FR3100734A1 - Imprimante 5D : imprimante 3D par dépôt de matière disposant de 5 axes - Google Patents

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Abstract

Dispositif d’impression 3D par dépôt de matière disposant de 5 axes de mouvement. Il permet d’orienter la pièce en cours d’impression afin d’utiliser au mieux la pesanteur. L’objectif est ici de fiabiliser et d’accélérer le processus d’impression, de diminuer voir de supprimer l’utilisation de supports externes et internes à l’élaboration d’une pièce.

Description

Imprimante 5D : imprimante 3D par dépôt de matière disposant de 5 axes
La présente invention se rapporte à l’impression de structures en trois dimensions par dépôt de matière. Plus précisément, l’invention concerne un dispositif, un système et procédé d’impression 3D.
Etat de la technique
L’impression tridimensionnelle suivant le procédé de fabrication additive, permet la réalisation simple et rapide d’objets réels. Initialement utilisé pour le maquettage et le prototypage, le système c’est à la fois professionnalisé et démocratisé. Il est désormais utilisé dans l’industrie dans la réalisation de pièces et outillages destinés à la production, et dans le grand public notamment pour la fabrication d’objets décoratifs ou ludiques. L’impression 3D est actuellement le seul moyen de production de pièces uniques ou adaptés à un besoin spécifique. Elle permet également la réalisation de pièces de rechanges, lutant ainsi contre l’obsolescence programmée.
Actuellement, il existe plusieurs types d’imprimantes 3D par dépôt de matière : Delta, cartésiennes et polaires. Leur fonctionnement est sensiblement identique et permet la translation une tête d’impression (ou buse) vers une position définie dans l’espace permettant ainsi le dépôt sur un point précis de la pièce en cours de réalisation.
Le système bien que très prometteur offre des résultats souvent décevant : durée d’impression très longue pouvant dépasser les 12 heures, nombreux défauts d’impression entrainant le rebus de la pièce. La durée d’impression est l’addition de la durée de réalisation de la pièce elle-même, mais également de nombreux supports sensés garantir l’accroche de la pièce au plateau, ainsi que le rendu de couches ne reposant pas sur la couche précédente (aplomb, pont).
Il est donc nécessaire de modifier le système actuel pour résoudre ces problèmes, en fiabilisant notamment la dépose de matière pour éviter les erreurs d’impression et limiter voire supprimer les supports, grands consommateurs de matière et de temps.
Description de l’invention
La présente invention propose une solution aux problèmes évoqués précédemment par l’utilisation judicieuse de la force d’attraction terrestre (poids de la matière en cours de dépôt).
L’invention a pour objet un dispositif d’impression 3D par dépôts de matière comprenant :
   - Une ou plusieurs têtes d’impressions alimentées en matière par des extrudeurs
   - Un plateau sur lequel la pièce sera imprimé
   - Un système automatisé permettant un déplacement linéaire des têtes d’impression (axe X)
   - Un système automatisé permettant le déplacement linéaire de l’axe X perpendiculairement à l’axe X (axe Y)
   - Un système automatisé permettant le déplacement linéaire des axes X et Y perpendiculairement au plan formé par les deux axes X et Y (axe Z)
   - Un système automatisé permettant la rotation du plateau dans un plan de l’espace (axe de rotation P)
   - Un système automatisé permettant la rotation du plan de l’axe P suivant un axe de rotation perpendiculaire à l’axe de rotation P (axe de rotation G)
Les 3 premiers axes (X, Y et Z) ont pour vocation le placement des têtes d’impression sur la pièce en cours d’impression suivant un système de coordonnées cartésiennes dans le repère fixe de la pièce.
Les 2 derniers axes (P et G) ont pour but d’orienter la pièce en cours d’impression dans l’espace afin de permettre l’orientation du vecteur correspondant à l’accélération de la pesanteur.
L’axe de rotation P permet la rotation du plateau. Si le plan de rotation est confondu avec le plan du plateau, il est possible de choisir de déplacer le plateau avec le système de déplacement X,Y et Z, ou le plateau seul :
   - La première option permet de garantir un placement très précis des têtes d’impression sur la pièce, l’ensemble du système est alors très volumineux.
   - La seconde option permet de gagner en encombrement du système et permet d’accroître les modes d’impression : cartésienne, polaire, mixte et enfin 5D.
Les 5 axes ainsi que les extrudeurs sont nécessairement synchronisés afin de permettre une dépose précise de matière dans l’espace. Un système électronique permet la gestion des différents composants du système d’impression (moteurs, capteurs, extrudeurs, …).
Le dispositif intègre également des capteurs permettant de connaitre la position des têtes d’impression ainsi que celle de la pièce en cours d’impression. Ces capteurs permettent l’initialisation ainsi que le calibrage du système.
Le logiciel embarqué (firmware) est développé spécifiquement pour ce système d’impression à 5 axes. Le protocole de communication (Gcode) habituellement utilisé est également aménagé pour y introduire les axes P et G.
La pièce en cours d’impression étant susceptible d’être tournée dans l’espace, l’adhérence de l’objet avec le plateau est primordiale. Un système de chauffage du plateau permet de répondre à ce besoin.
Description des figures
Illustre l’influence de la force d’attraction terrestre g sur la matière en cours de dépôt :
   11. Plateau
   12. Tête d’impression
   13. Pièce en cours d’impression
   14. Matière en cours de dépôt
Ces plans de coupe montrent la courbure du filament en cours de dépôt lorsque la pièce est à l’horizontal (à gauche) comparé à la rectitude attendue du filament (à droite) lorsque la même pièce est orientée pour que la dépose de matière suive l’orientation de la force gravitationnelle.
représente un exemple de construction de la présente invention, sans le portique extérieur destiné à recevoir l’axe G et épuré des systèmes d’automatisation (courroies, poulies, …). La tête d’impression (1) est mobile sur l’axe X suivant le chariot (3), lui-même mobile sur l’axe Y via le cadre (2). Le cadre (2) est lié aux tiges (4) lui permettant de se mouvoir sur l’axe Z. La tête d’impression est ainsi en capacité de se déplacer suivant les 3 axes X,Y et Z. Le plateau (5) destiné à recevoir la pièce à imprimer est un disque permettant des rotations dans les sens horaire et trigonométrique suivant l’axe P (6). Enfin, l’ensemble du système est mobile en rotation autour de l’axe G (7).
Modes de réalisation
Un des modes de réalisation possible est celui représenté partiellement par , c’est-à-dire par la réalisation classique d’une imprimante 3D cartésienne avec un cadre XY permettant la mobilité d’une tête d’impression sur le plan XY, cadre lui-même mobile suivant l’axe Z grâce à quatre barres verticales. L’axe P est réalisé en rendant le plateau tournant et l’axe G permet la rotation de l’ensemble du système.
L’automatisation est assurée par des moteurs pas à pas et des systèmes de poulies et de courroies, le tout relié à une carte mère.
Des capteurs permettent sur chaque axe X,Y,Z,P et G, de repérer les positions remarquables (origine, position min et max). Un capteur sur la tête peut également permettre l’initialisation de la position d’origine de la tête d’impression par rapport au plateau (altitude 0).
La tête d’impression est alimentée en matière par une extrudeuse reliée à la tête par un tube flexible creux. Cette méthode permet de réduire le poids de la tête d’impression limitant ainsi son inertie.
Applications industrielles possibles
Les applications industrielles sont nombreuses :
- Prototypage de pièces
- Usinage des pièces en petite série ou uniques
- Impression de pièces de rechange
- Impression de pièces et d’outillage sur mesure
- Réalisation de pièces difficile ou impossible à réaliser avec d’autres techniques
- Vente directe du système d’impression aux particuliers

Claims (5)

  1. Dispositif d’impression 3D par dépôts de matière comprenant :
    - Une ou plusieurs têtes d’impression (1) mobiles dans un espace cartésien.
    - Un plateau (5) sur lequel repose la pièce en cours de fabrication, orientable suivant deux axes de rotation perpendiculaires entre eux (P et G).
  2. Dispositif d’impression 3D selon la revendication 1, dans lequel le plan de rotation d’un des axes de rotation (axe P) est confondu au plan du plateau (5).
  3. Dispositif d’impression 3D selon la revendication 2, dans lequel l’axe de rotation P permet le déplacement du plateau (5) seul.
  4. Dispositif d’impression 3D selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant des capteurs permettant l’initialisation ou le calibrage du système
  5. Dispositif d’impression 3D selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant un système de chauffage du plateau (5)
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WO2015073322A1 (fr) * 2013-11-13 2015-05-21 Abb Technology Ag Système pour impression 3d robotisée
PT108504A (pt) * 2015-05-22 2016-11-22 Marques Anselmo Impressora 3d hnc (controlo numérico híbrido),constituída por um sistema híbrido que combina uma impressora 3d e um centro de maquinação em ambiente de produção com 5 eixos
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