FR2868003A1 - Element de construction pour prototypage rapide et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un élément de construction issu du produit de la réaction d'un matériau particulaire et d'un fluide aqueux, l'élément de construction comprenant une pluralité de couches du produit de réaction, ainsi que son procédé de fabrication. L'élément de construction se caractérise par le fait le matériau particulaire contient du ciment exempt de CaSO4. Dans l'état de la technique, les éléments de construction sont fabriqués à partir de plâtre auquel sont ajoutés des composants organiques tels que des adhésifs, des humectants ou des produits similaires. Ces composants organiques risquent de s'évaporer dans les domaines d'utilisation à température élevée (par exemple lors d'une coulée), ce qui altère la qualité de l'élément de construction et son voisinage. Au contraire, l'élément de construction conforme à l'invention est exempt de produits organiques et ce risque est donc éliminé.
Description
DESCRIPTION
L'invention concerne un élément de construction constitué en plusieurs couches issu du produit de la réaction d'un matériau particulaire et d'un fluide aqueux, l'élément de construction comprenant une pluralité de couches du produit de réaction. L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'un tel élément de construction. De tels pièces et procédés sont déjà connus du document WO 00/26026.
Les éléments de construction constitués de plusieurs couches et des procédés pour leur fabrication sont connus sous la dénomination des technologies rapides (Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing, Rapid Tooling, ...). Le frittage au laser sélectif ou l'impression en trois dimensions comme dans le document WO 00/26026 sont des exemples de tels procédés.
Le document WO 00/26026 décrit un élément de construction constitué en plusieurs couches et un procédé pour sa fabrication à partir de plâtre. Le terme plâtre englobe tous les matériaux contenant une part importante de CaSO4 %H2O.
Conformément au document WO 00/26026, le plâtre pulvérulent est disposé en couches avec des composants organiques ayant la fonction d'adhésifs, d'humectants ou des produits similaires, il est ensuite imprimé sélectivement avec de l'eau et ainsi consolidé par cristallisation. Le procédé est répété pour plusieurs couches successives afin de fabriquer un élément de construction tridimensionnel.
Les éléments de construction fabriqués ainsi présentent une résistance mécanique suffisante pour la plus part des utilisations. Cependant, les composants organiques s'évaporent dans les domaines d'utilisation à température élevée, ce qui altère la qualité de l'élément de construction et son voisinage.
L'objectif de la présente invention est de proposer un autre élément de construction constitué de plusieurs couches et un procédé pour sa fabrication qui permette d'obtenir une résistance mécanique au moins comparable avec des coûts de fabrication au plus identiques et qui ne nécessite pas ou en tout cas moins de composés organiques.
Conformément à l'invention, cet objectif est atteint en ce qui concerne l'élément de construction à réaliser du fait qu'il est issu du produit de la réaction d'un matériau particulaire et d'un fluide aqueux, l'élément de construction comprenant une pluralité de couches du produit de réaction, et du fait que le matériau particulaire contient du ciment exempt de CaSO4.
Un tel élément de construction constitue une alternative économique et de grande qualité aux éléments de construction conformes au document WO 00/26026. L'ajout de composants organiques n'est plus nécessaire bien qu'il reste possible.
Le terme ciment est défini dans la norme européenne EN 197-1 et 2 et présente comme constituant principal du SiO2 et du CaO aptes à réagir. Le CaSO4 n'est pas un composant principal ou secondaire habituel du ciment, mais du CaSO4 est parfois ajouté pour réguler le comportement de prise.
Conformément à l'invention, le matériau particulaire contient du ciment exempt de CaSO4. Exempt de CaSO4 signifie ici aussi exempt que possible, c'est-à-dire qu'il n'est pas exclu que le ciment contienne des traces insignifiantes (inférieures ou égale à 1 % en poids) de CaSO4i mais cette quantité est aussi faible que ce qui peut être acceptable économiquement.
Dans un mode de réalisation privilégié de l'invention, le matériau particulaire contient du ciment à prise hâtive, de préférence du ciment à prise rapide (désigné FE ou SE selon la norme DIN 1164-11). La fabrication de l'élément de construction est ainsi accélérée et sa qualité est améliorée.
Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'élément de construction conforme à l'invention, le matériau particulaire est à grain fin, de préférence à grain très fin, notamment à grain ultrafin. Cela signifie Grain fin: d95 <_ 60 pm et d50 < 20 pm, de préférence avec un rapport d50 sur d95 = 0,33 0,04; Grain très fin: d95 s 24 pm et d50 <_ 8 pm, de préférence avec un rapport d50 sur d95 = 0,33 0,04; Grain ultrafin: d95 16 pm et d50 <_ 5 pm, de préférence avec un rapport d50 sur d95 = 0,33 0,04; avec d95 = le diamètre des particules pour 95 % en poids du produit passé au tamis, et d50 = le diamètre des particules pour 50 % en poids du produit passé au tamis.
De tels ciments à grains fins, notamment à grains très fins, ont un besoin en eau plus faible et ils s'hydratent plus rapidement. Les éléments de construction fabriqués avec ceux-ci ont une porosité plus faible et une résistance à la pression plus élevée, leur texture est plus dense et plus homogène que les produits fabriqués avec une répartition des tailles de particules courante sur le marché.
La présence de CaSO4 doit être évitée pour les domaines de granulométrie très fine et ultrafine car le CaSO4 se concentre dans des fractions de particules lors de procédés usuels de fabrication de ciment de façon non reproductive, ce qui ne permet pas d'assurer une qualité constante de l'élément de construction.
Dans un autre mode de réalisation de l'élément de construction conforme à l'invention, le matériau particulaire contient des matières de charge, de préférence des oxydes réfractaires, notamment les oxydes et/ou mélanges d'oxydes des éléments AI, Zr, Si, Mg, Ca ou Ti, ou des carbures réfractaires ou des nitrites des éléments Si et/ou Ti. On privilégiera notamment le ZrSiO4, le AI2O3, le SiC et/ou le ZrO2. De telles matières de charge sont particulièrement bien adaptées pour l'ajustage de la résistance et de la porosité aux gaz de l'élément de construction.
II est préférable que le matériau particulaire comprenne 25 à 75 % en poids de matières de charge. Il est ainsi possible d'ajuster la résistance de l'élément de construction, imposée par les spécificités de l'utilisation, avec une fourchette suffisamment grande.
Dans un autre mode de réalisation de l'élément de construction conforme à l'invention, 30 le matériau particulaire contient des agents dispersants, de préférence un condensat de naphtalène sulfonate et de formaldéhyde.
Ceci favorise la formation de couches homogènes. La teneur de tels agents dispersants ne devrait cependant pas dépasser 5 % en poids de la composition du ciment, de préférence même être inférieure à 3 % en poids, car sinon il en résulterait une perte de résistance, notamment une perte de résistance à la pression, qui ne peut pas être admise.
Dans un autre mode de réalisation de l'élément de construction conforme à l'invention, 5 le matériau particulaire contient un rétenteur d'eau, tel que de la méthylcellulose, du PVP ou du PVA.
Dans un autre mode de réalisation de l'élément de construction conforme à l'invention, le matériau particulaire contient un accélérateur de prise, par exemple des acides sulfoniques d'arène et leurs dérivés sodés ou du sulfoaluminate de calcium, du formiate de calcium, de l'aluminate de sodium, du chlorure de sodium ou du sulfocyanate.
Dans un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, le matériau particulaire contient des particules de charge qui sont enduites d'additifs comme des agents dispersants et/des rétenteurs d'eau et/ou des accélérateurs de prise. En enduisant les particules de charge, il est possible d'homogénéiser la répartition des additifs et de minimiser leur quantité de sorte que leur concentration totale est en général inférieure à 2 % en poids, dans de rares cas pouvant aller jusqu'à 4 % en poids.
L'élément de construction peut être conçu comme un moule de coulée.
L'avantage économique d'éléments de construction conforme à l'invention est particulièrement prononcé dans le cas des moules de coulée. À cela s'ajoute que conformément à l'invention, les composants organiques ne sont pas nécessaires. Leur absence permet un procédé de coulée optimal qui sinon serait altéré en raison de l'évaporation des composants organiques. De plus, l'ajout d'une quantité de charges permet d'ajuster à la valeur souhaitée la porosité aux gaz de l'élément de construction ou du moule de coulée. Cela facilite le dégazage du matériau coulé.
L'objectif est atteint en ce qui concerne le procédé pour la fabrication d'un élément de construction conformément à l'invention du fait qu'il comprend les étapes suivantes: É réalisation d'une première couche de matériau particulaire, É application d'un liquide aqueux sur cette première couche, É réaction d'au moins une partie du matériau particulaire et du liquide aqueux pour 35 la formation d'une première couche au moins partiellement résistante, É réalisation d'une deuxième couche de matériau particulaire, É application d'un liquide aqueux sur la deuxième couche, É réaction d'au moins une partie du matériau particulaire et du liquide aqueux pour la formation d'un élément de construction résistant comprenant au moins des 5 parties de la première et de la deuxième couche, procédé dans lequel on utilise comme matériau particulaire du matériau particulaire conforme à l'invention.
Un tel procédé constitue une alternative économique et de grande qualité au procédé o proposé dans le document WO 00/26026.
Dans un mode de réalisation privilégie du procédé de l'invention, la prise est favorisée par chauffage.
La réaction de cristallisation à proprement parler se déroule de façon exotherme, mais l'énergie d'activation nécessaire pour son démarrage peut être apportée en chauffant de l'extérieur. Une telle aide n'est pas possible dans le procédé proposé dans le document WO 00/26026 car l'évaporation des composés organiques gênerait un processus de prise homogène.
Une autre possibilité consiste à ajouter des accélérateurs de prise chimiques tels que le CaCl2, des acides sulfoniques d'arène et leurs composés sodiques ou des sulfoaluminates de calcium, du formiate de calcium, de l'aluminate de sodium ou du sulfocyanate (Rhodanid). Leur concentration ne devrait pas dépasser 1 % en poids, de préférence être inférieure à 0,5 % en poids.
Le ciment exempt de CaSO4 conforme à la description précédente trouve avantageusement une application pour un procédé de prototypage rapide, notamment pour un procédé d'impression tridimensionnel.
L'élément de construction et le procédé de sa fabrication conformes à l'invention sont décrits plus en détail dans la suite à l'aide d'un exemple de réalisation: Du ciment Portland à grain très fin et exempt de CaSO4 est utilisé comme matériau 35 particulaire pour la fabrication de l'exemple de réalisation. Du silicate de zirconium à grain fin est ajouté de façon homogène comme produit de charge à raison de 50 % en poids avec une répartition de la taille des grains étroite comprise entre 20 et 80 pm. Avec une telle composition, l'ajout d'agents de dispersion n'est pas nécessaire.
La teneur élevée en produits de charge a pour effet d'obtenir une résistance de l'élément de construction d'environ 10 MPa relativement faible, mais cependant suffisante et avantageuse pour une utilisation comme moule de coulée. De tels éléments de construction, notamment pour les noyaux de moule difficiles d'accès, peuvent être facilement détruits puis enlevés après la coulée.
500 ppm d'aluminate de sodium à grain très fin sont ajoutés comme accélérateur de prise ainsi que du PVP à grain très fin à une teneur de 1 % en poids comme rétenteur d'eau.
Ce mélange est soumis en tant que matériau de construction particulaire à une procédé d'impression tridimensionnel habituel à l'aide duquel un moule de coulée est fabriqué à partir d'un enregistrement 3D prédonné par impression de plusieurs couches successives de particules avec de l'eau du robinet. À cet effet, on utilise un rapport pondéral eau/ciment d'environ 1: 3 ou un rapport pondéral eau/matière solide d'environ 1: 6 pour les domaines à imprimer.
Les moules de coulée ainsi obtenus se caractérisent par l'absence pratiquement complète de composants organiques de sorte qu'il ne se forme presque pas de gaz lors de la coulée.
Le procédé et l'élément de construction conformes à l'invention, dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, se sont avérés être particulièrement bien adaptés pour des utilisations de coulage, notamment pour l'industrie automobile.
Outre l'absence de l'évaporation, ils sont avantageux économiquement.
L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit précédemment et peut être transposable à bien d'autres utilisations.
Ainsi, en utilisant du ciment à prise rapide (catégorie SE), il est possible de réduire énormément le temps de fabrication du moule de coulée, ce qui permet à nouveau de faire des économies.
De plus, le ciment est non seulement d'une utilisation avantageuse pour la fabrication d'éléments de construction par impression à trois dimensions, mais il est très bien adapté pour une fabrication par frittage laser sélectif, notamment le ciment à gain fin et grain très fin.
Claims (8)
1. Élément de construction issu du produit de la réaction d'un matériau particulaire et d'un fluide aqueux, l'élément de construction comprenant une pluralité de couches du produit de réaction, caractérisé en ce que le matériau particulaire contient du ciment exempt de CaSO4.
2. Élément de construction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 10 matériau particulaire est à grain fin, de préférence à grain très fin.
3. Élément de construction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau particulaire contient des matières de charge, de préférence des oxydes réfractaires, notamment les oxydes et/ou mélanges d'oxydes des éléments Al, Zr, Si, Mg, Ca ou Ti, ou des carbures réfractaires ou des nitrites des éléments Si et/ou Ti.
4. Élément de construction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau particulaire contient des agents dispersants, de préférence un condensat du naphtalènesulfonate et du formaldéhyde.
5. Élément de construction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un moule de coulée.
6. Procédé pour la fabrication d'un élément de construction selon l'une des 25 revendications précédentes, incluant les étapes suivantes É réalisation d'une première couche de matériau particulaire, É application d'un liquide aqueux sur cette première couche, É réaction d'au moins une partie du matériau particulaire et du liquide aqueux pour la formation d'une première couche au moins partiellement résistante, É réalisation d'une deuxième couche de matériau particulaire, É application d'un liquide aqueux sur la deuxième couche, É réaction d'au moins une partie du matériau particulaire et du liquide aqueux pour la formation d'un élément de construction résistant comprenant au moins des parties de la première et de la deuxième couche, caractérisé en ce que le matériau particulaire utilisé contient du ciment exempt de CaSO4, lequel matériau particulaire est à grain fin, de préférence à grain très fin; et/ou contient des matières de charge, de préférence des oxydes réfractaires, notamment 5 les oxydes et/ou mélanges d'oxydes des éléments Al, Zr, Si, Mg, Ca ou Ti, ou des carbures réfractaires ou des nitrites des éléments Si et/ou Ti; et/ou - contient des agents dispersants, de préférence un condensat du naphtalènesulfonate et du formaldéhyde.
7. Procédé pour la fabrication d'un élément de construction selon la revendication 6, caractérisé en ce que la prise est favorisée par chauffage.
8. Utilisation de ciment exempt de CaSO4 pour un procédé de prototypage rapide, notamment pour un procédé par impression tridimensionnel.
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