FR3116018A1 - Procede de fabrication d’une piece hybride par fabrication additive - Google Patents

Procede de fabrication d’une piece hybride par fabrication additive Download PDF

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Abstract

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE HYBRIDE PAR FABRICATION ADDITIVE Un aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication (200) d’une pièce (P) possédant une base (100) dans un premier matériau et un insert (20) dans un deuxième matériau, ledit procédé de fabrication comprend : une première étape (201) de fabrication d’une première section (110) de la base (100) par la technologie de fabrication additive par dépôt de fil fondu;une deuxième étape (202) de mise en position de l’insert (20) possédant un premier côté (21) en contact avec une surface (111) de la première section (110) ;une troisième étape (203) de fabrication d’une deuxième section (120) de la base (100) par la technologie de fabrication additive par dépôt de fil fondu sur la première section (110) et sur un deuxième côté (22) de l’insert (20), le deuxième côté (22) étant plan. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE HYBRIDE PAR FABRICATION ADDITIVE
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine technique de l’invention est celui de la fabrication additive et plus particulièrement de la fabrication additive de pièces composées d’au moins deux éléments ayant des matériaux différents dont le premier élément est inséré dans le deuxième élément.
La présente invention concerne un procédé de fabrication mettant en œuvre au moins une étape de fabrication par fabrication additive. L’invention se rapporte également à une pièce obtenue par le procédé de fabrication.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Le procédé de fabrication additive consiste à fabriquer des pièces par dépôt successif de couches de matière comme par exemple la dépose de fil fondu ou la fusion laser sur lit de poudre. Cette technologie permet de réaliser des pièces de formes complexes non réalisables par des procédés de fabrication soustractive.
La fabrication par dépose de fil fondu comprend :
  • une 1èreétape de dépose du contour interne et du contour externe de la couche ;
  • une 2èmeétape de remplissage des contours de la couche.
Ces deux étapes sont réitérées jusqu’à la réalisation complète de la pièce.
La fabrication par fusion laser sur lit de poudre comprend :
  • une 1èreétape de dépose d’une couche de poudre ;
  • une 2èmeétape de balayage par le laser à fibre optique de la couche permettant de fusionner les particules.
Ces deux étapes sont réitérées jusqu’à la réalisation complète de la pièce.
Les procédés de fabrication conventionnels imposent de fabriquer les éléments d’un système séparément puis d’assembler l’ensemble des éléments entre eux. Cette opération d’assemblage peut représenter jusqu’à 30% du coût final de la pièce.
Pour fabriquer une pièce composée de deux matériaux différents, une solution connue est d’utiliser un moyen de fabrication additive comportant plusieurs buses d’extrusion permettant d’utiliser des matériaux compatibles entre eux d’un point de vue process un d’un point de vue physico-chimique (les matériaux doivent supporter les mêmes conditions de mise en œuvre et être chimiquement compatibles pour assurer l’adhésion entre couches) par exemple un couple composé d’un matériau polymère renforcé de fibres pour les zones fortement sollicitées et un matériau polymère non renforcé mais de nature chimique compatible avec le premier matériau pour les zones peu sollicitées ou les zones de remplissages. Cependant, cette approche n’est pas suffisante pour remplacer dans certains cas des éléments fortement sollicités en fatigue ou en frottement par exemple des éléments métalliques.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant d’obtenir une pièce complexe obtenue par deux procédés de fabrication différents composée de deux matériaux différents en diminuant le temps de fabrication et en améliorant les caractéristiques mécaniques de la pièce obtenue.
Un premier aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce possédant une base dans un premier matériau et un insert dans un deuxième matériau, caractérisé en ce que ledit procédé de fabrication comprend :
  • une première étape de fabrication d’une première section de la base par la technologie de fabrication additive par dépôt de fil fondu;
  • une deuxième étape de mise en position de l’insert possédant un premier côté en contact avec une surface de la première section ;
  • une troisième étape de fabrication d’une deuxième section de la base par la technologie de fabrication additive par dépôt de fil fondu sur la première section et sur un deuxième côté de l’insert, le deuxième côté étant plan.
Le procédé permet d’obtenir une pièce fabriquée en fabrication additive comportant un insert fabriqué par un autre procédé de fabrication tel que par exemple, l’usinage, le moulage, l’injection présentant des caractéristiques mécaniques adaptées aux besoins de l’utilisateur.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de fabrication selon un premier aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Avantageusement, la base est en polymère et l’insert possède un adhésif positionné sur le deuxième côté, l’adhésif polymérise en même temps que la fabrication additive de la deuxième section, permettant l’adhésion de la deuxième section au deuxième côté plan. L’adhésif permet de rendre l’insert solidaire de la base et assurant l’assemblage des deux pièces. L’étape de polymérisation de l’adhésif pendant la fabrication de la deuxième section permet de s’affranchir d’une étape de chauffage post fabrication de l’adhésif et ainsi de diminuer le temps de fabrication.
Avantageusement, l’insert possède un joint positionné sur le deuxième côté.
Avantageusement, la surface de la première section est plane et possède des plots d’ancrage faisant saillie perpendiculairement à la surface de la première section, le premier côté est plan et possède des logements coopérant avec les plots d’ancrage. Les plots d’ancrage apportent une mise en position supplémentaire de l’insert ainsi qu’un renfort mécanique. Cet élément permet entre autres d’éviter un potentiel effet de bâillement ou d’ouverture de la cavité accueillant l’insert lors de la soumission de l’insert à des efforts mécaniques. De plus, les plots d’ancrages sont placés au ras de l’ouverture laissant voir l’insert permettant une bonne qualité de dépose d’une première couche de matière après la deuxième étape de mise en position de l’insert en servant de support au filament déposé lors de la dépose de la première couche de matière.
Avantageusement, la première surface de la première section possède une ouverture formant un polygone et les plots d’ancrage sont positionnés aux extrémités des angles du polygone. La répartition équilibrée des plots d’ancrage aux extrémités de l’ouverture permet une meilleure mise en position de l’insert.
Avantageusement, l’insert est en matériau métallique. Un insert en matériau métallique possède de bonnes caractéristiques mécaniques par exemple en fatigue ou en frottement.
Avantageusement, l’insert est ajouré. L’insert peut-être une grille si on veut l’utiliser comme filtre ou autre. Cependant, d’autres géométries d’insert peuvent être envisagés, en fonction de l’utilisation ciblée pour l’insert.
L’invention concerne également une pièce obtenue par le procédé de fabrication selon l’invention.
Avantageusement, la deuxième section possède une surface en contact avec l’insert, au moins une des sections possèdent une ouverture sur leurs surfaces en contact avec l’insert. L’ouverture d’une des deux surfaces en contact avec l’insert permet de profiter des avantages de l’insert, notamment des caractéristiques mécaniques différentes par rapport à la base. L’insert peut cependant être totalement recouvert de matière polymère si les besoins fonctionnels l’imposent (cas d’un renforcement non visible).
Avantageusement, les surfaces en contact avec l’insert sont disposées en vis-à-vis. Avoir des surfaces de contact en vis-à-vis permet un meilleur positionnement de l’insert et permet d’éviter des torsions supplémentaires sur l’insert.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
est une vue en éclatée d’une pièce comprenant une base et un insert selon l’invention ;
est une vue de dessus de la pièce de la ;
est une vue en coupe de la ;
est une vue en détail de la partie B de la .
est un schéma en bloc illustrant un procédé de fabrication d’une pièce selon l’invention ;
est une vue de la pièce comprenant une base, un insert et un joint.
DESCRIPTION DETAILLEE
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
La pièce P illustrée à la comprend :
  • Une base 100 avec une première section 110 et une deuxième section 120 ;
  • Un insert 20 avec un premier côté 21 et un deuxième côté 22.
Le matériau de la base 100 peut être tout type de matériau pouvant être mis en œuvre par fabrication additive par exemple le plastique, les composites, les polymères, la céramique ou le métal.
La forme de la base 100 est un parallélépipède rectangle. La base 100 peut aussi avoir une autre forme par exemple un cylindre, ou bien une forme plus complexe.
Par cylindre, on entend un solide engendré par une droite qui se déplace parallèlement à un axe, en s'appuyant sur deux plans fixes : les deux sections 110, 120 sont symétriques, mais elles peuvent également avoir des formes différentes.
La section 110 comporte une surface 111 en contact avec l’insert 20. La section 120 comporte une surface 121 en contact avec l’insert 20.
La surface 111 de la première section 110 possède une ouverture 113. La surface 121 de la deuxième section 120 possède une ouverture 122. Les surfaces 111, 121 des sections 110, 120 peuvent ne pas posséder d’ouverture.
Les surfaces 111, 121 des sections 110, 120 en contact avec l’insert 20 sont disposées en vis-à-vis.
Les surfaces 111, 121 enserrant l’insert 20 forment chacune un rebord mesurant au minimum 1 cm permettant de tenir l’insert 20 quel que soit sa dimension.
La première section 110 possède une cavité 114 permettant d’accueillir l’insert 20. La surface 111 de la première section 110 est plane et possède des plots d’ancrage 112 faisant saillie perpendiculairement à la surface 111 de la première section 110.
Les plots d’ancrage 112 sont dans la même matière que la base 100. Les plots d’ancrage 112 sont réparties de manière équilibrée sur la surface 111 de la première section 110 pour bien positionner l’insert 20.
Les plots d’ancrage 112 permettent de renforcer mécaniquement la pièce P. En effet, les plots d’ancrage 112 permettent entre autres d’éviter un potentiel effet de bâillement ou d’ouverture de la cavité 114 lors de la soumission de l’insert 20 à des efforts mécaniques. Les plots d’ancrage 112 sont des cylindres.
L’ouverture 113 de la première section 110 forme un carré, les plots d’ancrage 112 sont positionnés aux extrémités des angles du carré. Les première et deuxième sections peuvent avoir une forme différente comme un polygone. Le matériau de l’insert 20 peut être par exemple du métal ou du composite.
Le premier côté 21 est en contact avec la première section 110 et le deuxième côté 22 est en contact avec la deuxième section 120. Le deuxième côté 22 est plan.
Le premier côté 21 est plan et possède des logements 23 coopérant avec les plots d’ancrage 112. Les logements 23 sont des emplacements dans lesquels viennent s’insérer les plots d’ancrage 112. Les logements 23 sont par exemples des trous débouchant ou non débouchant.
Quand l’insert 20 est positionné sur les plots d’ancrage 112, les plots d’ancrage 112 ne font pas saillis du deuxième côté 22.
L’insert 20 est ajouré, c’est-à-dire percé de trous comme par exemple une grille. L’insert 20 peut aussi être une surface pleine.
La pièce P est recouverte d’un adhésif 4. L’adhésif 4 est positionné sur le deuxième côté 22 de l’insert 20. Dans une variante de réalisation (non représentée), un premier adhésif 4 et un deuxième adhésif 4’ seront déposés. Le premier adhésif 4 est positionné sur le deuxième côté 22. Le deuxième adhésif 4’ est positionné sur le premier côté 21.
Le deuxième côté 22 est plan et traité pour recevoir l’adhésif 4. Le traitement du deuxième côté 22 est par exemple un dégraissage puis ponçage ou alors un décapage laser puis dégraissage.
L’adhésif 4 est par exemple sous forme de colle, de film ou de spray. L’adhésif 4 est un matériau compatible avec le matériau de la base 100. L’épaisseur de l’adhésif 4 est égale à la hauteur d’une couche de dépôt de fabrication additive ou un multiple de cette hauteur de couche. La géométrie de l’adhésif 4 est identique à la zone de recouvrement entre le contour de la deuxième section 120 et l’insert 20.
L’adhésif 4 peut être remplacé par un joint 5 en plastique hautes performances possédant une grande résistance mécanique et thermique par exemple du polyétherimide.
Comme illustré sur la , le joint 5 est en contact avec la base 100 et le côté 22 après le placement de l’insert 20 dans la première section 110. L’épaisseur du joint 5 est de préférence trois ou quatre fois l’épaisseur de dépôt d’une couche de la fabrication additive et sa géométrie est identique à la zone de recouvrement entre le contour de la deuxième section 120 et l’insert 20. Il n’y a pas d’adhésion entre l’insert et le joint. Le rôle du joint est de permettre une bonne qualité de dépose de la première de couche de matière.
La est un schéma sous forme de blocs illustrant les étapes d’un procédé de fabrication de la pièce P.
Le procédé de fabrication 200 comporte :
  • une première étape 201 de fabrication de la première section 110 de la base 100 par fabrication additive ;
  • une deuxième étape 202 de mise en position de l’insert 20 en contact avec la surface 111 de la première section 110 ;
  • une troisième étape 203 de fabrication de la deuxième section 120 de la base 100 par fabrication additive sur la première section 110 et sur le deuxième côté 22 de l’insert 20.
La fabrication additive du procédé 200 est par exemple la dépose de fil fondu. Le procédé 200 est mis en œuvre par un outil de fabrication conçu pour la fabrication additive.
La fabrication de la base 100 se fait dans une chambre thermiquement contrôlée.
La température de l’insert 20 lors de la mise en position sur la première section 110 doit être équivalente à la température de la chambre thermiquement contrôlée pour ne pas créer de choc thermique entre la première section 110 et l’insert 20. Ainsi, l’insert 20 peut être préchauffé avant la mise en position pour atteindre la température de la chambre thermiquement contrôlée. L’insert 20 peut être préchauffé par exemple dans un four ou une étuve.
La mise en position de l’insert 20 est effectuée, par exemple, par un opérateur. A la fin de la première étape 201, la fabrication additive est suspendue. Lors de l’arrêt de la fabrication additive, aucun élément de l’outil de fabrication est en mouvement. La suspension de la fabrication additive permet de positionner facilement l’insert 20 sans risque pour la santé de l’opérateur. Le positionnement de l’insert 20 se fait toujours dans une chambre thermiquement contrôlée.
L’adhésif 4 est positionné sur l’insert 20 avant le placement de l’insert 20 dans la première section 110. Il est possible de positionner l’adhésif 4 après le placement de l’insert 20 dans la première section 110 si l’adhésif 4 possède une rigidité suffisante.
La température de la chambre thermiquement contrôlée est choisie pour que l’adhésif 4 polymérise. Ceci permet de s’affranchir d’un traitement thermique post-fabrication. Par exemple, les matériaux dit « hautes températures » comme les polyetherimides nécessitent d’être mis en forme dans une chambre à température contrôlée de l’ordre de 180°C. A cette température l’adhésif 4 pourra polymériser en même temps que la fabrication de la deuxième section 120.La température de fusion de l’insert 20 est supérieure à la température de polymérisation de l’adhésif 4. Dans une variante de réalisation, le deuxième adhésif 4’ positionné sur le premier côté 21 pourra polymériser en même temps que la fabrication de la deuxième section.

Claims (9)

  1. Procédé de fabrication (200) d’une pièce (P) possédant une base (100) dans un premier matériau et un insert (20) dans un deuxième matériau, caractérisé en ce que ledit procédé de fabrication comprend :
    • une première étape (201) de fabrication d’une première section (110) de la base (100) par la technologie de fabrication additive par dépôt de fil fondu ;
    • une deuxième étape (202) de mise en position de l’insert (20) possédant un premier côté (21) en contact avec une surface (111) de la première section (110) ;
    • une troisième étape (203) de fabrication d’une deuxième section (120) de la base (100) par la technologie de fabrication additive par dépôt de fil fondu sur la première section (110) et sur un deuxième côté (22) de l’insert (20), le deuxième côté (22) étant plan.
  2. Procédé (200) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la base (100) est en polymère et que l’insert (20) possède un adhésif (4) positionné sur le deuxième côté (22), l’adhésif (4) polymérisant en même temps que la fabrication additive de la deuxième section (120), permettant l’adhésion de la deuxième section (120) au deuxième côté (22) plan.
  3. Procédé (200) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’insert (20) possède un joint (5) positionné sur le deuxième côté (22).
  4. Procédé (200) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface (111) de la première section (110) est plane et possède des plots d’ancrage (112) faisant saillie perpendiculairement à la surface (111) de la première section (110), le premier côté (21) est plan et possède des logements (23) coopérant avec les plots d’ancrage (112).
  5. Procédé (200) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface (111) de la première section (110) possède une ouverture (113) formant un polygone et que les plots d’ancrage (112) sont positionnés aux extrémités des angles du polygone.
  6. Procédé (200) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’insert (20) est en matériau métallique.
  7. Pièce (P) obtenue du procédé de fabrication (200) selon l’une des revendications précédentes.
  8. Pièce (P) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la deuxième section (120) possède une surface (121) en contact avec l’insert (20), au moins une des sections (110, 120) possèdent une ouverture (113,122) sur leurs surfaces (111,121) en contact avec l’insert (20).
  9. Pièce (P) selon la revendication 8, caractérisé en ce que les surfaces (111, 121) en contact avec l’insert (20) sont disposées en vis-à-vis.
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