height h 200 in the vertical direction Z, a width L200 in the transverse direction X and a thickness e200 in the longitudinal direction Y. These dimensions are notably marked on the Figures 1B And 3A .
  • the shim 200 is preferably made of stainless steel. Generally, the shim 200 is preferably made of a material having high mechanical resistance. This material is preferably inert with respect to the material to be deposited.
  • the wedge 200 When mounted on the base 100, the wedge 200 extends between the main flanks 110, 120 of the latter.
  • the wedge 200 is intended to be held against the bearing surface 101 of the base 100. Its upper face 202 is then in contact with the bearing surface 101.
  • the device 1 further comprises a blade 300. It too is intended to be mounted on the base 100.
  • the blade 300 has an upper face 302 and a lower face 301 opposite each other. Its lower face 301 is also designated doctor surface 301. Its upper face 302 extends mainly, when the blade 300 is mounted on the base 100, parallel to the horizontal plane XY. Its doctor surface 301 preferably does not extend in a plane parallel to the horizontal plane XY. It preferably forms an angle ⁇ , also designated inclination, with the vertical direction Z, with ⁇ between 30° and 70°, for example approximately 45°.
  • the blade 300 thus has a beveled shape facing the substrate 10.
  • the blade 300 has two main faces 310, 320 extending mainly parallel to a transverse plane XZ defined by the transverse direction X and by the vertical direction Z.
  • the blade 300 has a height h 300 in the vertical direction Z, a width L300 in the transverse direction X and a thickness e300 in the longitudinal direction Y. These dimensions are notably marked on the Figures 1B And 3A .
  • e300 is typically between 5 and 10 mm, for example approximately equal to 8 mm.
  • the 300 blade is preferably made of stainless steel.
  • the blade 300 When mounted on the base 100, the blade 300 extends between the main flanks 110, 120 of the latter.
  • the blade 300 is intended to be held against the wedge 200.
  • the blade 300 is in direct contact with the wedge 200.
  • Its upper face 302 is then in contact with the lower face 201 of the wedge 200.
  • Its scraper surface 301 is located opposite the upper face 11 of the substrate 10.
  • the device 1 further comprises clamping means 400 typically taking the shape of at least one screw 400, preferably exactly one screw 400.
  • the screw 400 has an external thread 410.
  • the clamping means 400 are configured to be able to cooperate with the base 100, the wedge 200 and the blade 300 so as to hold the wedge 200 against the bearing surface 101 of the base 100 and the blade 300 against the wedge 200.
  • the base 100 and the wedge 200 may respectively have a first clamping hole 140 and a second clamping hole 240, both allowing the screw 400 to pass freely.
  • These holes 140, 240 allow the screw 400 to rotate freely. Their diameter is therefore greater than the thread of the screw 400.
  • These clamping holes 140, 240 thus pass through in the vertical direction Z in the base 100 and in the wedge 200, respectively. They preferably have a smooth internal flank.
  • a third clamping hole 340 is provided in the blade 300. This hole 340 has an internal flank forming a thread complementary to the thread of the screw 400. This hole is blind, it does not pass through in the vertical direction Z. It therefore does not open onto the scraping surface 301. This makes it possible to prevent the scraping surface 301 from having one or more discontinuities and to prevent the deposition of the layer from being done in a non-uniform manner.
  • the screw 400 can thus be inserted into the first and second clamping holes 140, 240 and then be screwed into the blade 300 by cooperation of its external thread with the tapping of the third clamping hole 340.
  • Figures 2B And 3B represent the screw 400 once inserted into the first clamping hole 140 and into the second clamping hole 240 and screwed into the third clamping hole 340.
  • the screw 400 has a distal end formed by the end of its threaded rod. It also has a head intended to be manipulated by a user, preferably manually, or with a tool.
  • the screw 400 forms, for example at its head, a stop configured to come into contact with the base 100 when the screw 400 is inserted into the blade 300 so that the rotation of the screw 400 by the user causes the blade 300 to rise towards the wedge 200 and the base 100.
  • the height h 340 of the third clamping hole 340, the length of the screw 400 and the extent of the external thread on the screw 400 are configured to allow screwing until the blade 300 is pressed against the wedge 200 and the wedge 200 is pressed against the bearing surface 101.
  • the screw has a role of tightening screw to press the blade 300 against the wedge 200, and by means of the wedge 200, against the support surface 101 of the base 100. Unlike the screw present in the third solution described in the introductory part, this screw does not have a positioning role. The positioning of the scraper surface 301 is therefore possibly linked to a very small potential error in the tightening of the tightening means 400, but not to a positioning error of a micrometric screw as is the case in the third solution.
  • the doctor blade surface 301 is at a reference distance d with the bearing surface 101 and defines a deposition space for the coating material with the upper face 11 of the substrate 10.
  • This deposition space is noted e. It is notably marked on the Figures 2B , 3A And 3B .
  • the e-space is typically between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the height h 200 of a shim is typically between 3 mm and 10 mm. Preferably, h 200 is greater than or equal to 4 mm. The fact that the shim 200 has a height greater than or equal to 3 mm or even greater than this value makes it possible to give it good rigidity, which is very advantageous in the context of the invention since the precision over the space e is improved.
  • a single shim is used to obtain the desired reference distance d and space e.
  • using a single shim 200 allows the error on the distance d, corresponding to the inevitable manufacturing tolerances, to correspond only to the sum of the manufacturing error on h 200 , the manufacturing error on h 300 and the error on the tightening.
  • the simultaneous use of several shims induces other errors, those on the manufacture of the additional shims.
  • the overall error is therefore greater than when a single shim is used. It is therefore preferable to use a set of shims to adapt the thickness that one wishes to deposit, while using a single shim for each deposit.
  • the space e is defined between the upper face 11 of the substrate 10 and the plane of the blade 300 closest to the upper face 11 of the substrate 10.
  • e is defined at only one edge of the doctor blade surface 301.
  • the device 1 further comprises at least one centering element 500, and preferably a second centering element referred to as a secondary centering element 500'.
  • These centering elements 500, 500' have the function of correctly positioning the wedge 200, the blade 300 and the base 100 relative to each other. They also make it possible to prevent any rotation of the blade 300 and/or the wedge 200 around an axis parallel to the vertical direction Z. They prevent any movement of the wedge 200 and the blade 300 in a direction other than the vertical direction Z. In particular, when they are mounted on the base 100, the wedge 200 and the blade 300 cannot move in the X and Y directions.
  • the centering elements 500, 500' thus make it possible both to guarantee the correct positioning of the wedge 200 and the blade 300 when they are mounted on the base 100 but also to ensure a good level of rigidity of the assembly. They also facilitate the mounting of the device 1.
  • the centering elements 500, 500' preferably each extend in the vertical direction Z. Openings are provided in the base 100, the wedge 200 and the blade 300 to cooperate with the centering elements 500, 500'.
  • a first centering opening 150, 150', a second centering opening 250, 250' and a third centering opening 350, 350' are provided respectively in the base 100, the wedge 200 and the blade 300.
  • the openings 150', 250', 350' associated with the secondary centering element 500' may also be described as secondary.
  • the first centering openings 150, 150' and the second centering openings 250, 250' are through-holes in the vertical direction Z.
  • centering openings 150, 150', 250, 250', 350, 350' each preferably have a smooth internal flank. Their diameters, preferably all identical, and taking into account manufacturing tolerances, allow the centering elements 500, 500' to slide within them.
  • the third centering openings 350, 350' are preferably blind, they are not through in the vertical direction Z. They therefore do not open onto the scraping surface 301. This makes it possible to prevent the scraping surface 301 from having one or more discontinuities and the deposition of the layer from being done in a non-uniform manner.
  • the third centering openings 350, 350' also preferably have a smooth internal flank.
  • Figures 1A And 2B represent the centering elements 500, 500' once inserted into the centering openings 150, 150', 250, 250', 350, 350'.
  • the device 1 comprises at least two centering elements 500, 500', preferably exactly two. These two centering elements are preferably arranged on either side of the screw 400, as is illustrated in particular in the Figures 1B , 2A And 2B
  • the centering elements 500, 500' and the screw 400 are advantageously aligned in the transverse direction X.
  • the main flanks 110, 120 of the base 100 each have a slide in which the blade 300 and possibly also the wedge 200 can be inserted and slide.
  • Such slides make it possible to guide the wedge 200 and the blade 300 in translation in the vertical direction Z and thus facilitate the assembly of the device 1. They can also make it possible to improve the maintenance of the wedge 200 and, more importantly, of the blade 300 by avoiding any movement of the latter in the longitudinal direction Y, in particular when moving the device 1 above the substrate 10 during its use.
  • the slides can thus be used as a replacement for the centering elements 500, 500' or in combination with the latter.
  • the wedge 200 and the blade 300 are fitted together by guidance in the slides of the sides 110, 120 of the base 100.
  • the latter When using the device 1, the latter is moved relative to the substrate 10 in the longitudinal direction Y, in a given direction of advance.
  • the material may be poured onto the substrate from a reservoir containing said material. It is understood that the material may also be manually deposited onto the substrate 10. In both cases, the material is poured upstream of the blade 300 in the longitudinal direction Y and the direction of advance of the blade 300, and more generally of the device 1.
  • the doctor blade surface 301 is preferably oriented towards the side of the blade 300 where the material is poured. This allows good coating of the material on the upper face 11 of the substrate 10.
  • a second subject of the invention relates to a coating deposition system comprising the device according to the invention.
  • the system further comprises a reservoir intended to contain the material to be deposited on the substrate 10.
  • the system may for example be configured to pour the material to be deposited so that it flows against the main face 320 of the blade 300 opposite which the material is poured before arriving on the upper face 11 of the substrate 10.
  • the system further comprises an actuating arm to which the device 1 is fixed or against which the device 1 comes into abutment during use of the system.
  • This actuating arm can in particular make it possible to move the device 1 according to the direction and the direction of advance.
  • the actuating arm can be configured so as to move the device at several distinct speeds.
  • the speed of movement of the device will then be chosen according to different parameters such as the nature of the material to be deposited, in particular its viscosity, and the nature of the substrate 10.
  • a third object of the invention relates to a method of depositing by coating a layer of material on a substrate using the system described previously.
  • a first step of this process consists of pouring the material to be deposited from the reservoir onto the upper face 11 of the substrate 10.
  • a second step of this method consists of moving the actuating arm relative to the upper face 11 of the substrate 10. This movement is done so that the space e remains constant. The relative translation of the device 1 relative to the substrate 10 is therefore done parallel to the upper face 11 of the substrate 10.
  • the substrate 10 remains stationary and the device 1 is moved by the actuating arm.
  • the device 1 remains stationary and the substrate 10 is moved.
  • the scraper surface 301 comes into contact with the material to be coated, spreads it on the substrate 10 and forms a layer whose thickness corresponds to the space e.
  • the two stages of the process can take place simultaneously.
  • the pouring of the material can take place several times during the movement of the device 1, or even continuously.

Landscapes

  • Coating Apparatus (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif de dépôt par enduction d'une couche d'un matériau sur un substrat, comprenant un socle présentant une surface de contact orientée en regard du substrat et une surface d'appui orientée en regard du substrat, une lame montée amovible sur le socle et présentant une surface de racle en regard du substrat et configurée pour définir un espace de dépôt du matériau entre la surface de racle et le substrat. Le dispositif comprend une cale entre la lame et la surface d'appui et des moyens de serrage aptes à coopérer avec la cale et la lame pour maintenir la lame contre la cale et la cale contre la surface d'appui, de manière à maintenir la surface de racle à une distance de référence d par rapport à la surface d'appui.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs et procédés d'enduction d'une couche de matériau. Elle concerne tout particulièrement le dépôt de couches fines. Elle trouve comme application particulièrement avantageuse le domaine des piles à combustible, notamment les piles à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEM). Les électrodes utilisées dans ce type de piles sont en effet enduites d'une couche fine d'encre catalytique, par exemple à base de platine.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • Il existe plusieurs techniques pour déposer un film sur un substrat, parmi lesquelles les dépôts par évaporation, les dépôts par procédé chimique, ou encore les dépôts par spray. Cependant, ces techniques peuvent s'avérer complexes, fastidieuses et coûteuses.
  • Les techniques de dépôt par enduction constituent une alternative moins coûteuse et facilement industrialisable.
  • Le principe du dépôt par enduction est le suivant : un dispositif, couramment désigné couteau, est déplacé au-dessus du substrat de façon à entraîner et répartir une solution d'intérêt sur le substrat. Le film ainsi formé sèche ensuite et forme un dépôt continu.
  • Plusieurs solutions basées sur ce principe ont été développées. Une première solution est présentée dans le document EP0311742 B1 . Cette solution repose sur l'utilisation d'un élément racleur en matériau magnétisable maintenu par force magnétique à un support contenant un aimant. Le document EP2705542 A1 présente lui une deuxième solution dans laquelle une encre à base de cuivre et d'indium déversée par un réservoir de distribution est étalée sur un substrat à l'aide d'une racle. Il est prévu dans ce document d'intégrer des moyens de contrôle de la température de l'encre au niveau du réservoir de distribution, de la racle et du substrat afin de contrôler la viscosité de l'encre et donc l'enduction sur le substrat ainsi que l'épaisseur du film déposé.
  • Lors de la mise en oeuvre de ces méthodes, il s'avère qu'en pratique une période d'ajustement au cours de laquelle la qualité du dépôt est insatisfaisante a toujours lieu. En effet une qualité de dépôt acceptable est obtenue seulement après le parcours de quelques centimètres voire dizaines de centimètres au-dessus du substrat. Il est donc nécessaire de prévoir une surface de dépôt nettement supérieure à la surface utile pour pouvoir éliminer les zones où la qualité du dépôt n'est pas satisfaisante, ce qui résulte en une perte importante de matériaux et en un surcoût non négligeable.
  • Une troisième solution repose sur l'utilisation d'une lame fixée à un socle et dont la hauteur par rapport au substrat est réglée à l'aide de vis micrométriques. Cette possibilité d'ajustement est ainsi censée permettre de contrôler l'épaisseur de la couche déposée sur le substrat.
  • En pratique, ces méthodes connues ne permettent cependant pas de maîtriser l'épaisseur de la couche déposée avec suffisamment de précision, notamment lorsque cette épaisseur est faible (typiquement inférieure à quelques centaines de micromètres).
  • Un objectif de la présente invention est donc de proposer une solution permettant de déposer une couche de matériau sur un substrat en contrôlant précisément l'épaisseur de cette dernière, en particulier lorsque cette épaisseur est faible.
    • RESUME
  • Pour atteindre cet objectif, un premier aspect de l'invention concerne un dispositif de dépôt par enduction d'une couche d'un matériau d'enduction sur un substrat, comprenant un socle présentant une surface de contact destinée à être orientée en regard du substrat, et de préférence à venir au contact du substrat, et présentant une surface d'appui destinée à être orientée en regard du substrat, une lame montée amovible sur le socle et présentant une surface de racle destinée à être orientée en regard du substrat et configurée pour définir un espace de dépôt du matériau d'enduction entre la surface de racle et le substrat. Le dispositif comprend en outre avantageusement une cale configurée pour être montée amovible sur le socle entre la lame et la surface d'appui. Il comprend avantageusement des moyens de serrage aptes à coopérer avec la cale et la lame pour maintenir la lame contre la cale et la cale contre la surface d'appui de manière à maintenir la surface de racle à une distance de référence d par rapport à la surface d'appui, la distance de référence d étant mesurée selon une direction perpendiculaire à la surface d'appui, dite direction verticale.
  • La distance de référence d entre la surface d'appui et la surface de racle est ainsi fonction de la hauteur de la cale selon la direction verticale. Cette hauteur détermine l'épaisseur de la couche du matériau qui peut être déposée sur le substrat à l'aide du dispositif. En fixant la hauteur de cale adaptée, on obtient l'épaisseur de couche désirée. Par ailleurs, en changeant de cale pour faire varier la hauteur de la cale utilisée tout en conservant une lame et un socle de même hauteur, on peut modifier l'épaisseur de la couche déposée.
  • La précision de l'épaisseur de la couche est assurée par la précision de la hauteur de la cale et par la facilité de serrage de la lame et de la cale contre la surface d'appui. En effet, les techniques de fabrication actuelles permettent des tolérances de fabrication faibles pour réaliser des cales aux dimensions très précises : l'erreur sur ce paramètre est donc très faible. Par ailleurs, l'utilisateur a simplement à serrer les moyens de serrage au maximum, sans se préoccuper d'une quelconque précision de serrage. Là encore, l'erreur sur ce paramètre est faible. L'erreur globale sur la distance de référence d et donc sur l'épaisseur de la couche déposée est donc très faible.
  • Par ailleurs, une fois la lame correctement plaquée contre la cale et la cale correctement plaquée contre la surface d'appui, l'ensemble est très rigide et définit avec le substrat un espace très précis et peu variable.
  • Dans le cadre du développement de la présente invention, avec un couteau selon la troisième solution décrite en introduction et mettant en jeu une vis micrométrique pour positionner la lame, il a été découvert un manque d'homogénéité pour de faibles épaisseurs entrainant des performances dégradées et peu prévisibles. Il a été identifié que ce manque d'homogénéité provient, dans une mesure étonnement significative, de faibles déplacements verticaux de la lame maintenue par la vis micrométrique. Ainsi, finalement, cette solution ne permet pas de contrôler précisément l'épaisseur de la couche déposée ni d'assurer une bonne homogénéité de cette épaisseur, en particulier dans un domaine des faibles épaisseurs.
  • Contrairement à ce qui était le cas dans la troisième cette solution décrite en introduction et mettant en jeu une vis micrométrique pour positionner la lame, avec le dispositif de dépôt selon l'invention, la précision de l'épaisseur de la couche déposée ne dépend pas de la précision du positionnement par l'utilisateur de la lame par l'intermédiaire de vis de serrage. Grâce à la rigidité de l'ensemble procurée par la cale, on limite voire on supprime l'erreur sur l'épaisseur et les variations de l'épaisseur dues aux déplacements de la lame selon la direction verticale sous l'effet du temps et de la viscosité du matériau déposé. Notamment, l'intégralité d'un effort de réaction exercé par le matériau d'enduction sur la lame - de préférence verticalement - est transmis au socle par l'intermédiaire de la cale.
  • Par ailleurs, le dispositif selon l'invention est peu encombrant et facile à nettoyer. Sa géométrie est par ailleurs stable dans le temps, ce qui permet une bonne reproductibilité des dépôts.
  • Il aurait pu sembler envisageable de placer la cale à la hauteur à laquelle la couche est déposée, en butée de la lame, et d'utiliser des moyens de serrage pour plaquer la lame contre la cale. La hauteur de la cale aurait alors correspondu à l'épaisseur de la couche déposée. Cependant cette solution n'aurait pas été satisfaisante pour des dépôts de couches minces, typiquement présentant une épaisseur de quelques dizaines de micromètres ou moins, car une cale d'aussi faible hauteur se serait déformée trop facilement. L'épaisseur de la couche déposée n'aurait donc pas pu être correctement contrôlée ni présenter une homogénéité satisfaisante.
  • Ainsi, la présente invention propose une solution permettant de déposer une couche de matériau en contrôlant avec précision son épaisseur. Cette solution permet tout particulièrement de déposer précisément des couches de faible épaisseur. Elle permet par ailleurs d'aboutir à des couches présentant une épaisseur très homogène.
  • Dans le cadre particulier des piles à combustibles à PEM, la présente invention permet de réaliser des dépôts fins et très homogènes d'encre catalytique sur une membrane, une couche de diffusion de gaz ou un substrat intermédiaire entrant dans la composition de ces piles, ce qui se traduit par une amélioration significative des performances des piles. Notamment, la réduction de l'inhomogénéité de l'épaisseur de la couche d'encre catalytique permet de réduire les inhomogénéités des performances électriques au sein d'une même pile. Un fonctionnement plus homogène de la pile est donc permis par l'invention. L'invention permet également d'autoriser des dépôts d'encre catalytique très fins, ce qui permet de réduire la résistance électrique des électrodes ou couches catalytiques et donc là encore d'améliorer les performances des piles. La réduction de l'inhomogénéité du dépôt ainsi que la possibilité de réaliser des dépôts fins permettent par ailleurs de réduire la quantité de matière consommée, ce qui est particulièrement avantageux dans ce domaine, les encres catalytiques étant typiquement à base de platine, matériau rare au coût élevé.
  • Un deuxième aspect de l'invention concerne un système de dépôt par enduction d'une couche d'un matériau sur un substrat comprenant un dispositif selon le premier aspect de l'invention, un réservoir destiné à contenir le matériau et un bras d'actionnement, le socle du dispositif étant monté sur le bras d'actionnement, le système étant configuré pour verser le matériau d'enduction sur le substrat en amont de la lame selon une direction prévue d'avancée de la lame.
  • Un troisième aspect de l'invention concerne un procédé de dépôt par enduction d'une couche d'un matériau à l'aide du système selon le deuxième aspect de l'invention sur une face supérieure du substrat, comprenant les étapes suivantes :
    1. a. Faire se déverser depuis le réservoir le matériau sur la face supérieure du substrat,
    2. b. Déplacer le bras d'actionnement relativement à la face supérieure du substrat de sorte à mettre en translation le dispositif parallèlement à la face supérieure du substrat et de sorte à ce que la surface de racle étale le matériau sur la face supérieure du substrat.
  • Les avantages décrits en référence au dispositif selon le premier aspect de l'invention s'appliquent mutatis mutandis au système selon le deuxième aspect de l'invention et le procédé selon le troisième aspect de l'invention.
    • BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
    • La figure 1A représente une vue générale du dispositif selon l'invention.
    • La figure 1B est une vue éclatée du dispositif selon l'invention. Cette vue correspond à une situation dans laquelle la cale, la lame, les éléments centreurs et les moyens de serrage ne sont pas encore montés sur le socle.
    • La figure 2A représente une vue de dessus du dispositif selon l'invention.
    • La figure 2B est une vue en coupe du dispositif selon l'invention selon la coupe A-A repérée sur la figure 2A. Elle illustre la position des éléments centreurs et des moyens de serrage lorsque le dispositif est monté.
    • La figure 2C est une vue en coupe du dispositif selon l'invention selon la coupe B-B repérée sur la figure 2A. Elle illustre la fixation d'un flanc du socle à sa portion centrale.
    • La figure 3A est une vue de face du dispositif selon l'invention lorsque celui-ci est monté et placé sur un substrat.
    • La figure 3B est une vue en coupe du dispositif selon l'invention selon la coupe C-C repérée sur la figure 3A. Elle illustre la position des moyens de serrage lorsque le dispositif est monté.
  • Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions ne sont pas représentatives de la réalité.
    • DESCRIPTION DÉTAILLÉE
  • Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
    Selon un exemple, les moyens de serrage comprennent une vis présentant un filetage externe et la lame présente un taraudage, le filetage externe et le taraudage étant aptes à coopérer pour maintenir la lame contre la cale, la cale présentant un trou permettant le passage et la rotation libre de la vis.
  • Selon un exemple, la lame présente deux faces principales s'étendant principalement selon un plan transversal défini par une direction transversale et la direction verticale, la cale présentant selon la direction transversale une largeur L200 et la lame présentant selon la direction transversale une largeur L300, avec L200≥0,5*L300, de préférence L200≥0,6*L300, de préférence L200≥0,8*L300, et de préférence L200≥0,9*L300.
  • De préférence, L200 et L300 sont sensiblement égales à la largeur interne du socle L100 qui sera définie plus avant, à une tolérance près permettant l'insertion de la cale et de la lame entre les flancs du socle.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre au moins un, de préférence deux, élément(s) centreur(s), également désigné(s) élément(s) d'indexage, configuré(s) pour permettre de positionner la lame par rapport au socle et pour permettre, lorsque la lame est montée sur le socle, un déplacement de la lame uniquement selon la direction principale.
  • Selon un mode de réalisation, l'élément centreur s'étend principalement selon la direction verticale, dans lequel le socle, la cale et la lame présentent respectivement une première ouverture de centrage, une deuxième ouverture de centrage et une troisième ouverture de centrage, la première ouverture de centrage et la deuxième ouverture de centrage étant traversantes selon la direction verticale dans le socle et dans la cale respectivement, la première ouverture de centrage, la deuxième ouverture de centrage et la troisième ouverture de centrage étant en continuité les unes des autres selon la direction verticale lorsque la cale et la lame sont montées sur le socle, l'élément centreur étant destiné à être inséré dans la première ouverture de centrage, dans la deuxième ouverture de centrage et dans la troisième ouverture de centrage lorsque la cale et la lame sont montées sur le socle.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un élément centreur secondaire s'étendant principalement selon la direction verticale, dans lequel le socle, la cale et la lame présentent respectivement une première ouverture de centrage secondaire, une deuxième ouverture de centrage secondaire et une troisième ouverture de centrage secondaire, la première ouverture de centrage secondaire et la deuxième ouverture de centrage secondaire étant traversantes selon la direction verticale dans le socle et dans la cale respectivement, la première ouverture de centrage secondaire, la deuxième ouverture de centrage secondaire et la troisième ouverture de centrage secondaire étant en continuité les unes des autres selon la direction verticale lorsque la cale et la lame sont montées sur le socle, l'élément centreur secondaire étant destiné à être inséré dans la première ouverture de centrage secondaire, dans la deuxième ouverture de centrage secondaire et dans la troisième ouverture de centrage secondaire lorsque la cale et la lame sont montées sur le socle.
  • Selon un mode de réalisation, l'élément centreur et l'élément centreur secondaire sont disposés de part et d'autre des moyens de serrage.
  • Selon un mode de réalisation, le socle présente deux flancs principaux présentant chacun une glissière, chaque glissière étant apte à recevoir et à guider la lame en translation selon la direction verticale.
  • Selon un mode de réalisation, la cale présente une hauteur h200 mesurée selon la direction verticale lorsque la cale est montée sur le socle, avec h200 ≥ 3 mm, de préférence h200 ≥ 4 mm, de préférence h200 ≥ 5 mm.
  • Selon un exemple, la surface de racle s'étend principalement dans un plan n'étant pas perpendiculaire à la direction verticale et présentant de préférence une inclinaison α par rapport à la direction verticale comprise entre 30° et 70°.
  • Selon un exemple, la cale est en acier inoxydable.
  • De préférence, le matériau d'enduction est une encre catalytique. Par encre catalytique on entend en particulier une encre comprenant au moins un catalyseur supporté, un ionomère et un solvant. Le catalyseur supporté peut être un composé carboné par exemple de type graphitique supportant des nanoparticules de platine (Pt) ; le ionomère est un acide perflurosulfonique et le solvant peut comprendre un alcool comme l'éthanol et éventuellement de l'eau.
  • De préférence, le substrat est choisi parmi une membrane échangeuse de proton, par exemple constituée d'un polymère d'acide perfluorosulfonique comme le Nafion (commercialisé par DuPont) ou l'Aquivion® (commercialisé par Solvay), et une couche de diffusion de gaz, généralement constituée d'un support en fibre de carbone.
  • De préférence, le dispositif ne comprend pas d'élément additionnel tel qu'un élément élastique, un ressort ou un élément de réglage continu, par exemple par rotation, dans la chaîne de transmission des efforts entre la lame et la cale.
  • Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient, lorsqu'ils se rapportent à une valeur, « à 10% près » de cette valeur ou, lorsqu'ils se rapportent à une orientation angulaire, « à 10° près » de cette orientation. Ainsi, une direction sensiblement normale à un plan signifie une direction présentant un angle de 90±10° par rapport au plan.
  • On utilisera dans la description détaillée qui suit un repère dont la direction longitudinale correspond à l'axe Y, la direction transversale correspond à l'axe X et la direction verticale correspond à l'axe Z.
  • Le plan horizontal dont il est fait mention correspond sur les figures au plan défini par les axes X et Y. Le plan formé par les axes X et Z est lui nommé plan transversal. Le plan formé par les axes Y et Z est désigné plan longitudinal.
  • Le dispositif selon l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1A à 3B.
  • Comme cela est visible sur les figures 2B, 3A et 3B, le dispositif 1 est destiné à être utilisé sur un substrat 10. Ce substrat 10 présente une face supérieure 11 destinée à être enduite. Cette face supérieure 11 s'étend principalement selon un plan horizontal XY défini par une première direction X, également désignée dimension transversale X, et une deuxième direction Y, également désignée direction longitudinale Y. On définit également la direction verticale Z, perpendiculaire au plan horizontal XY et donc à la face supérieure 11 du substrat 10. La direction Y correspond, lors de l'utilisation du dispositif 1, à la direction de déplacement du dispositif 1 sur le substrat 10.
  • Le dispositif 1 comprend tout d'abord un socle 100. Le socle 100 comprend typiquement deux flancs principaux 110, 120 et une portion centrale 130. Les flancs principaux 110, 120 présentent tous deux des faces principales s'étendant parallèlement à un plan longitudinal YZ défini par la direction longitudinale Y et la direction verticale Z. La portion centrale 130 relie les flancs principaux 110, 120. Elle présente une face supérieure 132 et une face inférieure 131 opposées l'une à l'autre, la face inférieure 131 étant destinée à être placée en regard du substrat 10. Ces deux faces 131, 132 s'étendent parallèlement au plan horizontal XY.
  • Le socle 100 présente une largeur interne L100 mesurée selon la direction transversale X entre les deux flancs principaux 110, 120 du socle. Typiquement, L100 est supérieure à 5 cm. L100 est de préférence inférieure à 30 cm.
  • Le socle 100 peut être monobloc. Ses deux flancs principaux 110, 120 et sa portion centrale 130 sont alors tous d'un seul tenant. Le socle 100 peut également être constitué d'éléments distincts fixés les uns aux autres, notamment les flancs 110, 120 et la portion centrale 130, comme cela est illustré sur les figures 1B et 2C notamment. La figure 2C représente la façon dont des moyens de fixation peuvent être arrangés pour maintenir la portion centrale 130 et un flanc principal 120 du socle 100 ensemble.
  • Le socle 100 présente une surface d'appui 101 orientée en regard du substrat 10. La surface d'appui 101 correspond typiquement à la face inférieure 131 de la portion centrale 130.
  • Le socle 100 présente par ailleurs une surface de contact 102 correspondant typiquement aux faces inférieures des flancs principaux 110, 120 du socle 100. Lors de l'utilisation du dispositif 1, la surface de contact 102 peut être mise en contact avec le substrat 10 ou bien simplement être placée en regard de celui-ci.
  • Le dispositif 1 comprend par ailleurs une cale 200 destinée à être montée sur le socle 100. La cale 200 présente typiquement une forme d'un parallélépipède rectangle. Elle présente une face supérieure 202 et une face inférieure 201 opposées l'une à l'autre et s'étendant principalement, lorsque la cale 200 est montée sur le socle 100, parallèlement au plan horizontal XY. La cale 200 présente une hauteur h200 selon la direction verticale Z, une largeur L200 selon la direction transversale X et une épaisseur e200 selon la direction longitudinale Y. Ces dimensions sont notamment repérées sur les figures 1B et 3A.
  • La cale 200 est de préférence en acier inoxydable. De façon générale, la cale 200 est de préférence en un matériau présentant une forte résistance mécanique. Ce matériau est de préférence inerte vis-à-vis du matériau à déposer.
  • Lorsqu'elle est montée sur le socle 100, la cale 200 s'étend entre les flancs principaux 110, 120 de ce dernier. La cale 200 est destinée à être maintenue contre la surface d'appui 101 du socle 100. Sa face supérieure 202 est alors en contact avec la surface d'appui 101.
  • Le dispositif 1 comprend en outre une lame 300. Elle aussi est destinée à être montée sur le socle 100.
  • La lame 300 présente une face supérieure 302 et une face inférieure 301 opposées l'une à l'autre. Sa face inférieure 301 est également désignée surface de racle 301. Sa face supérieure 302 s'étend principalement, lorsque la lame 300 est montée sur le socle 100, parallèlement au plan horizontal XY. Sa surface de racle 301 ne s'étend de préférence pas dans un plan parallèle au plan horizontal XY. Elle forme de préférence un angle α, également désigné inclinaison, avec la direction verticale Z, avec α compris entre 30° et 70°, par exemple environ 45°. La lame 300 présente ainsi une forme biseautée en regard du substrat 10.
  • La lame 300 présente deux faces principales 310, 320 s'étendant principalement parallèlement à un plan transversal XZ défini par la direction transversale X et par la direction verticale Z.
  • La lame 300 présente une hauteur h300 selon la direction verticale Z, une largeur L300 selon la direction transversale X et une épaisseur e300 selon la direction longitudinale Y. Ces dimensions sont notamment repérées sur les figures 1B et 3A.
  • e300 est typiquement comprise entre 5 et 10 mm, par exemple sensiblement égale à 8 mm.
  • La lame 300 est de préférence en acier inoxydable.
  • Lorsqu'elle est montée sur le socle 100, la lame 300 s'étend entre les flancs principaux 110, 120 de ce dernier. La lame 300 est destinée à être maintenue contre la cale 200. De préférence lame 300 est en contact direct avec la cale 200. Sa face supérieure 302 est alors en contact avec la face inférieure 201 de la cale 200. Sa surface de racle 301 se trouve en regard de la face supérieure 11 du substrat 10.
  • Le dispositif 1 comprend par ailleurs des moyens de serrage 400 prenant typiquement la forme d'au moins une vis 400, de préférence exactement une vis 400. La vis 400 présente un filetage externe 410.
  • Les moyens de serrage 400 sont configurés pour pouvoir coopérer avec le socle 100, la cale 200 et la lame 300 de manière à maintenir la cale 200 contre la surface d'appui 101 du socle 100 et la lame 300 contre la cale 200.
  • Par exemple, comme illustré à la figure 1B, le socle 100 et la cale 200 peuvent présenter respectivement un premier trou de serrage 140 et un deuxième trou de serrage 240, tous deux permettant le libre passage de la vis 400. Ces trous 140, 240 permettent une rotation libre de la vis 400. Leur diamètre est donc supérieur au filetage de la vis 400. Ces trous de serrage 140, 240 sont ainsi traversants selon la direction verticale Z dans le socle 100 et dans la cale 200, respectivement. Ils présentent de préférence un flanc interne lisse. Un troisième trou de serrage 340 est aménagé dans la lame 300. Ce trou 340 présente un flanc interne formant un taraudage complémentaire du filetage de la vis 400. Ce trou est borgne, il n'est pas traversant selon la direction verticale Z. Il ne débouche donc pas sur la surface de raclage 301. Cela permet d'éviter que la surface de raclage 301 ne présente une ou des discontinuité(s) et que le dépôt de la couche ne se fasse de manière non uniforme.
  • La vis 400 peut ainsi être insérée dans les premier et deuxième trous de serrage 140, 240 puis être vissée dans la lame 300 par coopération de son filetage externe avec le taraudage du troisième trou de serrage 340. Les figures 2B et 3B représentent la vis 400 une fois insérée dans le premier trou de serrage 140 et dans le deuxième trou de serrage 240 et visée dans le troisième trou de serrage 340.
  • Le vis 400 présente une extrémité distale formée par l'extrémité de sa tige filetée. Elle présente également une tête destinée à être manipulée par un utilisateur, de préférence manuellement, ou avec un outil. La vis 400 forme, par exemple au niveau de sa tête, une butée configurée pour venir au contact du socle 100 lorsque la vis 400 est insérée dans la lame 300 de sorte que la rotation de la vise 400 par l'utilisateur fasse monter la lame 300 en direction de la cale 200 et du socle 100.
  • La hauteur h340 du troisième trou de serrage 340, la longueur de la vis 400 et l'étendue du filetage externe sur la vis 400 sont configurés pour permettre un vissage jusqu'à ce que la lame 300 soit plaquée contre la cale 200 et que la cale 200 soit plaquée contre la surface d'appui 101.
  • La vis a un rôle de vis de serrage pour venir plaquer la lame 300 contre la cale 200, et par l'intermédiaire de la cale 200, contre la surface d'appui 101 du socle 100. Contrairement à la vis présente dans la troisième solution décrite en partie introductive, cette vis n'a pas un rôle de positionnement. Le positionnement de la surface de racle 301 est donc éventuellement lié à une potentielle très faible erreur sur le serrage des moyens de serrage 400, mais pas à une erreur de positionnement d'une vis micrométrique comme cela est le cas dans la troisième solution.
  • Une fois que les moyens de serrage 400 maintiennent la cale 200 et la lame 300 contre la surface d'appui 101 et que le dispositif 1 est positionné au-dessus du substrat 10, la surface de racle 301 se trouve à une distance de référence d avec la surface d'appui 101 et définit un espace de dépôt du matériau d'enduction avec la face supérieure 11 du substrat 10. Cet espace de dépôt est noté e. Il est notamment repéré sur les figures 2B, 3A et 3B. L'espace e dépend de la hauteur h101 à laquelle se trouve la surface d'appui 101, la hauteur h200 de la cale 200 et la hauteur h300 de la lame 300. Il est à noter que l'on a h101=d+e.
  • La hauteur h101 est maintenue constante, soit par le fait que la surface de contact 102 du socle 100 repose sur le substrat 10, soit parce que l'on maintient le socle 100 à une distance constante du substrat 10 par d'autres moyens, par exemple un bras d'actionnement. Il est également envisageable de placer un masque entre le substrat 10 de la surface de contact 102 (l'épaisseur em du masque entrera alors en compte dans la valeur de h101 et donc dans celle de l'espace e : h101=d+e+em). En utilisant la même lame 300 et en changeant de cale 200 d'une utilisation à une autre du dispositif 1, il est possible de maintenir h300 constant tout en modifiant h200. Un jeu de cales 200 présentant des hauteurs h200 différentes peut ainsi permettre de définir des espaces e différents en fonction de l'épaisseur de couche désirée.
  • L'espace e est typiquement compris entre 10 µm et 200 µm.
  • La hauteur h200 d'une cale est typiquement comprise entre 3 mm et 10 mm. De préférence, h200 est supérieure ou égale à 4 mm. Le fait que la cale 200 présente une hauteur supérieure ou égale à 3 mm voire supérieure à cette valeur permet de lui conférer une bonne rigidité, ce qui est très avantageux dans le cadre de l'invention puisque la précision sur l'espace e s'en retrouve améliorée.
  • De préférence, on utilise une unique cale permettant d'obtenir la distance de référence d et l'espace e souhaités. En effet, utiliser une unique cale 200 permet que l'erreur sur la distance d, correspondant aux inévitables tolérances de fabrication, corresponde uniquement à la somme de l'erreur de fabrication sur h200, l'erreur de fabrication sur h300 et l'erreur sur le serrage. L'utilisation simultanée de plusieurs cales induit d'autres erreurs, celles sur la fabrication des cales supplémentaires. L'erreur globale est donc plus importante que lorsqu'une seule cale est utilisée. On préférera donc utiliser un jeu de cales pour adapter l'épaisseur que l'on souhaite déposer, tout en utilisant une unique cale pour chaque dépôt.
  • Il est à noter que l'espace e est défini entre la face supérieure 11 du substrat 10 et le plan de la lame 300 le plus proche de la face supérieure 11 du substrat 10. Ainsi, lorsque la lame 300 est biseautée comme cela est typiquement le cas, e est défini en un bord seulement de la surface de racle 301.
  • Avantageusement, le dispositif 1 comprend en outre au moins un élément centreur 500, et de préférence un deuxième élément centreur qualifié d'élément centreur secondaire 500'. Ces éléments centreurs 500, 500' ont pour fonction de positionner correctement la cale 200, la lame 300 et le socle 100 relativement les uns aux autres. Ils permettent également d'empêcher toute rotation de la lame 300 et/ou de la cale 200 autour d'un axe parallèle à la direction verticale Z. Ils préviennent tout déplacement de la cale 200 et de la lame 300 dans une direction autre que la direction verticale Z. Notamment, lorsqu'elles sont montées sur le socle 100, la cale 200 et la lame 300 ne peuvent pas se déplacer selon les directions X et Y. Les éléments centreurs 500, 500' permettent ainsi à la fois de garantir le bon positionnement de la cale 200 et de la lame 300 lors de leur montage sur le socle 100 mais également d'assurer un bon niveau de rigidité de l'ensemble. Ils facilitent également le montage du dispositif 1.
  • Les paragraphes suivants visent à présenter un exemple de mode de réalisation des éléments centreurs.
  • Les éléments centreurs 500, 500' s'étendent de préférence chacun selon la direction verticale Z. Des ouvertures sont aménagées dans le socle 100, la cale 200 et la lame 300 pour coopérer avec les éléments centreurs 500, 500'. De préférence, pour chaque élément centreur 500, 500', une première ouverture de centrage 150, 150', une deuxième ouverture de centrage 250, 250' et une troisième ouverture de centrage 350, 350' sont aménagées respectivement dans le socle 100, la cale 200 et la lame 300. Les ouvertures 150', 250', 350' associées à l'élément centreur secondaire 500' pourront également être qualifiées de secondaires. Pour permettre l'accès des éléments centreurs 500, 500' aux troisièmes ouvertures de centrage 350, 350', les premières ouvertures de centrage 150, 150' et les deuxièmes ouvertures de centrage 250, 250' sont traversantes selon la direction verticale Z.
  • Par ailleurs, les ouvertures de centrage 150, 150', 250, 250', 350, 350' présentent de préférence chacune un flanc interne lisse. Leurs diamètres, de préférence tous identiques, et tenant compte des tolérances de fabrication, permettent un coulissement des éléments centreurs 500, 500' en leur sein.
  • Les troisièmes ouvertures de centrage 350, 350' sont de préférence borgnes, elles ne sont pas traversantes selon la direction verticale Z. Elles ne débouchent donc pas sur la surface de raclage 301. Cela permet d'éviter que la surface de raclage 301 ne présente une ou des discontinuité(s) et que le dépôt de la couche ne se fasse de manière non uniforme. Les troisièmes ouvertures de centrage 350, 350' présentent par ailleurs de préférence un flanc interne lisse. Les figures 1A et 2B représentent les éléments centreurs 500, 500' une fois insérés dans les ouvertures de centrage 150, 150', 250, 250', 350, 350'.
  • Avantageusement, le dispositif 1 comprend au moins deux éléments centreurs 500, 500', de préférence exactement deux. Ces deux éléments centreurs sont de préférence disposés de part et d'autre de la vis 400, comme cela est notamment illustré sur les figures 1B, 2A et 2B. Les éléments centreurs 500, 500' et la vis 400 sont avantageusement alignés selon la direction transversale X.
  • Selon un mode de réalisation, on prévoit que les flancs principaux 110, 120 du socle 100 présentent chacun une glissière dans laquelle la lame 300 et éventuellement également la cale 200 peuvent être insérées et coulisser. De telles glissières permettent de guider la cale 200 et la lame 300 en translation selon la direction verticale Z et ainsi faciliter le montage du dispositif 1. Elles peuvent également permettre d'améliorer le maintien de la cale 200 et, plus important encore, de la lame 300 en évitant tout déplacement de celles-ci selon la direction longitudinale Y, notamment lors du déplacement du dispositif 1 au-dessus du substrat 10 au cours de son utilisation. Les glissières peuvent ainsi être utilisées en remplacement des éléments centreurs 500, 500' ou en combinaison avec ces derniers.
  • Les prochains paragraphes visent à illustrer comment le dispositif 1 peut être monté et, une fois monté, être utilisé.
  • Le dispositif 1 peut être monté de la façon suivante :
    1. a. Insertion du ou des éléments centreurs 500, 500' dans la ou les premières ouvertures de centrage 150, 150',
    2. b. Emboîtement de la cale 200 entre les flancs principaux 110, 120 du socle 100, en insérant chaque élément centreur 500, 500' dans une deuxième ouverture de centrage 250, 250',
    3. c. Emboîtement de la lame 300 entre les flancs principaux 110, 120 du socle 100, en insérant chaque élément centreur 500, 500' dans une troisième ouverture de centrage 350, 350',
    4. d. Insertion de la vis de serrage 400 dans le premier trou de serrage 140, dans le deuxième trou de serrage 240, et dans le troisième trou de serrage 340,
    5. e. Serrage de la lame 300 contre la cale 200 et de la cale 200 contre la surface d'appui 101.
  • Alternativement ou parallèlement, l'emboîtement de la cale 200 et de la lame 300 se fait par guidage dans les glissières des flancs 110, 120 du socle 100.
  • Lors de l'utilisation du dispositif 1, celui-ci est déplacé relativement au substrat 10 selon la direction longitudinale Y, dans un sens donné d'avancée.
  • Comme cela sera décrit plus avant en référence au deuxième aspect de l'invention, le matériau peut être versé sur le substrat depuis un réservoir contenant ledit matériau. Il est entendu que le matériau peut également être déposé manuellement sur le substrat 10. Dans les deux cas, le matériau est versé en amont de la lame 300 selon la direction longitudinale Y et le sens d'avancée de la lame 300, et plus généralement du dispositif 1.
  • La surface de racle 301 est de préférence orientée vers côté de la lame 300 où le matériau est versé. Cela permet une bonne enduction du matériau sur la face supérieure 11 du substrat 10.
  • Un deuxième objet de l'invention se rapporte à un système de dépôt par enduction comprenant le dispositif selon l'invention. Le système comprend par ailleurs un réservoir destiné à contenir le matériau à déposer sur le substrat 10.
  • Le système peut par exemple être configuré pour verser le matériau à déposer de sorte qu'il ruisselle contre la face principale 320 de la lame 300 en regard de laquelle le matériau est versé avant d'arriver sur la face supérieure 11 du substrat 10.
  • Le système comprend par ailleurs un bras d'actionnement auquel est fixé le dispositif 1 ou bien contre lequel le dispositif 1 vient en butée durant l'utilisation du système. Ce bras d'actionnement peut notamment permettre de déplacer le dispositif 1 selon la direction et le sens d'avancée.
  • Avantageusement, le bras d'actionnement peut être configuré de sorte à déplacer le dispositif à plusieurs vitesses distinctes. La vitesse de déplacement du dispositif sera alors choisie en fonction de différents paramètres comme la nature du matériau à déposer, notamment sa viscosité, et la nature du substrat 10.
  • Un troisième objet de l'invention concerne un procédé de dépôt par enduction d'une couche de matériau sur un substrat à l'aide du système décrit précédemment.
  • Une première étape de ce procédé consiste en faire se déverser le matériau à déposer depuis le réservoir sur la face supérieure 11 du substrat 10.
  • Une deuxième étape de ce procédé consiste en le déplacement du bras d'actionnement relativement à la face supérieure 11 du substrat 10. Ce déplacement se fait de sorte que l'espace e reste constant. La translation relative du dispositif 1 par rapport au substrat 10 se fait donc parallèlement à la face supérieure 11 du substrat 10.
  • Selon une première variante du procédé, le substrat 10 reste immobile et le dispositif 1 est déplacé par le bras d'actionnement.
  • Selon une deuxième variante du procédé, le dispositif 1 reste immobile et le substrat 10 est déplacé.
  • Lorsque le dispositif 1 se déplace, la surface de racle 301 entre en contact avec le matériau à enduire, l'étale sur le substrat 10 et forme une couche dont l'épaisseur correspond à l'espace e.
  • Il est entendu que les deux étapes du procédé peuvent avoir lieu simultanément. Notamment, le déversage du matériau peut avoir lieu à plusieurs reprises au cours du déplacement du dispositif 1, voire de façon continue.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s'étend à tous les modes de réalisation couverts par l'invention.

Claims (13)

  1. Dispositif (1) de dépôt par enduction d'une couche d'un matériau d'enduction sur un substrat (10), comprenant un socle (100) présentant une surface de contact (102) destinée à être orientée en regard du substrat (10), et de préférence à venir au contact du substrat (10), et présentant une surface d'appui (101) destinée à être orientée en regard du substrat (10), une lame (300) montée amovible sur le socle (100) et présentant une surface de racle (301) destinée à être orientée en regard du substrat (10) et configurée pour définir un espace de dépôt du matériau d'enduction entre la surface de racle (301) et le substrat (10) caractérisé en ce qu'il comprend en outre une cale (200) montée amovible sur le socle (100) entre la lame (300) et la surface d'appui (101) et en ce qu'il comprend des moyens de serrage (400) coopérant avec la cale (200) et la lame (300) pour maintenir la lame (300) contre la cale (200) et la cale (200) contre la surface d'appui (101) de manière à maintenir la surface de racle (301) à une distance de référence d par rapport à la surface d'appui (101), la distance de référence d étant mesurée selon une direction perpendiculaire à la surface d'appui (101), dite direction verticale (Z).
  2. Dispositif (1) selon la revendication précédente dans lequel les moyens de serrage (400) comprennent une vis présentant un filetage externe (410) et la lame (300) présente un taraudage, le filetage externe (410) et le taraudage étant aptes à coopérer pour maintenir la lame (300) contre la cale (200), la cale (200) présentant un trou (240) permettant le passage et la rotation libre de la vis.
  3. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la lame (300) présente deux faces principales (310, 320) s'étendant principalement selon un plan transversal (XZ) défini par une direction transversale (X) et la direction verticale (Z), la cale (200) présentant selon la direction transversale (X) une largeur L200 et la lame (300) présentant selon la direction transversale (X) une largeur L300, avec L200≥0,5*L300, de préférence L200≥0,6*L300, de préférence L200≥0,8*L300, et de préférence L200≥0,9*L300.
  4. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre au moins un, de préférence deux, élément(s) centreur(s) (500), également désigné(s) élément(s) d'indexage, configuré(s) pour permettre de positionner la lame (300) par rapport au socle (100) et pour permettre, lorsque la lame (300) est montée sur le socle (100), un déplacement de la lame (300) uniquement selon la direction principale (Z).
  5. Dispositif (1) selon la revendication précédente dans lequel l'élément centreur (500) s'étend principalement selon la direction verticale (Z), dans lequel le socle (100), la cale (200) et la lame (300) présentent respectivement une première ouverture de centrage (150), une deuxième ouverture de centrage (250) et une troisième ouverture de centrage (350), la première ouverture de centrage (150) et la deuxième ouverture de centrage (250) étant traversantes selon la direction verticale (Z) dans le socle (100) et dans la cale (200) respectivement, la première ouverture de centrage (150), la deuxième ouverture de centrage (250) et la troisième ouverture de centrage (350) étant en continuité les unes des autres selon la direction verticale (Z) lorsque la cale (200) et la lame (300) sont montées sur le socle (100), l'élément centreur (500) étant destiné à être inséré dans la première ouverture de centrage (150), dans la deuxième ouverture de centrage (250) et dans la troisième ouverture de centrage (350) lorsque la cale (200) et la lame (300) sont montées sur le socle (100).
  6. Dispositif (1) selon la revendication précédente comprenant au moins un élément centreur secondaire (500') s'étendant principalement selon la direction verticale (Z), dans lequel le socle (100), la cale (200) et la lame (300) présentent respectivement une première ouverture de centrage secondaire (150'), une deuxième ouverture de centrage secondaire (250') et une troisième ouverture de centrage secondaire (350'), la première ouverture de centrage secondaire (150') et la deuxième ouverture de centrage secondaire (250') étant traversantes selon la direction verticale (Z) dans le socle (100) et dans la cale (200) respectivement, la première ouverture de centrage secondaire (150'), la deuxième ouverture de centrage secondaire (250') et la troisième ouverture de centrage secondaire (350') étant en continuité les unes des autres selon la direction verticale (Z) lorsque la cale (200) et la lame (300) sont montées sur le socle (100), l'élément centreur secondaire (500') étant destiné à être inséré dans la première ouverture de centrage secondaire (150'), dans la deuxième ouverture de centrage secondaire (250') et dans la troisième ouverture de centrage secondaire (350') lorsque la cale (200) et la lame (300) sont montées sur le socle (100).
  7. Dispositif (1) selon les deux revendications précédentes en combinaison dans lequel l'élément centreur (500) et l'élément centreur secondaire (500') sont disposés de part et d'autre des moyens de serrage (400).
  8. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le socle présente deux flancs principaux (110, 120) présentant chacun une glissière, chaque glissière étant apte à recevoir et à guider la lame (300) en translation selon la direction verticale (Z).
  9. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la cale (200) présente une hauteur h200 mesurée selon la direction verticale (Z) lorsque la cale (200) est montée sur le socle (100), avec h200 ≥ 3 mm, de préférence h200 ≥ 4 mm.
  10. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la surface de racle (301) s'étend principalement dans un plan n'étant pas perpendiculaire à la direction verticale (Z) et présentant de préférence une inclinaison α par rapport à la direction verticale (Z) comprise entre 30° et 70°.
  11. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la cale (200) est en acier inoxydable.
  12. Système de dépôt par enduction d'une couche d'un matériau sur un substrat (10) comprenant un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, un réservoir destiné à contenir le matériau et un bras d'actionnement, le socle (100) du dispositif (1) étant monté sur le bras d'actionnement, le système étant configuré pour verser le matériau d'enduction sur le substrat (10) en amont de la lame (300) selon une direction prévue d'avancée de la lame (300).
  13. Procédé de dépôt par enduction d'une couche d'un matériau à l'aide du système selon la revendication précédente sur une face supérieure (11) du substrat (10), comprenant les étapes suivantes :
    • Faire se déverser depuis le réservoir le matériau sur la face supérieure (11) du substrat (10),
    • Déplacer le bras d'actionnement relativement à la face supérieure (11) du substrat (10) de sorte à mettre en translation le dispositif (1) parallèlement à la face supérieure (11) du substrat (10) et de sorte à ce que la surface de racle (301) étale le matériau sur la face supérieure (11) du substrat (10).
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