FR3112977A1

FR3112977A1 - Système d’entraînement de pour machine de fabrication additive par dépôt de fil fondu

Info

Publication number: FR3112977A1
Application number: FR2008053A
Authority: FR
Inventors: Alexis THEZE; Gilles REGNIER; Alain Guinault
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers; Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM; Safran SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers; Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM; Safran SA
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2040-07-29
Also published as: FR3112977B1

Abstract

Le présent document concerne un système d’entrainement pour filament (18) d’un dispositif de fabrication additive, comprenant : - des moyens d’entraînement comprenant un galet d’entraînement (4) comprenant un axe(A1) et monté sur un arbre d’un moteur, - des moyens presseurs du filament (18) sur les moyens d’entrainement, caractérisé en ce que les moyens d’entraînement comprennent au moins une première (38) et une seconde (40) surfaces de révolution formées autour du galet d’entraînement (4) et espacées le long de l’axe (A1) du galet d’entraînement (4). Figure à publier avec l’abrégé : Figure numéro 6 [Fig. 6]

Description

Système d’entraînement de pour machine de fabrication additive par dépôt de fil fondu

Domaine technique de l’invention

Le présent document concerne généralement la fabrication additive, et plus spécifiquement un système d’entraînement de filaments pour imprimante utilisant la fabrication additive.

Etat de la technique antérieure

Afin de fabriquer des objets tridimensionnels, une des techniques connues est d’employer un dispositif de fabrication additive. Un dispositif de fabrication additive de filaments fondus permet de fabriquer un objet à partir d’un matériau de construction sur la base d’un modèle informatisé et d’un processus spécifique.

Le procédé de fabrication additive consiste à construire une pièce tridimensionnelle couche par couche à partir du matériau de construction. Classiquement, le matériau de construction est stocké sous forme de filament enroulé sur une bobine de stockage. Les filaments ont généralement un diamètre de 1.75mm ou 3mm.

Classiquement, le dispositif de fabrication additive comprend un système d’entrainement 2, comme illustré en figure 1 et 2, comportant des moyens d’entrainement et des moyens presseurs.

Les moyens d’entrainement comprennent un galet d’entraînement 4 monté sur un arbre d’un moteur. Le galet d’entraînement 4 comporte des dents 6 réalisant des logements concaves.

Les moyens presseurs comporte un levier comprenant un premier bras de levier 8 et un second bras de levier 10 relié l’un à l’autre par un axe de rotation 12, le premier bras de levier 8 portant un galet presseur 14 et le second bras de levier 10 étant contraint par un organe élastique 16 de manière à ce que le galet presseur 14 vienne appuyer un filament 18 de la bobine contre le galet d’entrainement 4.

Dans d’autres configurations, comme illustré en figure 3, le galet presseur 14 comporte des dents 20 réalisant des logements concaves et un engrenage 22 comprenant des dents 24 réalisant des logements concaves sur le galet presseur 14 monté en opposition avec des dents 26 réalisant des logements concaves sur le galet d’entraînement 4.

Ainsi, en fonctionnement, le galet d’entraînement 4 est entraîné par le moteur et transmet un mouvement au filament 18 contraint par le galet presseur 14. Comme illustré en figure 4, le dispositif de fabrication additive comporte en outre une buse 28 permettant d’extruder le filament fondu et comprenant un système de chauffage. Le filament fondu 19 par ledit système de chauffage se solidifie par la suite en refroidissant. En se déplaçant, la buse 28 réalise différentes couches 30 d’apports successifs en matériau de construction construisant ainsi un objet tridimensionnel. Le filament utilisé dans le cadre de cette invention a un diamètre compris entre 1 et 3mm et plus précisément entre 1,5 et 2mm.

L’utilisation d’un filament 18 très chargé en poudre métallique ou céramique et dans une moindre mesure en liant polymère confère au filament 18 une fragilité à température ambiante ainsi qu’une viscosité importante le rendant facilement cassable avec un système d’entraînement 2 tel que décrit précédemment. La viscosité du matériau est telle que le galet d’entraînement 4 est obligé d’exercer une importante force sur le filament 18 fragile et ramollit à cause de la température de travail qui peut être comprise entre 100 et 160°C. Dans de telles conditions, les dents 6 du galet d’entraînement 4 s’enfoncent dans le filament 18 et le creusent en engendrant la formation de cavités 32 ou vides dans le filament. Ces cavités 32 ou vides dans le filament 18, illustrées en figure 5, sont communément appelé porosités et peuvent engendrer une rupture dudit filament 18 et par voie de conséquence un arrêt du processus de fabrication.

Le présent document vise à remédier à ces inconvénients de manière fiable, efficace et peu onéreuse.

Présentation de l’invention

Le présent document concerne un système d’entrainement pour filament d’un dispositif de fabrication additive, comprenant :
- des moyens d’entraînement comprenant un galet d’entraînement comprenant un axe et monté sur un arbre d’un moteur,
- des moyens presseurs du filament sur les moyens d’entrainement,
caractérisé en ce que les moyens d’entraînement comprennent au moins une première surface de révolution et une seconde surface de révolution formées autour du galet d’entraînement et espacées le long de l’axe du galet d’entraînement.

La présente solution permet d’éviter la formation de porosités et ainsi de réduire les risques de casse du filament fragile et rend ainsi possible l’utilisation de certains matériaux fragiles. Le présent document permet d’entraîner le filament vers la buse sans l’endommager, ni modifier sa section. Cette solution peut facilement s’adapter sur les machines classiques de fabrication additive par filament fondu.

Lesdites au moins première et seconde surfaces de révolution peuvent être sensiblement symétriques l’une de l’autre par rapport à un plan perpendiculaire à l’axe de rotation du galet d’entraînement. Cet agencement permet de mieux tenir le filament et par conséquent d’exercer une force plus importante sur le filament.

Les moyens d’entraînement peuvent comprendre au moins un élément torique comportant au moins l’une de la première surface de révolution et de la seconde surface de révolution formées autour du galet d’entraînement.

Les moyens d’entraînement peuvent comprendre un premier élément torique comportant la première surface de révolution et un second élément torique comportant la deuxième surface de révolution.

Avec l’utilisation de deux éléments toriques, les déformations possibles des moyens d’entraînement sont facilitées. Il est plus aisé d’amener les moyens d’entraînement à se déplacer si ces moyens d’entraînement comportent deux pièces qui sont physiquement indépendantes l’une de l’autre qu’avec une seule pièce. Deux éléments toriques assurent un meilleur guidage et permet d’avoir plus facilement un appui ponctuel. L’utilisation des deux éléments toriques permet d’exercer une grande force sur le filament sans le briser et garantir ainsi une bonne adhérence entre le système d’entraînement et le filament.

Le premier élément torique et/ou le deuxième élément torique peuvent être en matériau élastomère, par exemple en caoutchouc de préférence à base de nitrile et encore plus préférentiellement avec une dureté de 70 Shore A. Le matériau en caoutchouc à base de nitrile présente une forte résistance aux températures élevées et à l’abrasion.

Le matériau élastomère est choisi pour sa dureté et sa résistance aux températures élevées pouvant être comprises entre 80°C et 150°C lors d’une fabrication de filament et pour sa résistance à l’abrasion. Les propriétés thermiques et mécaniques du matériau élastomère permet ainsi de limiter le glissement du filament sur le système d’entraînement.

Les moyens presseurs peuvent comprendre au moins une première et une deuxième surfaces de révolution formées autour du galet presseur et espacées le long de l’axe du galet presseur, un premier plan perpendiculaire aux axes de rotation du galet presseur et du galet d’entraînement et interceptant la première surface de révolution des moyens d’entraînement et la première surface de révolution des moyens presseurs et un second plan perpendiculaire aux axes de rotation du galet presseur et du galet d’entraînement et interceptant la seconde surface de révolution des moyens d’entraînement et la seconde surface de révolution des moyens presseurs.

Les moyens presseurs peuvent comprendre au moins un élément torique comportant au moins l’une de la première surface de révolution et de la seconde surface de révolution formées autour du galet presseur.

Les moyens presseurs peuvent comprendre un premier élément torique comportant la première surface de révolution des moyens presseurs et un deuxième élément torique comportant la deuxième surface de révolution des moyens presseurs.

Le premier élément torique des moyens presseurs et le second élément torique des moyens presseurs peuvent être en matériau élastomère, par exemple en caoutchouc à base de nitrile, par exemple avec une dureté de 70 Shore A.

Le filament peut comprendre une charge en poudre métallique ou céramique comprise entre 55 et 65% en volume, de préférence entre 58 et 62% et plus préférentiellement 60% en volume, d’un mélange comprenant la poudre métallique ou céramique et un liant polymère.

Le présent document concerne un dispositif de fabrication additive comprenant un système d’entraînement tel que décrit précédemment et comprenant un filament en poudre métallique ou céramique et/ou en composite.

Les moyens d’entrainement peuvent comprendre des premiers moyens de positionnement et de maintien de la première surface de révolution à une première position axiale et de la seconde surface de révolution à une seconde position axiale, le long de l’axe du galet d’entrainement. Cette configuration permet de garantir le placement desdites première et seconde surfaces et leur espacement en fonctionnement.

Les moyens presseurs peuvent comprendre des seconds moyens de positionnement et de maintien de la première surface de révolution à une première position axiale et de la seconde surface de révolution à une seconde position axiale, le long de l’axe du galet d’entrainement. Cette configuration permet de garantir le placement desdites première et seconde surfaces et leur espacement en fonctionnement.

Les premiers et/ou seconds moyens de positionnement et de maintien peuvent comprendre deux gorges annulaires espacées axialement l’une de l’autre.

On comprend que l’utilisation d’un élément torique en combinaison avec une gorge annulaire permet à l’élément torique d’être monté dans la gorge annulaire assurant ainsi son positionnement prédéterminé par le positionnement de la gorge et son maintien dans la gorge annulaire.

On comprend que les éléments toriques sont de préférence dimensionnés de manière à présenter un diamètre interne inférieur au diamètre externe d’une partie du galet sur laquelle les éléments toriques sont montés.

Brève description des figures

représente une vue en perspective d’un système d’entraînement d’un filament pour imprimante de fabrication additive ;

représente une vue en perspective d’un système d’entraînement avec engrenage/roue crantée ;

représente une vue en perspective d’un système d’entraînement avec deux engrenages/roues crantées montées en opposition ;

représente une vue schématique d’un dispositif de fabrication additive de filaments fondus ;

représente un filament comportant des porosités ;

représente une vue schématique d’un premier mode de réalisation d’un système d’entraînement d’un filament selon l’invention ;

[Fig. 7] représente une vue schématique d’un second mode de réalisation d’un système d’entraînement d’un filament selon l’invention ;

représente une vue schématique d’un galet d’entrainement ou d’un galet presseur du système selon la présente divulgation.

Description détaillée de l’invention

Comme illustré en figures 6 et 7, un dispositif de fabrication additive comporte un système d’entraînement 2 d’un filament 18 vers une buse apte à chauffer ledit filament 18. Ledit filament 18 comprend une poudre métallique ou céramique et un composite (liant) par exemple, le polyoxyméthylène. La composition en poudre métallique ou céramique peut être comprise entre 55 et 65 % en volume et de préférence compris entre 58 et 62% en volume.

Comme illustré en figure 6, selon un premier mode de réalisation, le système d’entraînement 2 comprend des moyens presseurs et des moyens d’entraînements. Les moyens presseurs comprennent un premier bras de levier et un second bras de levier relié par une articulation (non illustrés sur la figure 6). Le premier bras de levier est relié par un organe élastique à une partie statique du dispositif et le second bras de levier porte un galet presseur 14.

Les moyens d’entraînement comportent un galet d’entraînement 4 monté sur un arbre d’un moteur entraînant en rotation ledit galet d’entraînement 4. Ce galet d’entraînement 4 comporte deux parties : une première partie comprenant un premier cylindre droit circulaire creux 34 et une seconde partie comprenant un second cylindre droit circulaire creux 36 ayant un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur du premier cylindre 34.

Dans une réalisation particulière, le premier cylindre droit circulaire creux 34 du galet d’entraînement 4 délimité par une paroi d’épaisseur d’environ 3, 5 mm comporte un diamètre intérieur supérieur à un diamètre intérieur du second cylindre circulaire droit creux 36 du galet d’entraînement 4 délimité par une paroi d’épaisseur d’environ 1,9 mm. Le diamètre intérieur du premier cylindre circulaire droit creux 34 du galet d’entraînement 4 peut être d’environ 5 mm et le diamètre intérieur du second cylindre circulaire droit creux 36 du galet d’entraînement 4 peut être d’environ 5 mm.

Lesdits moyens d’entraînement comprennent au moins deux surfaces de révolution 38, 40. A cet effet, le second cylindre circulaire droit creux 36 comporte un premier élément torique 39 des moyens d’entraînement et un second élément torique 41 des moyens d’entraînement espacés d’une distance comprise entre 0.2 et 1 mm, de préférence 0.9 mm. Le premier élément torique 39 des moyens d’entraînement et le second élément torique 41 des moyens d’entraînement sont sensiblement symétrique l’un de l’autre par rapport à un plan P0 perpendiculaire à l’axe de rotation A1 dudit galet d’entraînement 4. Le premier élément torique 39 des moyens d’entraînement et le second élément torique 41 des moyens d’entraînement peuvent avoir chacun avoir une surface extérieure convexe. Cette surface extérieure convexe peut être plus ou moins convexe.

Lesdits premier 39 et second 41 éléments toriques des moyens d’entraînement sont réalisés dans un matériau présentant des propriétés élastiques et supportant de très grandes déformations avant rupture, une dureté et résistance aux températures élevées ainsi qu’une résistance à l’abrasion. Le premier 39 et second 41 éléments toriques peuvent par exemple être en matériau élastomère.

Dans un autre mode de réalisation, le second cylindre circulaire droit 36 pourrait comporter un seul élément torique ou une pluralité d’éléments toriques. L’élément torique ou la pluralité d’éléments toriques peuvent avoir une surface extérieure convexe ou toute autre forme, par exemple une forme concave.

Dans un autre mode de réalisation illustré en figure 7, le galet presseur 14 peut comporter deux parties : une première partie comportant un premier cylindre circulaire droit creux 42 et une deuxième partie comportant un deuxième cylindre circulaire droit creux 44 ayant un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur du premier cylindre 42.

Dans une réalisation particulière, le premier cylindre circulaire droit creux 42 du galet presseur 14 délimité par une paroi d’épaisseur d’environ 3,5 mm comporte un diamètre intérieur supérieur à un diamètre intérieur du second cylindre circulaire droit creux 44 du galet presseur 14 délimité par une paroi d’épaisseur d’environ 1,9 mm. Le diamètre intérieur du premier cylindre circulaire droit creux 42 du galet presseur 14 peut être d’environ 5mm et le diamètre intérieur du second cylindre circulaire droit creux 44 du galet presseur 14 peut être d’environ 5 mm.

Ce second cylindre circulaire droit creux 44 du galet presseur peut comporter des moyens presseurs. Ces moyens presseurs comportent une première 46 et une deuxième 48 surfaces de révolution formées autour du second cylindre circulaire droit creux 44 du galet presseur 14. Cette première surface de révolution 46 des moyens presseurs et cette deuxième surface de révolution 48 des moyens presseurs peuvent être espacées le long de l’axe du second cylindre circulaire droit 44 du galet presseur. La première surface de révolution 46 des moyens presseurs et la première surface de révolution 38 des moyens d’entraînement appartiennent à un premier plan perpendiculaire P1 aux axes de rotation A1, A2 du galet presseur 14 et du galet d’entraînement 4. La seconde surface de révolution 48 des moyens presseurs et la seconde surface de révolution 40 des moyens presseurs appartiennent à un second plan P2 perpendiculaire aux axes de rotation A1, A2 du galet presseur 14 et du galet d’entraînement 4. Le premier plan P1 perpendiculaire est à proximité du premier cylindre circulaire droit creux 34, 42 du galet d’entraînement 4 et du galet presseur 14 alors que le second plan P2 perpendiculaire est nettement plus éloigné du premier cylindre circulaire droit creux 34, 42 du galet d’entraînement 4 et du galet presseur 14.

La première surface de révolution 46 des moyens presseurs et la seconde surface de révolution 48 des moyens presseurs peuvent comporter respectivement un premier élément torique 47 des moyens presseurs et un second élément torique 49 des moyens presseurs sensiblement symétrique l’un de l’autre par rapport à un plan P0 perpendiculaire à l’axe de rotation A1, A2 du galet presseur 14 et du galet d’entraînement 4.

Le premier 47 et le second 49 éléments toriques du galet presseur peuvent chacun avoir une surface extérieure convexe. La surface extérieure convexe de chacun des premier 47 et second 49 éléments toriques peut être plus ou moins convexe.

Lesdits premier 47 et second 49 éléments toriques du galet presseur sont réalisés dans un matériau présentant des propriétés élastiques et supportant de très grandes déformations avant rupture, une dureté et résistance aux températures élevées ainsi qu’une résistance à l’abrasion. Ce premier 47 et second 49 éléments toriques du galet presseur 14 peuvent par exemple être en matériau élastomère.

En fonctionnement, la force de l’organe élastique permet d’articuler le premier bras de levier par rapport au second bras de levier des moyens presseurs et d’appuyer le premier bras de levier sur le second bras de levier portant le galet presseur de manière à maintenir le filament 18 en appui contre les moyens d’entraînement. Les moyens d’entraînement entraînent le filament 18 qui vient rouler sur le galet presseur 14.

La présente solution permet d’éviter la formation de porosités ou cavités 32 et ainsi de réduire les risques de casse du filament 18 fragile et rend ainsi possible l’utilisation de certains matériaux fragiles. Le présent document permet d’entraîner le filament 18 vers la buse sans l’endommager, ni modifier sa section. Cette solution peut facilement s’adapter sur les machines classiques de fabrication additive par filament 18 fondu.

Le matériau élastomère est choisi pour sa dureté et sa résistance aux températures élevées pouvant être comprises entre 80°C et 150°C lors d’une fabrication de filament 18 et pour sa résistance à l’abrasion. Les propriétés thermiques et mécaniques du matériau élastomère permet ainsi de limiter le glissement du filament sur le système d’entraînement.

La figure 8 illustre un galet 50 qui peut être un galet d’entrainement 4 ou un galet presseur 14 tel que décrit précédemment. Comme décrit précédemment, ce galet 50 peut comprendre une première partie cylindrique 52 et une seconde partie cylindrique 54, la première partie cylindrique 52 ayant un diamètre extérieur supérieur à celui de la seconde partie cylindrique 54.

Une partie cylindrique du galet 50 qui peut être la seconde partie 54 peut comprendre des moyens de positionnement 56 et de maintien des éléments toriques 39, 41, 47, 49 ces moyens 56 de positionnement et de maintien comprenant ici deux gorges annulaires 56a, 56b espacées axialement l’une de l’autre. On comprend que l’utilisation d’éléments toriques 39, 41, 47, 49 en combinaison avec des gorges annulaires permet aux éléments toriques d’être montés dans les gorges annulaires assurant ainsi leur positionnement prédéterminé par le positionnement des gorges et leur maintien dans les gorges annulaires. On comprend que les éléments toriques 39, 41, 47, 49 sont dimensionnés de manière à présenter un diamètre interne inférieur au diamètre externe de la partie cylindrique 54 sur laquelle ils sont montés, c’est-à-dire ici la seconde partie 54.

Ainsi, l’un et/ou l’autre des galets d’entrainement 4 et presseurs 14 peuvent comprendre des moyens 56 de positionnement et de maintien des éléments toriques 39, 41, 47, 49.

Claims

Système d’entrainement pour filament (18) d’un dispositif de fabrication additive, comprenant :
- des moyens d’entraînement comprenant un galet d’entraînement (4) comprenant un axe(A1) et monté sur un arbre d’un moteur,
- des moyens presseurs du filament (18) sur les moyens d’entrainement,
caractérisé en ce que les moyens d’entraînement comprennent au moins une première (38) et une seconde (40) surfaces de révolution formées autour du galet d’entraînement (4) et espacées le long de l’axe (A1) du galet d’entraînement (4).
Système d’entrainement selon la revendication 1, dans lequel lesdites au moins première (38) et seconde (40) surfaces de révolution sont sensiblement symétriques l’une de l’autre par rapport à un plan (P0) perpendiculaire à l’axe de rotation (A1) du galet d’entraînement (4).
Système d’entrainement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d’entraînement comprennent au moins un élément torique comportant au moins l’une de la première surface de révolution (38) et de la seconde surface de révolution (40) formées autour du galet d’entraînement.
Système d’entraînement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d’entraînement comprennent un premier élément torique (39) comportant la première surface de révolution (38) et un second élément torique (41) comportant la deuxième surface de révolution (40).
Système d’entrainement selon la revendication 4, dans lequel le premier élément torique et le deuxième élément torique sont en matériau élastomère, par exemple en caoutchouc à base de nitrile.
Système d’entrainement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens presseurs comprennent au moins une première (46) et une deuxième (48) surfaces de révolution formées autour du galet presseur (14) et espacées le long de l’axe (A2) du galet presseur (14), un premier plan (P1) perpendiculaire aux axes de rotation (A1, A2) du galet presseur (14) et du galet d’entraînement (4) et interceptant la première surface de révolution (38) des moyens d’entraînement et la première surface de révolution (46) des moyens presseurs et un second plan (P2) perpendiculaire aux axes de rotation (A1, A2) du galet presseur (14) et du galet d’entraînement (4) et interceptant la seconde surface de révolution (40) des moyens d’entraînement et la seconde surface de révolution (48) des moyens presseurs.
Système d’entrainement selon la revendication 6, dans lequel les moyens presseurs comprennent au moins un élément torique comportant au moins l’une de la première surface de révolution (46) et de la seconde surface de révolution (48) formées autour du galet presseur (14).
Système d’entrainement selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les moyens presseurs comprennent un premier élément torique (47) comportant la première surface de révolution (46) des moyens presseurs et un second élément torique (49) comportant la deuxième surface de révolution (48) des moyens presseurs.
Système d’entrainement selon la revendication 8, dans lequel le premier élément torique (47) des moyens presseurs et le second élément torique (49) des moyens presseurs sont en matériau élastomère, par exemple en caoutchouc à base de nitrile.
Système d’entraînement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit filament comprend une charge en poudre métallique ou céramique sensiblement égal à 60% en volume.
Dispositif de fabrication additive comprenant un système d’entraînement (2) selon l’une des revendications 1 à 10 et comprenant un filament (18) en poudre métallique ou céramique et/ou en composite.