FR3118601A1 - Dispositif d’impression tridimensionnelle à contrôle du refroidissement de matière en fusion - Google Patents

Dispositif d’impression tridimensionnelle à contrôle du refroidissement de matière en fusion Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle comprenant une tête d’impression (1100) munie d’une buse (1110) par laquelle sort un filet de matière en fusion, ledit dispositif (1000) comprenant des moyens de contrôle de la température de l’environnement dudit filet de matière en fusion par au moins un système d’acheminement d’un fluide gazeux à une température contrôlée dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110). Figure de l’abrégé : figure 5

Description

Dispositif d’impression tridimensionnelle à contrôle du refroidissement de matière en fusion
La présente invention concerne le domaine de l’impression tridimensionnelle, aussi appelée fabrication additive.
La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d’impression tridimensionnelle permettant une régulation de la température au niveau du filet de matière en fusion, en sortie d’une buse de tête d’impression. L’invention concerne également une machine d’impression tridimensionnelle comprenant le dispositif d’impression.
Par dispositif d’impression tridimensionnelle au sens de la présente invention, on entend dans toute la description qui suit un dispositif comprenant un ensemble de moyens permettant l’acheminement et/ou la génération de matière en fusion jusqu’à une buse éjectant la matière en fusion, par exemple à partir d’un réservoir ou d’une trémie contenant la matière à imprimer.
Un tel dispositif comprend par exemple un système d’extraction chauffant comprenant un conduit d’acheminement de matière connecté au réservoir ou à la trémie, un organe de déplacement de la matière dans le conduit d’acheminement, par exemple une vis d’extraction, un organe de chauffe de la matière pour l’amener en fusion et une tête d’impression munie de la buse.
La présente invention trouvera ainsi de nombreuses applications avantageuses dans le domaine de l’impression tridimensionnelle, et notamment dans l’impression de pièces à base de matériaux nécessitant un refroidissement contrôlé.
Etat de la technique
Le Demandeur observe que le développement de l’impression tridimensionnelle permet la fabrication d’une variété de pièces, sur des séries de taille limitée mais progressivement croissante au fur et à mesure des progrès technologiques.
La pluralité de matériaux employables, parmi lesquels la résine, les thermoplastiques, la cire, le métal (par exemple l’aluminium, l’acier, le titane, le platine, etc.), le plâtre, les céramiques ou encore le verre, participent de la variété d’objets réalisables.
Les pièces sont réalisées par empilement de couches successives de matière en fusion et refroidissement progressif. Pour réaliser cet empilement, il est connu d’employer des installations ou machines d’impression tridimensionnelle comportant un plateau et une tête d’impression munie d’une buse, la tête d’impression et/ou le plateau étant aptes à se déplacer l’un par rapport à l’autre pour déposer sur le plateau un filet de matière en fusion extrait de la buse, la dépose du filet de matière en fusion se faisant par couches ou strates afin de concevoir une pièce.
L’empilement des couches nécessitant d’une part que la couche précédente reste au moins partiellement en fusion le temps de recevoir une couche successive pour permettre son adhérence, d’autre part que l’ensemble des couches durcisse suffisamment pour assurer l’intégrité de la pièce en cours d’impression soumise à son propre poids et potentiellement à une pluralité de déplacements, les procédés d’impression tridimensionnelle doivent tenir compte de la vitesse de refroidissement de la matière en fusion et du changement de ses propriétés physiques. Ces paramètres peuvent varier non seulement selon le matériau sélectionné mais aussi en cours d’impressionviades changements de conditions externes et/ou l’apport de chaleur constant résultant de l’approvisionnement de matière en fusion.
Le Demandeur soumet par conséquent qu’il n’existe à ce jour aucune solution alternative satisfaisante permettant de réguler le refroidissement de la matière en fusion.
La présente invention vise à améliorer la situation actuelle décrite ci-dessus.
La présente invention vise plus particulièrement à remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un dispositif d’impression apte à contrôler la température en cours d’impression, c’est-à-dire durant la dépose du filet de matière en fusion par couche ou strate, sur le plateau.
A cet effet, l’objet de la présente invention concerne dans un premier aspect un dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant une tête d’impression munie d’une buse par laquelle sort un filet de matière en fusion.
On comprend ici que le filet de matière se dépose usuellement de manière verticale, étant sujet à la gravité. On peut également concevoir un filet de matière se déposant selon une autre trajectoire par éjection à une certaine vitesse selon une direction prédéterminée.
On comprend additionnellement que le dispositif d’impression peut comprendre une variété de moyens permettant l’approvisionnement en matière en fusion de la tête d’impression. La tête d’impression comprend par exemple un corps comportant des moyens de chauffe interne de type cartouches de chauffe, de manière à former un bloc chaud entourant un canal d’acheminement de matière en fusion vers la buse et permettant l’éjection de matière en fusion à une température contrôlée.
Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion, les moyens de contrôle comportant au moins un système d’acheminement d’un fluide gazeux à une température contrôlée dans l’environnement de la sortie de la buse.
En d’autres termes, un ou plusieurs systèmes d’acheminements amènent un ou plusieurs fluides gazeux à température contrôlée au niveau de la sortie de la buse, le fluide gazeux ou le mélange des fluides gazeux permettant de réguler la température dans l’environnement direct ou élargi du filet de matière en fusion dès sa sortie de la buse. Dans le cas de plusieurs fluides gazeux, leurs températures peuvent être identiques ou différents, le mélange des fluides permettant d’obtenir la température régulée souhaitée.
On comprend que ces moyens de contrôle peuvent servir à compléter un système de régulation plus global, les moyens de contrôle permettant un réglage de température précis en sortie de buse.
Grâce à la présente invention, le filet de matière en fusion se trouve dans un environnement à température contrôlée dès sa sortie de la buse, ce qui permet d’assurer un refroidissement contrôlé de chaque couche de matière déposée lors de l’impression tridimensionnelle. Cette maîtrise de la température dans l’environnement du filet de matière en fusion en sortie de buse permet d’assurer une cohésion entre les couches de matière de la pièce en cours de fabrication et évite des déformations de la pièce dues aux forces exercées entre les couches de matière fait d’un refroidissement trop rapide ou trop lent d’une couche de matière par rapport à la suivante en cours d’impression de la pièce.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le fluide gazeux est de l’air.
Cette conception permet de simplifier l’au moins un système d’acheminement sans nécessiter d’apport externe de fluide requérant potentiellement d’en contrôler l’emploi ou le conditionnement, ainsi que son recyclage. Le système d’acheminement comporte par exemple une entrée d’air extérieur couplée à un ventilateur à vitesse contrôlée générant un flux de circulation de l’air, l’air pouvant optionnellement être soumis à des traitements ultérieurs, par exemple être refroidi ou réchauffé.
L’homme du métier comprend également qu’une variété d’autres fluides gazeux peuvent être sélectionnés, par exemple selon des critères de conductivité thermique ou de capacité thermique.
Dans un mode de réalisation particulier, les moyens de contrôle comportent un premier système d’acheminement d’un premier fluide gazeux à une première température et un second système d’acheminement d’un second fluide gazeux à une seconde température, le mélange du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux permettant l’obtention du fluide gazeux à une température contrôlée dans l’environnement de la sortie de la buse.
On comprend ici que le mélange des premier et second fluides gazeux permet de faire varier la température de l’environnement de la sortie de la buse entre la première et la seconde température par ajustement de leurs débits respectifs. Selon la conception, le mélange peut se faire dans l’environnement de sortie de la buse ou encore en amont pour l’acheminement d’un fluide gazeux à température contrôlée jusqu’à l’environnement de la sortie de la buse.
On entend ici et dans toute la description qui suit que le fluide gazeux est le fluide à température contrôlée dans l’environnement de la sortie de la buse, le premier fluide gazeux étant acheminé par le premier système d’acheminement et présentant une première température, le second fluide gazeux étant acheminé par le second système d’acheminement et présentant une seconde température. Il est possible de concevoir des premier et second fluides gazeux de compositions similaires ou encore de compositions différentes, le fluide gazeux devenant un mélange proportionnel des premier et second fluides gazeux.
Dans un mode de réalisation additionnel, le premier fluide gazeux est acheminé selon une première trajectoire et le second fluide gazeux est acheminé selon une seconde trajectoire, la première trajectoire et la seconde trajectoire se rejoignant dans l’environnement de la sortie de la buse où s’effectue le mélange du premier fluide et du second fluide.
Il est également possible de concevoir une variante dans laquelle le premier fluide gazeux et le second fluide gazeux sont mélangés en amont puis acheminés selon une trajectoire unique dans l’environnement de la sortie de la buse.
De préférence, la première trajectoire définit un premier axe d’écoulement du premier fluide gazeux perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière en sortie de la buse et la seconde trajectoire définit un second axe d’écoulement du second fluide gazeux parallèle à la trajectoire du filet de matière en sortie de la buse.
On comprend ici que le premier axe d’écoulement et le second axe d’écoulement sont orientés perpendiculairement l’un par rapport à l’autre de manière à faciliter le mélange du premier fluide et du second fluide. La conception des premier et second systèmes d’acheminement est également simplifiée en prenant pour direction de référence la trajectoire du filet de matière en sortie de la buse. Bien évidemment, il est possible d’envisager une variété d’orientations alternatives du premier et du second axes d’écoulement, par exemple un premier et un second axes tous deux orientés à 45° par rapport à la trajectoire du filet de matière en sortie de la buse, de façon à intersecter le filet de matière, de préférence en un même point à proximité de la sortie de la buse. Les première et seconde trajectoires peuvent également être légèrement désaxées vis-à-vis des premier et second axes d’écoulement tels que définis tout en remplissant les mêmes fonctions techniques.
L’homme du métier comprend également que l’orientation du premier axe d’écoulement perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière résulte en une première trajectoire pouvant intercepter le filet de matière au plus proche de la sortie de la buse, notamment en positionnant le premier axe d’écoulement dans un plan perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière et intersectant la sortie de la buse. Cet avantage est combiné à celui du second axe d’écoulement parallèle à la trajectoire du filet de matière, de sorte que la première trajectoire puisse intercepter la seconde trajectoire et que le premier et le second fluide gazeux se mélangent au plus proche de la sortie de la buse.
Dans un mode de réalisation spécifique, le premier système d’acheminement comprend un premier conduit muni d’un premier orifice d’extraction et un premier ventilateur permettant de véhiculer le premier fluide gazeux le long du premier conduit jusqu’au premier orifice d’extraction.
En d’autres termes, le premier ventilateur permet de générer un mouvement du premier fluide gazeux dans le premier conduit en direction du premier orifice d’extraction. Le premier orifice d’extraction est par exemple orienté de sorte que le premier fluide gazeux sorte du premier conduit selon la première trajectoire. Le premier orifice d’extraction peut également présenter une forme spécifique permettant de définir la forme selon laquelle le premier fluide gazeux sort du premier conduit ou encore permettant de définir un débit spécifique, par exemple en combinaison avec un contrôle du premier ventilateur.
Le premier conduit peut correspondre à une variété d’éléments creux étanches dont la forme interne définit la circulation du premier fluide gazeux, par exemple un tuyau rigide ou semi-rigide ou encore un carter métallique creux. Le premier ventilateur peut être positionné en amont du premier conduit ou encore à l’intérieur de celui-ci, le premier système d’acheminement comprenant une entrée permettant l’approvisionnement en fluide gazeux du premier conduit et/ou du premier ventilateur.
Dans un autre mode de réalisation pouvant être combiné avec le mode précédent, le second système d’acheminement comprend un second conduit muni d’un second orifice d’extraction et un second ventilateur permettant de véhiculer le second fluide gazeux jusqu’au second orifice d’extraction et un système de chauffe configuré pour chauffer le second fluide gazeux durant son écoulement dans le second conduit.
De préférence, le système de chauffe du second fluide gazeux est placé à l’intérieur du second conduit.
On comprend ici que le second conduit, le second orifice et le second ventilateur peuvent être définis de manière similaire respectivement au premier conduit, premier orifice et premier ventilateur tels que décrits ci-avant.
On comprend additionnellement que le système de chauffe permet de contrôler la température du second fluide gazeux de sorte que le second fluide gazeux atteigne la seconde température avant son mélange avec le premier fluide gazeux. Le second fluide gazeux entre par exemple dans le second système d’acheminement à une température initiale correspondant à la première température avant d’être chauffé par le système de chauffe. Le premier et le second fluides gazeux peuvent ainsi être conditionnés à la même température s’ils ont une composition différente, provenir d’une source unique s’ils ont la même composition ou même provenir de l’environnement ambiant si leur composition et la première température correspondent à celles de l’environnement ambiant.
Selon la conception, le système de chauffe peut comporter une ou plusieurs résistances disposées à l’intérieur ou à l’extérieur du second conduit, alimentées et optionnellement contrôlées de manière conjointe au dispositif d’impression. Le système de chauffe peut également comporter au moins un canal d’eau alimenté de manière externe au dispositif d’impression, par exempleviadeux arrivées d’eau chaude et froide, le système de chauffe pouvant être contrôlé par changement du circuit d’alimentation en eau et le second fluide gazeux étant chauffé par échange de chaleur avec le canal d’eau disposé dans ou autour du second conduit.
Dans un mode de réalisation additionnel, la tête d’impression est positionnée à l’intérieur du second conduit avec sa buse placée au niveau du second orifice d’extraction de sorte que l’environnement de la sortie de la buse corresponde avec l’environnement externe du second orifice d’extraction.
En d’autres termes, le second fluide gazeux est acheminé dans le second conduit jusqu’au second orifice, lequel coïncide sensiblement avec la buse de la tête d’impression, de sorte que le filet de matière en sortie de la buse soit directement environné par au moins le second fluide gazeux. Le positionnement de la tête d’impression dans le second conduit permet de faciliter la conception d’un second conduit dont le second orifice d’extraction soit au plus proche de la buse. Cette conception peut être combinée avec la conception de la première et de la seconde trajectoire des premier et second fluides gazeux telle que décrite ci-avant, ou de toute autre façon permettant d’assurer un mélange des premier et second fluides gazeux directement en sortie de la buse.
De préférence, le système de chauffe est positionné autour de la tête d’impression.
Cette conception permet de faciliter la disposition du système de chauffe et de la tête d’impression à l’intérieur du second conduit, les deux éléments pouvant être assemblés entre eux par une variété de moyens d’assemblage.
On comprend additionnellement que le second conduit peut être conçu de sorte que le second fluide gazeux circule le long de la tête d’impression en direction du second orifice d’extraction et interagisse en même temps avec le système de chauffe. Le second fluide gazeux est ainsi chauffé juste avant d’atteindre le second orifice d’extraction pour limiter toute perte de chaleur.
Dans un mode de mise en œuvre, le dispositif d’impression tridimensionnelle comporte un système d’isolation thermique de la tête d’impression.
L’homme du métier comprend ici que l’isolation thermique de la tête d’impression permet de limiter toute forme d’échange de chaleur entre la tête d’impression et son environnement externe et d’assister une variété de régulations de température à la fois. En effet, la tête d’impression pouvant constituer un bloc chaud comprenant un canal de matière dont l’objectif est de conserver ladite matière à une température donnée pour la maintenir en fusion, la tête d’impression comprenant par exemple des cartouches de chauffe environnant le canal de matière, l’isolation thermique permet d’éviter la perte de chaleur du bloc chaud et donc du canal de matière tout en limitant le réchauffement de l’environnement de la tête d’impression, cet environnement pouvant être selon la conception l’environnement d’impression tridimensionnelle en général, lequel doit être contrôlé pour le refroidissement de la pièce, ou encore l’intérieur du second conduit, la chauffe du second fluide gazeux étant elle aussi régulée pour atteindre la seconde température.
On comprend additionnellement qu’un éventuel échange de chaleur dans le sens inverse, du système de chauffe vers le canal de matière et pouvant impacter le contrôle de la température de la matière en fusion avant son impression, est également évité par ce système d’isolation thermique.
Dans un mode de mise en œuvre spécifique, le dispositif d’impression tridimensionnelle comprend un système de mesure de la température dans l’environnement de la sortie de la buse.
On comprend ici que le système de mesure peut comporter un ou plusieurs capteurs disposés dans l’environnement de la sortie de la buse et permet de vérifier que la température dans ledit environnement est celle recherchée pour permettre la vitesse de refroidissement appropriée.
Dans encore un mode de mise en œuvre pouvant être combiné avec le précédent, les moyens de contrôle sont configurés pour gérer la température dans l’environnement de la sortie de ladite buse en fonction du type de matière et de la vitesse dudit filet de matière en fusion en sortie de buse.
Des variantes sont possibles sans aucune mesure de température dans l’environnement de la sortie de la buse et sans aucun asservissement, simplement en effectuant de la régulation par un pilotage des fluides gazeux froid et chaud au moyen d’équations préétablies, afin d’obtenir un mélange de fluide gazeux à température désirée dans l’environnement de la sortie de la buse.
On comprend ici que les moyens de contrôle sont configurés pour adapter leur fonctionnement selon une pluralité de paramètres reflétant la vitesse de refroidissement recherchée et dépendant donc du matériau d’impression, de la vitesse de dépose ou encore d’autres paramètres, par exemple la forme de la pièce et le délai entre la dépose de deux couches successives.
Les moyens de contrôle comportent par exemple une pluralité de modes de fonctionnement réglables, chaque mode de fonctionnement étant spécifique à une combinaison d’un matériau et d’une vitesse de dépose.
Selon une conception, le dispositif d’impression tridimensionnelle peut comprendre une carte électronique programmable ou reprogrammable permettant la commande des moyens de contrôle ou encore communiquer avec un automate ou une carte électronique externe commandant les moyens de contrôle, par exemple une carte électronique intégrée dans une machine d’impression tridimensionnelle telle que décrite ci-après.
Dans un mode de mise en œuvre supplémentaire, le dispositif d’impression tridimensionnelle comprend une trémie de stockage de matière en granulés et un système d’extraction chauffant permettant d’acheminer la matière de la trémie à la tête d’impression en faisant fondre la matière.
L’homme du métier comprend ici que le système d’extraction chauffant et la trémie de stockage sont adaptés au stockage et à l’acheminement de granulés de sorte que la tête d’impression soit approvisionnée en matière en fusion.
Bien évidemment, la matière peut également être stockée sous d’autres formes, par exemple sous forme filaire, le système d’extraction et les moyens de stockage étant adaptés au stockage et à l’approvisionnement de la forme de matière sélectionnée.
Un second aspect de la présente invention concerne une machine d’impression tridimensionnelle, laquelle comprend un dispositif d’impression tridimensionnelle selon le premier aspect de l’invention.
On comprend ici que le dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant les moyens de contrôle est intégré à la machine d’impression tridimensionnelle de manière à permettre la dépose d’un filet de matière en fusion dans la machine d’impression tridimensionnelle.
La machine d’impression peut comprendre un plateau de réception de la pièce durant son impression, le plateau de réception comportant une platine de réception de la matière en fusion agencée pour être placée dans la trajectoire du filet de matière en fusion, par exemple perpendiculairement à la trajectoire dudit filet de matière en fusion. La machine peut également comprendre une variété de moyens permettant le déplacement et/ou la commande du déplacement de la platine et/ou de la tête d’impression l’un par rapport à l’autre, et être configurée pour transmettre de l’énergie et/ou des informations de fonctionnement envers le dispositif d’impression tridimensionnelle et/ou le plateau de réception.
Le dispositif d’impression et la machine peuvent être conçus de manière conjointe de sorte à faciliter l’intégration du dispositif d’impression avec la machine, ou encore de manière séparée permettant un assemblage selon des caractéristiques standardisées.
Ainsi, par les différentes caractéristiques techniques fonctionnelles et structurelles ci-dessus, le Demandeur propose un dispositif d’impression tridimensionnelle permettant de contrôler l’environnement du filet de matière en fusion et son refroidissement.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-dessous en référence aux figures 1 à 7 annexées illustrant un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquelles :
La représente une vue schématique en perspective d’une partie aval d’un dispositif d’impression tridimensionnelle à contrôle du refroidissement de matière en fusion selon un exemple de réalisation de la présente invention, ladite partie aval disposant de la tête d’impression dudit dispositif.
La représente une vue schématique selon un premier plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la .
La représente une vue schématique selon un second plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la .
La représente une vue schématique selon un troisième plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la .
La représente une vue schématique selon un quatrième plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la .
La représente une vue schématique d’ensemble et de profil d’un dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant ladite partie aval conforme aux figures 1à 5, une trémie de stockage et un système d’extraction chauffant de matière fusible.
La représente une vue schématique d’une machine d’impression tridimensionnelle sur laquelle sera mis en œuvre un dispositif d’impression tridimensionnelle conforme à la .
Description détaillée
La présente invention va maintenant être décrite dans ce qui va suivre en référence conjointement aux figures 1 à 7 annexées à la description. Des mêmes éléments sont identifiés avec des mêmes signes de référence tout au long de la description qui va suivre.
Comme indiqué dans le préambule de la description, le refroidissement de la matière en fusion doit être contrôlé pour permettre à chaque couche déposée d’adhérer à la précédente et de durcir progressivement lors de l’impression d’une pièce, et ce de manière adaptée au procédé d’impression, à la forme de la pièce et au matériau d’impression sélectionné.
Un des objectifs de la présente invention consiste à permettre un contrôle du refroidissement de la matière en fusion lors de sa dépose sur une couche de matière précédemment déposée durant l’impression tridimensionnelle de la pièce.
Ceci est rendu possible dans l’exemple décrit ci-après, lequel considère un dispositif d’impression configuré pour réguler la température de l’environnement de sortie de la buse d’impression.
On comprendra ici que cet exemple n’est pas limitatif, d’autres exemples de mise en œuvre restant sous le couvert de l’invention pouvant être envisagés dans le but d’atteindre également cet objectif.
La illustre un dispositif d’impression tridimensionnelle 1000 développé dans le cadre de la présente invention, lequel sera mis en œuvre sur une machine d’impression tridimensionnelle 2000 illustrée en , pour l’impression tridimensionnelle d’une pièce. Le dispositif d’impression tridimensionnelle et la machine d’impression tridimensionnelle sont respectivement nommés dans la suite de la description « dispositif 1000 » et « machine 2000 ». Sur la , le dispositif 1000 n’est pas représenté sur la machine 2000 pour une meilleure lecture de cette . La machine 2000 comporte un plateau de réception 3000 comprenant une platine 3010 configurée pour recevoir par couches ou strates la matière en fusion durant l’impression de la pièce. La machine 2000 comporte un chariot 2010 sur lequel sera monté de manière amovible le dispositif 1000. Le plateau de réception 3000 et/ou la platine 3010 et/ou le chariot 2010 peuvent être articulés de manière à pouvoir être déplacés à l’intérieur de la machine 2000 ou encore l’un vis-à-vis de l’autre selon une pluralité de mouvements, par exemple selon trois axes de translation, selon la forme de la pièce à imprimer en tri-dimensions. Sur l’exemple de la , la machine 2000 comprend un premier système de transmission 2020 permettant de déplacer le chariot 2010 selon les deux directions X et Y du repère X, Y, Z et un second système de transmission 2030 permettant de déplacer le plateau de réception 3000 selon la direction Z du repère X, Y, Z. Des variantes sont envisageables, par exemple un dispositif 1000 fixe, conçu spécifiquement et de manière intégrée à la machine 2000, ou encore un dispositif 1000 amovible et assemblé directement sur le châssis 2040 de la machine 2000. Le caractère amovible du dispositif 1000 présente pour avantage de permettre le remplacement dudit dispositif 1000 par un autre présentant ou non les caractéristiques objets de l’invention, par exemple pour une adaptation du dispositif 1000 sur la machine 2000 en fonction du type de pièce à imprimer et de la matière fusible employé pour l’impression de cette pièce.
Selon l’exemple des figures 1 à 6, ce dispositif 1000 comporte une tête d’impression 1100 munie d’une buse 1110 éjectant de la matière en fusion à partir d’un canal de matière 1130. Comme illustré dans l’exemple de la , la matière fusible est issue d’une trémie 1500 de stockage de matière en granulés et acheminée jusqu’au canal de matière 1130 de la tête d’impression 1100 via un système d’extraction chauffant 1600 configuré pour déplacer la matière fusible en granulés tout en la faisant fondre. Un tel système d’extraction chauffant 1600 comporte par exemple une vis sans fin recevant la matière couplée à une résistance ou tout autre moyen de chauffe configuré pour amener la matière en fusion. Bien évidemment, il est possible d’envisager une variété de moyens de stockage et d’acheminement de la matière raccordés à la tête d’impression 1100, par exemple spécifiques au matériau considéré nécessitant une chauffe ou un stockage particulier, ou encore spécifiques au conditionnement de la matière, laquelle peut également être obtenue sous forme filaire ou sous toute autre forme appropriée à l’impression tridimensionnelle.
Optionnellement, la tête d’impression 1100 comprend également des moyens de chauffe internes configurés pour maintenir la matière en fusion à l’intérieur du canal de matière 1130 et/ou pour assurer une température précise de la matière lors de son éjection par la buse 1110. De tels moyens de chauffe interne prennent par exemple la forme de cartouches de chauffe 1120 telles qu’illustrées dans la .
On considère dans cette description que le dispositif d’impression 1000 se trouve dans une position fixe telle qu’illustrée par la et est configuré pour éjecter un filet de matière en fusion soumis à la gravité et de manière verticale. On définit à partir de cette position les deux axes X1 et X2 tels que :
- le premier axe X1est perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière en fusion, c’est-à-dire horizontal ; et
- le second axe X2est parallèle à la trajectoire du filet de matière en fusion, c’est-à-dire vertical.
Optionnellement, le premier axe X1est plus précisément positionné de manière à intersecter la trajectoire du filet de matière en fusion et se situe entre 1mm et 5mm sous le plan horizontal intersectant la buse 1110, tandis que le second axe X2est confondu avec la trajectoire du filet de matière en fusion. Les axes X1et X2, en particulier le premier axe X1, peuvent également être légèrement désaxés ou inclinés par rapport à leurs positions telles que définies dans cette description, sans sortir du cadre de l’invention.
On remarquera que, le filet de matière étant nécessairement éjecté par la buse 1110 à une certaine vitesse, sa trajectoire initiale à la sortie de la buse 1110 suit tout changement éventuel d’orientation de la tête d’impression 1100. Il est par conséquent possible de définir de manière similaire les axes X1et X2vis-à-vis de la trajectoire initiale du filet de matière en fusion en sortie de la buse 1110 de manière adaptée à l’orientation de la buse 1110.
En accord avec le concept sous-jacent de l’invention, le dispositif d’impression 1000 comporte des moyens de contrôle de la température comprenant un premier et un second systèmes d’acheminement d’un premier et d’un second fluide gazeux dans l’environnement de la sortie de la buse 1110. Comme illustré dans les figures 1, 2, 4 et 5, le premier système d’acheminement comporte un premier conduit 1210, ici un carter creux de préférence métallique, permettant la circulation d’un premier fluide gazeux jusqu’à un premier orifice d’extraction 1211. Le premier orifice d’extraction 1211 est avantageusement configuré pour permettre l’éjection en aval du premier fluide gazeux selon une première trajectoire définissant le premier axe X1(figures 1 et 5). En amont, un premier ventilateur 1220 disposé à l’intérieur du premier conduit 1210 génère le flux du premier fluide gazeux à partir d’une première entrée 1221 ( ), par exemple une première entrée 1221 connectée à l’environnement extérieur de la machine 2000. Cette conception permet en particulier de générer un flux de circulation d’air à une première température correspondant à la température de l’environnement extérieur, mais il est bien évidemment possible de concevoir une variété de premiers systèmes d’acheminement permettant l’éjection d’un premier fluide gazeux, de l’air ou un autre gaz, selon la première trajectoire à partir de diverses sources en amont.
En complément du premier système d’acheminement, le second système d’acheminement comporte un second conduit 1310 permettant la circulation d’un second fluide gazeux jusqu’à un second orifice d’extraction 1311 permettant l’éjection du second fluide gazeux selon une seconde trajectoire définissant le second axe X2. Dans ce même exemple, le second système d’acheminement comporte un second ventilateur 1320 disposé à l’intérieur du second conduit 1310 et permettant la circulation du second fluide gazeux à partir d’une seconde entrée 1321 (figures 2 et 4) connectée à l’environnement extérieur de la machine 2000. Le second système d’acheminement comporte additionnellement un système de chauffe 1330 configuré pour faire passer le second fluide gazeux de la première température à une seconde température. Selon l’exemple des figures 2 à 5, ce système de chauffe 1330 est disposé à l’intérieur du second conduit 1310. A l’instar du premier système d’acheminement, il est possible de concevoir une variété de seconds systèmes d’acheminement à partir de diverses sources en amont, dans lesquelles le second fluide gazeux, de l’air ou un autre gaz, est conditionné à la première température, à la seconde température ou à toute autre température, le second système d’acheminement comportant le cas échéant le système de chauffe 1330 configuré pour faire atteindre la seconde température au second fluide lors de sa sortie par le second orifice d’extraction 1311.
Ainsi, le mélange du premier fluide gazeux présentant une première température et du second fluide gazeux présentant une seconde température permet d’obtenir un fluide gazeux à température contrôlée se trouvant entre la première et la seconde température, selon le débit et la capacité thermique respective du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux.
Optionnellement, le dispositif d’impression 1000 peut également comporter un système de mesure de la température, par exemple un ou plusieurs capteurs de température disposés au niveau de la sortie de la buse 1110, en amont et/ou en aval du premier et/ou du second système d’acheminement, permettant de mesurer la première température du premier fluide gazeux et/ou la seconde température du second fluide gazeux et/ou la température contrôlée du fluide gazeux résultant du mélange du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux.
Les moyens de contrôle peuvent également être configurés, seuls ou en combinaison du système de mesure de la température, pour gérer la température du fluide gazeux. Les moyens de contrôle comprennent par exemple une carte électronique programmée pour commander l’actionnement du premier ventilateur 1220, du second ventilateur 1320 et du système de chauffe 1330 en fonction du matériau d’impression tridimensionnelle employé et/ou de la vitesse de dépose du filet de matière en fusion par la tête d’impression 1100 et/ou des informations renvoyées par le système de mesure de la température. Le fonctionnement du dispositif d’impression 1000 peut ainsi être adapté entre deux fabrications de pièces mettant en œuvre des procédés d’impression tridimensionnelle différents ou au cours d’un même procédé d’impression nécessitant une adaptation de la température dans l’environnement de la sortie de la buse.
Dans une conception simplifiée, la tête d’impression 1110 est disposée à l’intérieur du second conduit 1310 de sorte que la seconde trajectoire soit confondue avec la trajectoire du filet de matière en fusion, la buse 1110 et le second orifice d’extraction 1311 étant alignés selon l’axe X2. Cette conception permet d’effectuer le mélange du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux au plus proche de la sortie de la buse afin de réguler la température de l’environnement direct du filet de matière en fusion sans déperdition de chaleur.
Dans une conception conjointe aux moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion, le dispositif 1000 comporte également un système d’isolation thermique de la tête d’impression. Selon l’exemple des figures 2 à 4, ce système d’isolation comprend une enveloppe 1410 entourant partiellement la tête d’impression 1100. On prévoit dans cet exemple une enveloppe 1410 réalisée dans un matériau métallique de type aluminium et permettant de bloquer les transferts de chaleur par convection et par rayonnement entre la tête d’impression 1100 et son environnement, ici le second conduit 1310. Bien évidemment, on peut également concevoir une enveloppe 1410 réalisée dans un matériau isolant permettant d’augmenter la résistance thermique à la conduction de l’enveloppe 1410.
Cette enveloppe 1410 est divisée en une portion supérieure 1411 entourant complètement la tête d’impression 1100 et une portion inférieure 1412 entourant partiellement la tête d’impression 1100. Comme illustré par la , la portion supérieure 1411 est conçue en tenant compte d’éventuelles ouvertures permettant la fixation de la tête d’impression 1100 dans le dispositif 1000, par exemple avec le second conduit 1310 ou avec le système d’extraction chauffant 1600 (illustré ), ainsi que de l’approvisionnement en matière du canal de matière 1130 (illustré ).
Dans ce même exemple, on prévoit une portion inférieure 1412 recouvrant la tête d’impression 1100 sur les portions les plus susceptibles aux transferts de chaleur, notamment aux transferts de chaleur par convection. La portion inférieure 1412 peut recouvrir un côté ( ) ou plusieurs côtés ( ) de la tête d’impression 1100 de façon complète ou partielle, et présente par exemple une section transversale en U. Le système d’isolation peut également comporter un matériau isolant (non représenté ici), par exemple une fibre minérale, entourant au moins partiellement la tête d’impression 1100, en complément et/ou en remplacement de l’enveloppe 1410. Il apparaît ainsi que le matériau isolant peut être disposé autour de la tête d’impression selon les limites de l’enveloppe 1410, de sorte que l’enveloppe 1410 permette d’isoler le matériau isolant et la tête d’impression des effets de convection et de rayonnement tout en définissant un volume de réception du matériau isolant. L’enveloppe 1410 peut ainsi être conçue de sorte à assurer la circulation du second fluide à l’intérieur du second conduit 1310 sans que le matériau isolant, notamment un matériau non rigide de type fibre minérale, n’obstrue le second conduit 1310. Le matériau isolant est par conséquent disposé autour de la tête d’impression selon les limites établies en partie par l’enveloppe 1410 et en partie par le second conduit 1310, en laissant bien évidemment libre la buse 1110.
Cette conception permet ainsi de minimiser les échanges thermiques entre la tête d’impression 1100 et son environnement, ici le second conduit 1310. Ces échanges permettent de stabiliser à la fois la température interne du canal de matière 1130 chauffé par les cartouches de chauffe 1120 ( ) et la seconde température du second fluide gazeux, par extension la température du fluide gazeux en sortie de la buse 1110. La chauffe comme le refroidissement de la matière en fusion sont par conséquent facilités. Bien évidemment, ce système d’isolation thermique peut fonctionner selon une conception similaire ou adaptée à une tête d’impression 1100 non contenue dans le second conduit 1310, et donc être employé indépendamment des moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion.
Comme illustré dans les figures 2 à 5, le système d’isolation thermique permet en particulier de disposer le système de chauffe 1330 le long de l’enveloppe 1410, et donc de la tête d’impression 1100, de sorte que le second fluide gazeux atteigne la seconde température au plus proche du second orifice d’extraction 1311 en minimisant l’impact respectif du second système d’acheminement et de la tête d’impression 1100. Selon l’exemple des figures 3 et 4, l’enveloppe 1410 comporte par exemple des moyens d’assemblage 1413 du système de chauffe 1330 facilitant son positionnement.
Ainsi, on comprendra que la présente invention prévoit des moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion permettant le soufflage d’un fluide gazeux à température contrôlée à la sortie de la buse de la tête d’impression, de sorte que le refroidissement du filet de matière en fusion soit maîtrisé dès son éjection par la buse. Ces moyens de contrôle sont intégrés à un dispositif d’impression pouvant comporter l’ensemble des moyens permettant la production et l’acheminement de matière en fusion jusqu’à la buse et compatible avec une machine d’impression tridimensionnelle, comme la machine 2000 de la . Ces mêmes moyens de contrôle peuvent additionnellement avoir un fonctionnement fixe ou adaptable aux caractéristiques spécifiques d’un procédé d’impression, afin de varier autant que possible les possibilités en termes de matériau et de procédé d’impression tridimensionnelle.
Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de réalisation particulier de la présente invention, mais qu’en aucun cas cette description ne revêt un quelconque caractère limitatif à l’objet de l’invention ; bien au contraire, elle a pour objectif d’ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des revendications qui suivent.
A titre d’exemple, les premier et second fluides gazeux qui, dans l’exemple décrit ici à l’appui des figures 1 à 7, sont identiques et de l’air, pourraient être constitués d’un autre gaz, voire de deux autres gaz différents. La machine 2000 sera par exemple, dans ce cas, équipée d’un système de traitement (non illustré) permettant d’assurer un recyclage et un traitement du mélange du premier et du second fluides gazeux en permettant éventuellement de les réinjecter respectivement en amont des deux ventilateurs 1220, 1320.
Des variantes du dispositif 1000 sont également possible en mettant en œuvre un seul système d’acheminement d’un seul fluide gazeux dont la température peut être modifiée et régulé soit en le chauffant soit en le refroidissement pour atteindre une température souhaitée dudit fluide gazeux dans l’environnement de la sortie de la buse 1110.
Il devra également être observé que les signes de références mis entre parenthèses dans les revendications qui suivent ne présentent en aucun cas un caractère limitatif ; ces signes ont pour seul but d’améliorer l’intelligibilité et la compréhension des revendications qui suivent ainsi que la portée de la protection recherchée.

Claims (15)

  1. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle comprenant une tête d’impression (1100) munie d’une buse (1110) par laquelle sort un filet de matière en fusion,
    caractérisé en ce que ledit dispositif (1000) comprend des moyens de contrôle de la température de l’environnement dudit filet de matière en fusion, lesdits moyens de contrôle comportant au moins un système d’acheminement d’un fluide gazeux à une température contrôlée dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110).
  2. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 1, dans lequel ledit fluide gazeux est de l’air.
  3. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens de contrôle comportent un premier système d’acheminement d’un premier fluide gazeux à une première température et un second système d’acheminement d’un second fluide gazeux à une seconde température, le mélange dudit premier fluide gazeux et dudit second fluide gazeux permettant l’obtention dudit fluide gazeux à une température contrôlée dans ledit environnement.
  4. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 3, dans lequel ledit premier fluide gazeux est acheminé selon une première trajectoire et ledit second fluide gazeux est acheminé selon une seconde trajectoire, ladite première trajectoire et ladite seconde trajectoire se rejoignant dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110) où s’effectue ledit mélange dudit premier fluide et dudit second fluide.
  5. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 4, dans lequel ladite première trajectoire définit un premier axe (X1) d’écoulement dudit premier fluide gazeux perpendiculaire à la trajectoire dudit filet de matière en sortie de ladite buse (1110) et ladite seconde trajectoire définit un second axe (X2) d’écoulement dudit second fluide gazeux parallèle à la trajectoire dudit filet de matière en sortie de ladite buse.
  6. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel ledit premier système d’acheminement comprend un premier conduit (1210) muni d’un premier orifice d’extraction (1211) et un premier ventilateur (1220) permettant de véhiculer ledit premier fluide gazeux le long dudit premier conduit (1210) jusqu’audit premier orifice d’extraction (1211).
  7. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel ledit second système d’acheminement comprend un second conduit (1310) muni d’un second orifice d’extraction (1311) et un second ventilateur (1320) permettant de véhiculer ledit second fluide gazeux jusqu’audit second orifice d’extraction (1311) et un système de chauffe (1330) configuré pour chauffer ledit second fluide gazeux durant son écoulement dans ledit second conduit (1310).
  8. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 7, dans lequel ledit système de chauffe (1330) dudit second fluide gazeux est placé à l’intérieur dudit second conduit (1310).
  9. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel ladite tête d’impression (1100) est positionnée à l’intérieur dudit second conduit (1310) avec sa buse (1110) placée au niveau dudit second orifice d’extraction (1311) de sorte que l’environnement de la sortie de ladite buse (1110) corresponde avec l’environnement externe du second orifice d’extraction (1311).
  10. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 9 rattachée à la revendication 8, dans lequel ledit système de chauffe (1330) est positionné autour de ladite tête d’impression (1110).
  11. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, lequel comporte un système d’isolation thermique de ladite tête d’impression (1100).
  12. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, lequel comprend un système de mesure de la température dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110).
  13. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, lequel les moyens de contrôle sont configurés pour gérer la température dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110) en fonction du type de matière et de la vitesse dudit filet de matière en fusion en sortie de buse (1110).
  14. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, lequel comprend une trémie (1500) de stockage de matière en granulés et un système d’extraction chauffant (1600) permettant d’acheminer ladite matière de ladite trémie (1500) à ladite tête d’impression (1100) en faisant fondre ladite matière.
  15. Machine (2000) d’impression tridimensionnelle, laquelle comprend un dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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