FR2788268A1 - PASTE CERAMIC COMPOSITION FOR SUPPLYING A RAPID PROTOTYPING MACHINE AND MANUFACTURING METHOD - Google Patents
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Abstract
Description
COMPOSITION CERAMIQUE P TEUSE POUR L'ALIMENTATION D'UNEP EUSE CERAMIC COMPOSITION FOR SUPPLYING A
MACHINE DE PROTOTYPAGE RAPIDE ET PROCEDE DE FABRICATION RAPID PROTOTYPING MACHINE AND MANUFACTURING METHOD
La présente invention concerne une composition céramique prévue pour être utilisée dans une machine de prototypage rapide notamment du type à The present invention relates to a ceramic composition intended to be used in a rapid prototyping machine, in particular of the
faisceau laser.laser beam.
Dans le prototypage rapide, il existe de nombreux procédés et notamment celui qui consiste à recourir à des compositions à base de In rapid prototyping, there are numerous processes, in particular that which consists in using compositions based on
compositions fluides. C'est l'objet du brevet US-A-5 496 682. fluid compositions. This is the subject of US-A-5,496,682.
Le procédé de stéréophotolithographie décrit dans ce brevet américain consiste à réaliser des pièces à partir de compositions liquides céramiques ou métalliques ou encore de cermets et les différentes étapes consistent à: - associer des particules de céramiques, de métaux, d'alliages ou de mélanges de ceux-ci avec un monomère photopolymérisable pour réaliser une composition liquide, susceptible d'être coulée, - couler cette composition sur un substrat pour former une première couche, soumettre cette première couche à un rayonnement, par exemple un rayonnement UV, en sorte de polymériser la résine de cette première couche suivant le profil de la première couche de la pièce à obtenir, - recouvrir cette première couche polymérisée d'une deuxième couche de la composition liquide, - soumettre cette deuxième couche à un rayonnement, par exemple un rayonnement UV, en sorte de polymériser la résine de cette deuxième couche suivant le profil de la deuxième couche de la pièce à obtenir, superposée à la première, - renouveler la succession des couches pour réaliser l'ensemble des The stereophotolithography process described in this American patent consists in producing parts from ceramic or metallic liquid compositions or even cermets and the various stages consist in: - associating particles of ceramics, metals, alloys or mixtures of these with a photopolymerizable monomer to produce a liquid composition capable of being poured, - pouring this composition onto a substrate to form a first layer, subjecting this first layer to radiation, for example UV radiation, so as to polymerize the resin of this first layer according to the profile of the first layer of the part to be obtained, - cover this first polymerized layer with a second layer of the liquid composition, - subject this second layer to radiation, for example UV radiation, so as to polymerize the resin of this second layer according to the profile of the second me layer of the part to be obtained, superimposed on the first, - repeat the succession of layers to produce all
couches correspondant à la pièce prototype à obtenir. layers corresponding to the prototype part to be obtained.
La pièce obtenue est ensuite soumise à un traitement thermique pour obtenir la suppression des parties organiques et pour permettre une The part obtained is then subjected to a heat treatment to obtain the removal of the organic parts and to allow a
densification de la pièce.densification of the room.
Un dispositif particulièrement adapté à ce type de réalisation de pièces prototypes, travaillant avec une telle composition liquide comprend un support mobile de la future pièce prototype, immergé dans un bain de cette composition liquide. Pour chaque couche, le support est immergé d'une faible hauteur pour ne laisser subsister à sa surface qu'une nouvelle couche mince A device particularly suitable for this type of production of prototype parts, working with such a liquid composition comprises a mobile support for the future prototype part, immersed in a bath of this liquid composition. For each layer, the support is immersed at a low height so that only a new thin layer remains on its surface
de composition liquide correspondant à l'épaisseur de la couche à réaliser. of liquid composition corresponding to the thickness of the layer to be produced.
La fluidité de la composition est importante puisqu'elle permet la formation de la nouvelle couche liquide avant sa polymérisation. Compte tenu du grand nombre de couches nécessaires, il faut que l'étalement de la couche The fluidity of the composition is important since it allows the formation of the new liquid layer before its polymerization. Given the large number of layers required, it is necessary that the spreading of the layer
s'effectue le plus rapidement possible. takes place as quickly as possible.
Ces dispositifs à composition liquide présentent un inconvénient majeure qui est celui de générer un ménisque après le passage d'un racleur destiné à former chaque couche si bien qu'il est nécessaire d'attendre une relaxation de These liquid composition devices have a major drawback which is that of generating a meniscus after the passage of a scraper intended to form each layer so that it is necessary to wait for a relaxation of
la couche et la disparition dudit ménisque avant d'effectuer le tir. the layer and the disappearance of said meniscus before firing.
Une évolution de ces procédés consiste maintenant à réaliser des pièces prototypes à l'aide de dispositifs sans réservoir pour retenir la composition. De ce fait, il faut pouvoir disposer de compositions pâteuses au sens de matériau qui ne se déforme pas sous l'effet de la gravité, sans qu'il soit considéré An evolution of these processes now consists of making prototype parts using tankless devices to retain the composition. Therefore, it must be possible to have pasty compositions in the sense of material which does not deform under the effect of gravity, without it being considered
comme un solide.like a solid.
Une telle machine est décrite selon un mode de réalisation particulier Such a machine is described according to a particular embodiment
dans la demande de brevet français N 96 00107. in French patent application N 96 00107.
A cet effet, la présente invention propose une composition particulièrement adaptée au prototypage rapide, à forte réactivité et à rhéologie évitant tout recours à un réservoir et qui supprime l'effet de ménisque. L'invention est maintenant décrite selon un mode de réalisation particulier, plus spécifiquement pour être mise en oeuvre dans un dispositif du To this end, the present invention provides a composition particularly suitable for rapid prototyping, high reactivity and rheology avoiding any use of a reservoir and which suppresses the meniscus effect. The invention is now described according to a particular embodiment, more specifically for being implemented in a device of the
type de celui décrit dans la demande de brevet français N 96 00107. type of that described in French patent application N 96 00107.
Un tel dispositif utilise le procédé à couches suivant: - on étale la pâte en fine couche sur un support, cette couche se tenant d'elle-même, grâce à sa rhéologie adaptée, - on solidifie cette couche, suivant un profil donné correspondant à celui de la pièce prototype, par un traitement à l'aide d'un faisceau laser UV, par exemple à l'argon, dévié par des miroirs galvanométriques qui assurent le guidage précis du faisceau, - on dépose une nouvelle couche sur la première, Such a device uses the following layered process: - the dough is spread in a thin layer on a support, this layer holding itself, thanks to its adapted rheology, - this layer is solidified, according to a given profile corresponding to that of the prototype part, by a treatment using a UV laser beam, for example with argon, deflected by galvanometric mirrors which ensure precise guidance of the beam, - a new layer is deposited on the first,
- on solidifie de façon identique cette nouvelle couche. - This new layer is solidified identically.
Le traitement final des pièces est adapté en fonction de la nature de la composition utilisée pour obtenir une pièce prototype mécaniquement The final treatment of the parts is adapted according to the nature of the composition used to obtain a mechanically prototype part.
résistante.resistant.
Préalablement, la pièce est lavée dans un bain de solvants des matières organiques, essentiellement la résine, pour la débarrasser du surplus et ne Beforehand, the part is washed in a bath of organic matter solvents, essentially the resin, to get rid of the surplus and do not
laisser subsister que la matière organique polymérisée. leave only the polymerized organic matter.
On comprend que l'intérêt d'un tel procédé est celui de supprimer le contenant d'une part et surtout de travailler plus rapidement. En effet, la dépose mécaniquement forcée, par exemple au moyen d'un racleur comme dans le dispositif précédemment décrit permet de réaliser des couches très It is understood that the advantage of such a process is that of eliminating the container on the one hand and above all of working more quickly. Indeed, mechanically forced removal, for example by means of a scraper as in the device described above makes it possible to produce very
fine, très rapidement, d'une grande homogénéité. fine, very quickly, very homogeneous.
De plus, en fonction du temps de réactivité de la composition qui peut être très court, il est possible d'envisager plusieurs racleurs successifs, ce qui In addition, depending on the reactivity time of the composition which can be very short, it is possible to envisage several successive scrapers, which
est favorable à l'obtention de pièces dans des délais très courts. is in favor of obtaining parts in a very short time.
En effet, l'étalement des couches n'est pas subi mais imposé. Indeed, the spreading of the layers is not undergone but imposed.
La rhéologie de la pâte est de la plus haute importance et la présente invention propose une pâte céramique ayant un comportement plastique avec The rheology of the dough is of the utmost importance and the present invention provides a ceramic dough having a plastic behavior with
un seuil d'écoulement supérieur ou égal à 400 N/m2. a flow threshold greater than or equal to 400 N / m2.
Cette pâte a la composition de base suivante: - 70 à 90 % de céramique, en masse sur la masse totale, - 10 à 30 % de résine, en masse sur la masse totale, - 0,1 à 10 % de photoamorceur, en masse par rapport à la masse de résine, - 0,5 à 5% de dispersant, en masse par rapport à la masse de céramique, et - O à 10% d'agent épaississant, en masse par rapport à la masse de résine. Selon un mode de réalisation préférentiel, la composition est la suivante: - 75 à 85 % de céramique, en masse sur la masse totale, 15 à 25 % de résine, en masse sur la masse totale, - 0,5 à 10 % de photoamorceur, en masse par rapport à la masse de résine, - 0,5 à 4% de dispersant, en masse par rapport à la masse de céramique, et - O à 10% d'agent épaississant, en masse par rapport à la masse de résine. Dans un cas particulier o la céramique est une poudre d'Alumine commercialisée sous la référence CT 3000 par la société ALCOA, la composition suivante est indiquée: - 75 à 80 % de céramique, en masse sur la masse totale, à 22 % de résine, en masse sur la masse totale, - 0,5 à 5 % de photoamorceur, en masse par rapport à la masse de résine, - 2 à 4% de dispersant, en masse par rapport à la masse de céramique, et - O à 10% d'agent épaississant, en masse par rapport à la masse de résine. Dans cet exemple et dans les suivants This paste has the following basic composition: - 70 to 90% of ceramic, by mass of the total mass, - 10 to 30% of resin, by mass of the total mass, - 0.1 to 10% of photoinitiator, mass relative to the resin mass, - 0.5 to 5% dispersant, by mass relative to the ceramic mass, and - 0 to 10% thickening agent, by mass relative to the resin mass. According to a preferred embodiment, the composition is as follows: - 75 to 85% of ceramic, by mass over the total mass, 15 to 25% of resin, by mass over the total mass, - 0.5 to 10% of photoinitiator, by mass relative to the mass of resin, - 0.5 to 4% of dispersant, by mass relative to the mass of ceramic, and - 0 to 10% of thickening agent, by mass relative to the mass resin. In a particular case where the ceramic is an Alumina powder sold under the reference CT 3000 by the company ALCOA, the following composition is indicated: - 75 to 80% ceramic, by mass over the total mass, with 22% resin , by mass over the total mass, - 0.5 to 5% of photoinitiator, by mass relative to the mass of resin, - 2 to 4% of dispersant, by mass relative to the mass of ceramic, and - O to 10% thickening agent, by mass relative to the mass of resin. In this example and the following
- la résine est plus particulièrement un prépolymère du type 2,2'-bis[4- the resin is more particularly a prepolymer of the 2,2'-bis type [4-
(methacryloetoxy)phenyl] propane.(methacryloetoxy) phenyl] propane.
- le photoamorceur est un composé de formule 2,2'-dimethoxy-2- - the photoinitiator is a compound of formula 2,2'-dimethoxy-2-
phénylacétophénone, - le dispersant est un ester phosphorique, et l'épaississant est une dispersion aqueuse d'une résine, plus spécialement une dispersion dans l'eau d'une composition d'une résine phenylacetophenone, - the dispersant is a phosphoric ester, and the thickener is an aqueous dispersion of a resin, more especially a dispersion in water of a composition of a resin
polyuréthane et de diéthylène glycol monobutyl éther. polyurethane and diethylene glycol monobutyl ether.
Le procédé d'élaboration consiste à mélanger le dispersant et le photoamorceur avec la résine mise en température, comprise généralement The production process consists of mixing the dispersant and the photoinitiator with the temperature-adjusted resin, generally understood
entre 30 et 45 C, afin de lui conférer une viscosité adaptée. between 30 and 45 C, to give it a suitable viscosity.
La céramique est alors introduite dans les matières organiques liquides puis, après un premier mélange grossier, la composition est introduite dans un broyeur en sorte de l'homogénéiser. Des résultats intéressants sont obtenus The ceramic is then introduced into the liquid organic materials then, after a first coarse mixing, the composition is introduced into a grinder so as to homogenize it. Interesting results are obtained
par passage à plusieurs reprises dans un broyeur à cylindres. by passing several times through a roller mill.
La pâte obtenue est caractérisée par un seuil d'écoulement important qui lui permet de prendre la forme d'un contenant ce qui ne serait pas le cas d'un solide tout en interdisant sa chute immédiate lorsque le récipient est The paste obtained is characterized by a large flow threshold which allows it to take the form of a container which would not be the case for a solid while preventing its immediate fall when the container is
complètement renversé, ce qui ne serait pas le cas pour un liquide. completely overturned, which would not be the case for a liquid.
Un autre exemple consiste à réaliser une pâte du même type mais en Another example is to make a dough of the same type but
changeant la poudre céramique de type alumine par de la zircone. changing the alumina-type ceramic powder with zirconia.
Dans ce cas une composition adaptée est: - 75 à 85% de zircone TosohTZ3Y, en masse sur la masse totale, -15 à 25% de résine, en masse sur la masse totale -1 à 10 % de photoamorceur, en masse sur la masse de résine, - 0,5 à 4% de dispersant, en masse sur la masse de zircone, et - 0 à 5% d'épaississant, mesuré en masse par rapport à la masse de résine. Un autre exemple consiste à réaliser une pâte du même type mais en changeant la poudre céramique de type alumine ou zircone par de l'hydroxyapatite: Dans ce cas une composition adaptée est - 72 à 78% d'hydroxyapatite (Ca/P= 1,66) / (masse totale), - 20 à 26% de résine, en masse par rapport à la masse totale, - 0,5 à 5% de photoamorceur, en masse par rapport à la masse de résine, - 3 à 5% de dispersant, en masse par rapport à la masse d'hydroxyapatite, et In this case, a suitable composition is: - 75 to 85% of zirconia TosohTZ3Y, by mass over the total mass, -15 to 25% of resin, by mass over the total mass -1 to 10% of photoinitiator, by mass over the mass of resin, - 0.5 to 4% dispersant, by mass on the mass of zirconia, and - 0 to 5% of thickener, measured by mass relative to the mass of resin. Another example consists in making a paste of the same type but by changing the ceramic powder of the alumina or zirconia type with hydroxyapatite: In this case, a suitable composition is - 72 to 78% of hydroxyapatite (Ca / P = 1, 66) / (total mass), - 20 to 26% resin, by mass relative to the total mass, - 0.5 to 5% photoinitiator, by mass relative to the mass of resin, - 3 to 5% dispersant, by mass relative to the mass of hydroxyapatite, and
- O à 3% d'épaississant, en masse par rapport à la masse de résine. - 0 to 3% thickener, by mass relative to the mass of resin.
On peut donner un exemple de réalisation d'une pièce prototype ayant un volume de l'ordre de quelques cm3 avec 400 couches élaborées en 1 heure. On a vérifié aussi que les produits obtenus ont des résistances identiques à celles mesurées pour les produits réalisés par les autres moyens We can give an example of realization of a prototype part having a volume of the order of a few cm3 with 400 layers developed in 1 hour. It has also been verified that the products obtained have resistances identical to those measured for the products produced by other means.
connus. Ainsi pour l'alumine la rupture en flexion trois points est supérieure ou égale à 350 MPa et la ténacité est supérieure à 3MPaVm. known. Thus for alumina the three-point bending rupture is greater than or equal to 350 MPa and the toughness is greater than 3MPaVm.
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