FR3081746A1 - Procede de fabrication conjointe, par la technique des procedes additifs, d’une piece et de son support, et piece obtenue apres retrait du support - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un procédé de fabrication, par la technique des procédés additifs, d'une pièce crue en un matériau céramique, procédé suivant lequel des couches (C1) à base d'une composition photodurcissable comprenant ledit matériau céramique sont amenées successivement à durcir par irradiation selon un motif défini pour chaque couche (C1), caractérisé par le fait que l'on fait durcir chacune des couches (C1), aussi bien dans sa partie pièce (C1A), que dans sa partie support (C1B), en conduisant un balayage laser, appelé lasage, de la surface libre de ladite couche (C1) avec application d'au moins un paramètre de lasage différent entre la partie pièce (C1A) et la partie support (C1B), de telle sorte que, une fois l'ensemble des couches formées, la pièce crue (P), constituée de l'ensemble des parties pièce (C1A) des différentes couches, soit piégée dans l'ensemble (S) des couches successives de la partie support (C1B) et détachable de celui-ci.
Description
French
Description
Description
Titre de l’invention : PROCEDE DE FABRICATION CONJOINTE, PAR LA TECHNIQUE DES PROCEDES ADDITIFS, D’UNE PIECE ET DE SON SUPPORT, ET PIECE OBTENUE APRES RETRAIT DU SUPPORT [0001 ] [La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces par la technique des procédés additifs. Ces pièces sont notamment des pièces en matériau céramique.
[0002] La technique des procédés additifs, également appelée stéréolithographie ou impression 3D, comprend généralement les étapes suivantes, pour l’obtention de pièces à l’état cru en matériau céramique :
- on construit, par conception assistée par ordinateur, un modèle informatique de la pièce à fabriquer, modèle dont les dimensions sont légèrement plus grandes que celtes de la pièce à fabriquer afin de prévoir un retrait de la céramique au cours de la cuisson (déliantage et frittage) de la pièce ; et
- on fabrique la pièce par la technique des procédés additifs, technique selon laquelle :
- on forme, sur une plate-forme de travail, une première couche d’une composition photodurcissable comprenant généralement au moins une matière céramique, au moins un monomère et/ou oligomère photodurcissable, au moins un photoinitiateur et te cas échéant au moins un plastifiant et/ou au moins un solvant et/ou au moins un dispersant ;
- on fait durcir la première couche de la composition photodurcissable par irradiation (par balayage laser de la surface libre de ladite couche ou par système de projection à diodes) selon un motif défini à partir du modèle pour ladite couche, formant un premier étage ;
- on forme, sur le premier étage, une seconde couche de la composition photodurcissable ;
- on fait durcir la seconde couche de la composition photodurcissable, par irradiation selon un motif défini pour ladite couche, formant un deuxième étage, cette irradiation s’effectuant comme pour la première couche ;
French Description
- optionnellement, on répète les étapes ci-dessus pour obtenir la pièce à l’état cru.
[0003] Ensuite, pour obtenir la pièce finie, on nettoie la pièce à l’état cru pour enlever la composition non durcie ; on déliante la pièce à l’état cru nettoyée ; et on fritte la pièce à l’état cru nettoyée et déliantée pour obtenir la pièce finie.
[0004] Ce procédé de fabrication ne nécessite pas de support rigide indépendant de la pièce crue pendant la fabrication de celle-ci.
[0005] Cependant, les pièces crues doivent tout de même être maintenues solidement sur la plate-forme de travail pour éviter les glissements qui endommagent la qualité et les tolérances des pièces. Pour cela, on construit la pièce avec son support intégré, ce dernier devant ensuite être détaché de la pièce. Il faut donc à chaque fois prévoir et concevoir un support spécifique à la pièce, ce qui augmente le coût de fabrication de la pièce.
[0006] Un support performant doit donc permettre de réaliser les fonctions suivantes :
- être rapidement conçu en CAO, voire être automatisé ;
- maintenir et protéger la pièce pendant l’impression 3D ;
- être facilement nettoyable ;
- permettre la construction de géométries très complexes avec de faibles sections ;
- ne pas laisser de défauts sur la pièce ;
- être facilement détachable de la pièce.
[0007] La Société déposante a cherché à développer une technologie de support de fabrication répondant aux critères ci-dessus et a découvert une nouvelle technologie de support de pièce. Selon cette approche, nouvelle et originale, le balayage laser de chaque couche étalée sur le plateau de travail n’est plus effectué aux emplacements correspondant à la pièce seulement, mais est effectué sur l’ensemble de la couche, mais avec au moins un paramètre différent entre les emplacements correspondant à la pièce (ces emplacements étant désignés la partie pièce de la couche considérée) et ceux entourant ces emplacements (ces emplacements étant désignés la partie support de la couche
French Description considérée) de façon à construire, en même temps que la pièce, un bloc de matériau support renfermant ou entourant la pièce, mais étant apte à se détacher facilement de celle-ci du fait de la différence de propriétés de cohésion dans le plan des couches entre la partie pièce et la partie support, la cohésion de la partie support étant de préférence inférieure à celle de la partie pièce pour permettre un meilleur détachement du support de la pièce.
[0008] On créée en effet, avec des paramètres de lasage différents, une cohésion d’un premier type pour la partie pièce, et une cohésion d’un deuxième type pour la partie support, dans le plan des couches. Ces différences de cohésion, dans le plan des couches, entre la partie pièce et la partie support, créent une interface entre la partie pièce et la partie support qui permet le détachement aisé de la pièce et du support une fois le procédé de fabrication achevé.
[0009] Les propriétés du support ultérieurement détachable, telles que sa rigidité ou sa densité, sont obtenues par un choix approprié de ces paramètres en fonction notamment de la typologie de la pièce : pièce fine, poreuse, allongée, etc.
[0010] Ainsi, contrairement à la voie classique dans laquelle l’étape de conception d’un support peut prendre beaucoup de temps, la création d’un support selon l’invention est une opération qui se confond avec la création de la pièce, la surface de chaque couche devant former le support (partie support) étant constituée par la surface totale de la couche moins la partie pièce devant former la pièce.
[0011] En d’autres termes, les opérations de maquettage numérique sont réduites et simplifiées selon la présente invention.
[0012] Pendant toute la construction de la pièce, cette dernière est à chaque instant bien supportée et/ou entourée puisque la construction du support est menée simultanément à celle de la pièce.
[0013] La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication, par la technique des procédés additifs, d’une pièce crue en un matériau céramique, procédé suivant lequel des couches à base d’une composition photodurcissable comprenant ledit matériau céramique sont amenées successivement à durcir par irradiation selon un motif défini pour chaque couche, caractérisé par le fait que
French Description
Ton fait durcir chacune des couches, aussi bien dans sa partie correspondant à ia pièce, désignée partie pièce, que dans sa partie hors pièce, désignée partie support, en conduisant un balayage laser, appelé lasage, de la surface libre de ladite couche avec application d’au moins un paramètre de lasage différent entre la partie pièce et la partie support, les paramètres de lasage étant configurés de telle sorte que :
- la cohésion dans le plan des couches est différente entre la partie pièce et la partie support, et
- les couches successives formées de la partie support sont aptes à supporter les couches successives formées de la partie pièce, de telle sorte que, une fois l’ensemble des couches formées, la pièce crue, constituée de l’ensemble des parties pièce des différentes couches, soit piégée dans l’ensemble des couches successives de la partie support et détachable de celui-ci.
[0014] Ainsi, il y a de nombreux avantages. Outre le fait qu’il n’est plus nécessaire de concevoir un support particulier pour chaque pièce à fabriquer, le détachement facile de la pièce et de son support rend le nettoyage de la pièce plus rapide et plus facile pour un opérateur, réduisant considérablement et les temps et coûts de fabrication.
[0015] En outre, la pièce étant construite avec son support, il est possible de concevoir et fabriquer plus facilement des pièces avec des parties de faible section, fragiles.
[0016] L’invention offre l’avantage complémentaire de permettre la construction en parallèle et/ou étagée de plusieurs pièces, éventuellement de formes différentes entre elles, au sein d’un même support.
[0017] Egalement, l’invention permet de réaliser des pièces avec des cavités ouvertes et/ou avec des géométries complexes, à faibles sections, lesquelles ne sont pas réalisables par la voie connue. On peut citer des pièces avec des cavités débouchantes mais non supportées, des noyaux de fonderie, etc.
French Description [0018] Seton un mode de réalisation, la composition photodurcissable peut comprendre en outre une partie organique comprenant au moins un monomère et/ou un oligomère photodurcissable et au moins un photo-initiateur.
[0019] De préférence, la première couche peut être formée sur une plate-forme de construction, et chaque autre couche être formée puis amenée à durcir sur la couche précédente.
[0020] La partie support peut envelopper ou entourer en tout ou partie la partie pièce.
[0021] Ainsi, la différence de cohésion dans le plan des couches entre la partie pièce et la partie support créée une interface entre la partie pièce et la partie support, interface qui permettra, une fois le lasage des différentes couches effectué, un détachement simple et rapide de la pièce et de son support.
[0022] Selon un mode de réalisation particulier, on fait varier au moins l’un des paramètres de lasage suivants entre la partie pièce et la partie support de chaque couche :
- la puissance laser ;
- l’écart de hachure ;
- la vitesse du laser ;
- le nombre de balayages laser ;
- la direction des balayages laser.
[0023] Selon un mode de réalisation particulier, pour deux couches successives, les directions de lasage pour la partie support sont identiques et les directions de lasage pour la partie pièce sont différentes. On créée ainsi une différence de cohésion dans le plan des couches.
[0024] Selon un mode de réalisation particulier, pour deux couches successives, les directions de lasage pour la partie support sont identiques et les directions de lasage pour la partie pièce sont orthogonales [0025] Selon un mode de réalisation particulier, l’écart de hachures pour la partie support est plus grand que l’écart de hachures pour la partie pièce.
[0026] Selon un mode de réalisation particulier, la puissance de lasage pour la partie support est inférieure à la puissance de lasage pour la partie pièce.
French Description [0027] Afin de mieux illustrer l’objet de la présente invention, on va en décrire ciaprès un mode de réalisation particulier, en référence aux dessins annexés.
[0028] Sur ces dessins :
- les [Fig. 1a] et [Fig. 1b] représentent deux couches successives lors de la fabrication d’une pièce et de son support selon une première variante du procédé de l’invention, dans laquelle le support enveloppe complètement la pièce ;
- la [Fig. 2] représente une variante de la [Fig. 1a] dans laquelle le support entoure la pièce ;
- la [Fig. 3] représente la pièce et son support selon la première variante, à l’issue du procédé de fabrication et avant détachement de la pièce et de son support.
[0029] Si l’on se réfère aux [Fig. 1a] et [Fig. 1b], on peut voir que l’on y a représenté deux couches successives C1, C2, obtenues lors de la fabrication d’une pièce crue en un matériau céramique selon le procédé de la présente invention.
[0030] Les couches C1 et C2 sont, dans l’exemple représenté, carrées et comprennent chacune une partie pièce centrale, respectivement 01A et C2A, également carrée, et une partie hors pièce ou partie support, respectivement C1B et C2B entourant la partie pièce, respectivement C1A et C2A, la limite entre les deux parties, respectivement C1A, C1B et C2A, C2B, sur les [Fig. 1a] et [Fig. 1b] étant représentée, pour une meilleure commodité de lecture, par une ligne discontinue, les deux parties respectivement C1A, C1B et C2A, C2B étant sinon contiguës, la partie pièce, respectivement C1A, C1B, étant dans cette variante complètement enveloppée par la partie support, respectivement C2A, C2B. La ligne discontinue figure la frontière entre des paramètres de lasage différents pour chacune des parties respectivement C1A, C1B et C2A, C2B.
[0031] Sur les [Fig. 1a] et [Fig. 1b], les hachures représentent le lasage de chaque partie de la couche lors du procédé selon l’invention.
[0032] Les hachures sur la partie pièce C1 A, C2A, sont très rapprochées, indiquant un lasage très fin de ces parties, tandis que les hachures sur la partie support C1B, C2B, sont plus écartées, indiquant un lasage plus grossier.
[0033] En outre, on peut voir qu’entre les couches C1 et C2, si la direction de lasage reste identique pour les parties support C1B et C2B, la direction de lasage pour
French Description la partie pièce C1A de la couche C1 est orthogonale à la direction de lasage pour la partie pièce C2A de la couche C2.
[0034] Ainsi, entre deux couches successives, les paramètres de lasage restent identiques pour la partie support, mais diffèrent pour la partie pièce.
[0035] L’effet de cette différence est que, pour deux couches successives C1 et 02, la cohésion dans le plan des couches est différente pour la partie pièce et pour la partie support, la cohésion étant de préférence supérieure pour la partie pièce.
[0036] Cette différence de cohésion créée une interface entre la pièce et le support qui permet, une fois te lasage des couches terminé, de facilement détacher la pièce et son support. Cette différence de cohésion pourra notamment entraîner mécaniquement une différence d’élasticité ou dureté entre la pièce et son support, facilitant d’autant leur détachement.
[0037] Bien que dans l’exemple représenté sur les [Fig. 1a] et [Fig. 1b], on ait illustré le seul paramètre de direction de lasage comme différent entre les parties pièces de deux couches successives, il est évident pour l’homme du métier que d’autres paramètres de lasage peuvent être amenés à varier, sans s’écarter du cadre de la présente invention.
[0038] En particulier, une différence de cohésion entre la partie pièce et la partie support peut être créée en utilisant des paramètres de lasage différents pour te partie pièce et la partie support, les paramètres de lasage restant inchangés d’une couche à l’autre.
[0039] L’homme du métier peut ainsi faire varier un ou plusieurs paramètres parmi :
- la puissance laser ;
- l’écart de hachure ;
- la vitesse du laser ;
- le nombre de balayages laser ;
- la direction des balayages laser [0040] L’homme du métier saura utiliser ces différents paramètres pour qu’il existe une différence de cohésion telle, entre la partie pièce et la partie support, qu’à l’issue du procédé de fabrication, la partie pièce et la partie support puissent se détacher facilement.
French Description [0041] II est à noter que la partie support devra tout de même être lasée pour avoir une résistance suffisante pour permettre de soutenir la pièce lors de sa fabrication. La partie support servira alors, telle une matrice, à envelopper ou entourer la pièce pour la supporter durant le procédé de fabrication.
[0042] Bien qu’une forme simple pour la pièce, un carré, ait été illustrée dans les Figures, il est bien entendu que l’intérêt du procédé selon l’invention est qu’il permet de réaliser une pièce de n’importe quelle forme, puisqu’elle peut être supportée par la partie support et facilement détachée de celle-ci.
[0043] Si l’on se réfère à la [Fig. 2], on peut voir que l’on y a représenté une variante pour la position de la partie support et de la partie pièce par rapport aux [Fig. 1a] et [Fig. 1b], Dans cette variante, la couche C3 est formée d’une partie pièce C3A, carrée, et d’une partie support C3B, en forme de L, entourant la partie pièce C3A sur deux côtés. Comme pour les [Fig. 1a] et [Fig. 1b], la limite entre la partie pièce C3A et la partie support C3B a été figurée par une ligne discontinue pour plus de visibilité. Il est bien entendu que les deux parties C3A et C3B sont en fait contiguës, la ligne discontinue figurant la frontière entre des paramètres de lasage différents pour chacune des parties C3A et C3B, ici encore la finesse du lasage plus grande pour la partie pièce C3A que pour la partie support C3B.
[0044] Ainsi, avec ces deux variantes, on s’aperçoit qu’avec le principe de l’invention, il est possible de prévoir des formes différentes pour les parties support, en fonction de la géométrie des pièces à fabriquer.
[0045] Comme pour les Figures précédentes, il est bien entendu que d’autres paramètres de lasage peuvent être utilisés pour créer une différence de cohésion entre la partie pièce C3A et la partie support C3B.
[0046] Si l’on se réfère à la [Fig. 3], on peut voir que l’on y a représenté la pièce finale P enveloppée dans son support S à l’issue du procédé de fabrication selon l’invention, avant le détachement de la pièce P et du support S.
[0047] Bien que la composition de chaque couche soit uniforme avant lasage dans le procédé de fabrication selon la présente invention, la différence de paramètres de lasage entre les parties pièce et support créée une différence de cohésion entre la pièce P, représentée en pointillés dans le support S qui l’enveloppe. Un
French Description tel résultat serait par exemple obtenu en réalisant le procédé selon l’invention sur des couches du type de celles représentées en [Fig. 1a] et [Fig. 1b], Cette différence de cohésion créée une différence de tenue entre la pièce P et le support S, la pièce P ayant une tenue supérieure au support S, qui permet de facilement détacher la pièce P du support S.
[0048] En pratique, une fois l’ensemble pièce-support réalisé comme sur la [Fig. 3], on vient détacher le support S en le désagrégeant pour libérer la pièce P. Cette opération peut être effectuée manuellement, sans déformer ni casser la pièce P. Elle laisse par ailleurs une pièce P sans résidus ni défaut à l’interface avec le support S.
[0049] Il est bien entendu que l’invention n’est pas limitée à la réalisation d’une seule pièce par support. Le support, s’il est lasé avec des paramètres qui lui confèrent une tenue mécanique suffisante, est apte à supporter le poids d’une ou plusieurs pièces. L’homme du métier, en fonction de la tenue mécanique et de la résistance souhaitées, sera définir les paramètres de lasage du support en fonction du nombre, de la géométrie et du poids de la ou des pièces qu’il aura à supporter, tout en maintenant une différence de cohésion entre la partie pièce(s) et la partie support.
[0050] Les matériaux céramiques sont les matériaux céramiques frittables pulvérulents choisis notamment parmi l’alumine (AI2O3), la zircone (ZrO2), l’alumine renforcée par zircone, la zircone renforcée par alumine, le zircon (ZrSiO4), la silice (SiO2), l’hydroxyapatite, la zircon silice (ZrSiO4 + SiO2), le nitrure de silicium, le phosphate tricalcique (TCP), le nitrure d’aluminium, le carbure de silicium, la cordiérite, la mullite et leurs mélanges.
[0051 ] A titre d’exemple non limitatif montrant que l’invention peut être mise en pratique, le matériau étant de l’alumine sur une machine CERAMAKER® 900 de la société déposante, on obtient une partie pièce facilement détachable d’une partie support, qui supporte la partie pièce durant le processus de fabrication de la pièce selon le procédé de l’invention, avec les paramètres de lasage suivants :
French
Description
| Pièce | §wo*x | |
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Claims (1)
- Revendications
[Revendication 1] 1 - Procédé de fabrication, par la technique des procédés additifs, d’une pièce crue (P) en un matériau céramique, procédé suivant lequel des couches (Cl; C2; C3) à base d’une composition photodurcissable comprenant ledit matériau céramique sont amenées successivement à durcir par irradiation selon un motif défini pour chaque couche (Cl; C2; C3), caractérisé par le fait que l’on fait durcir chacune des couches (Cl; C2; C3), aussi bien dans sa partie correspondant à la pièce (P), désignée partie pièce (CIA; C2A; C3A), que dans sa partie hors pièce, désignée partie support (C1B; C2B; C3B), en conduisant un balayage laser, appelé lasage, de la surface libre de ladite couche (Cl; C2; C3) avec application d’au moins un paramètre de lasage différent entre la partie pièce (CIA; C2A; C3A) et la partie support (C1B; C2B; C3B), les paramètres de lasage étant configurés de telle sorte que : - la cohésion dans le plan des couches est différente entre la partie pièce (CIA; C2A; C3A) et la partie support (C1B; C2B; C3B), et - les couches successives formées de la partie support (C1B; C2B; C3B) sont aptes à supporter les couches successives formées de la partie pièce (CIA; C2A; C3A), de telle sorte que, une fois l’ensemble des couches formées, la pièce crue (P), constituée de l’ensemble des parties pièce (CIA; C2A; C3A) des différentes couches, soit piégée dans l’ensemble (S) des couches successives de la partie support (C1B; C2B; C3B) et détachable de celui-ci [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l’on fait varier au moins l’un des paramètres de lasage suivants entre la partie pièce (CIA; C2A; C3A) et la partie support (C1B; C2B; C3B) de chaque couche (Cl; C2; C3) : - la puissance laser ; - l’écart de hachure ; - la vitesse du laser ; - le nombre de balayages laser ; - la direction des balayages laser. [Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que, pour deux couches successives, les directions de lasage pour la partie support (C1B; C2B; C3B) sont identiques et les directions de [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] lasage pour la partie pièce (CIA; C2A; C3A) sont différentes.Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que, pour deux couches successives, les directions de lasage pour la partie support (C1B; C2B; C3B) sont identiques et les directions de lasage pour la partie pièce (CIA; C2A; C3A) sont orthogonales.Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l’écart de hachure pour la partie support (C1B; C2B; C3B) est plus grand que l’écart de hachure pour la partie pièce (CIA; C2A; C3A).Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la puissance de lasage pour la partie support (C1B; C2B; C3B) est inférieure à la puissance de lasage pour la partie pièce (CIA; C2A; C3A).
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