FR3119791A1 - Installation de fabrication additive - Google Patents
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Abstract
Installation de fabrication additive Installation (1) de fabrication additive comportant : - un support (2) présentant une surface (3) de réception destinée à recevoir la pièce (P) en cours de fabrication, le support comportant un matériau composite comprenant une matrice polymère thermoplastique et un renfort fibreux, - au moins un matériau d’apport (10) pour former la pièce (P), ledit matériau d’apport (10) comportant un matériau polymère thermoplastique, - au moins un système (20) de dépôt du matériau d’apport (10) et de formation de la pièce (P) en couche (C) par couche (C) à partir du matériau d’apport (10), au moins la première couche (C1) étant destinée à être en contact avec la surface (3) de réception du support (2), la matrice polymère thermoplastique du support (2) comportant le même matériau polymère thermoplastique que le matériau d’apport (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne le domaine de la fabrication additive. En particulier, l’invention concerne une installation de fabrication additive ainsi qu’un procédé de fabrication additive avec une telle installation.
Lors de la mise en œuvre d’un procédé de fabrication additive, on dépose un matériau d’apport et on forme une pièce en couche par couche à partir de ce matériau d’apport sur un support.
L’adhésion de la première couche de matière d’apport sur le support doit être suffisamment importante pour que la pièce en cours de fabrication soit fixe relativement au support. Le support doit également permettre le décrochage de la pièce à la fin du procédé.
Lors du décrochage de la pièce du support, du fait de l’adhésion importante, des déformations de la pièce peuvent se produire, dégradant la qualité de la pièce.
Pour y remédier, il est connu d’utiliser un support comportant du polyétherimide, mais l’adhésion n’est pas optimale ce qui limite la précision de formation de la pièce.
Il est encore connu d’utiliser un support perforé. Cependant, un tel support dégrade l’état de surface de la pièce formée et demande une maintenance importante.
Il est de même connu de couvrir le support d’un film maintenu par aspiration. Ce film adhère fortement à la pièce et il est difficile de l’enlever. De plus, lorsque la pièce comporte un matériau ayant un retrait important, le film peut se déformer par manque de rigidité ce qui déforme la pièce.
Il existe un besoin de disposer d’une installation de fabrication additive comportant un support dont l’adhésion est suffisamment importante pour maintenir la pièce en cours de fabrication et permettant de détacher la pièce formée en limitant les déformations.
L’invention parvient à résoudre ce problème en tout ou partie grâce à une installation de fabrication additive pour la réalisation d’une pièce, l’installation comportant :
- un support présentant une surface de réception destinée à recevoir la pièce en cours de fabrication, le support comportant un matériau composite comprenant une matrice polymère thermoplastique et un renfort fibreux,
- au moins un matériau d’apport pour former la pièce, ledit matériau d’apport comportant un matériau polymère thermoplastique,
- au moins un système de dépôt du matériau d’apport et de formation de la pièce en couche par couche à partir du matériau d’apport en commençant par une première couche.
Au moins ladite première couche est destinée à être en contact avec la surface de réception du support. Selon l’invention, la matrice polymère thermoplastique du support comporte le même matériau polymère thermoplastique que le matériau d’apport.
Grâce à la présence du même matériau polymère thermoplastique dans le support, pouvant encore être appelé support de fabrication, et dans ledit au moins un matériau d’apport, l’adhésion entre le support et la première couche de la pièce en contact avec le support est suffisamment importante pour que la pièce en cours de fabrication soit fixe relativement au support. Ainsi, le dépôt du matériau d’apport et la formation de la pièce en couche par couche sont relativement précis.
Avantageusement, ledit au moins un système de dépôt du matériau d’apport et de formation de la pièce forme les couches de la pièce en faisant passer ledit au moins un matériau d’apport par un état de fusion.
De préférence, ledit au moins un matériau d’apport comporte un matériau polymère thermoplastique semi-cristallin. Les matériaux thermoplastiques semi-cristallins présentent un retrait au refroidissement plus important que les matériaux amorphes, d’où la nécessité d’obtenir une meilleure adhésion au support afin de contrer les déformations engendrées par ce retrait.
Par « matériau polymère thermoplastique semi-cristallin », on entend un polymère thermoplastique possédant des zones cristallines et des zones amorphes. Un tel polymère peut comporter des lamelles constituées de mailles cubiques, orthorhombiques ou hexagonales. Le taux de cristallinité peut être compris entre une valeur proche de 0% à 90%, notamment entre environ 0% et 50%, en particulier lorsque le matériau polymère semi-cristallin est un PEKK (polyéthercétonecétone).
Ledit au moins un matériau d’apport peut être chargé de fibres, notamment de fibres de carbone/de verre, de charge minérale, métallique ou végétale, notamment de billes de verre, de bois, ou être non chargé.
Le matériau polymère thermoplastique du support et du matériau d’apport a, avantageusement, une température de fusion supérieure à 160°C, mieux supérieure à 200°C.
Le matériau polymère thermoplastique du support et du matériau d’apport comporte avantageusement une PAEK (polyaryléthercétone), notamment une PEEK (polyétheréthercétone), une PEKK (polyéthercétonecétone), une PEK (polyéthercétone), une PEEKK (polyétheréthercétonecétone) et/ou une PEKEKK (polyéthercétoneéthercétonecétone).
Le matériau polymère thermoplastique du support et du matériau d’apport peut encore comporter en variante ou en complément du PEI (Polyétherimide également connu sous le nom d’ULTEM), du PS (polystyrène), du PPS (Polysulfure de phénylène), du PPSF ou du PPSU (polyphénylsulfone), de l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène), du PA (polyamide), du PP (polypropylène), du PLA (acide polylactique), du TPU (polyuréthane thermoplastique), du PET (polyéthylène) et/ou du PETG (polyéthylène téréphtalate).
Le renfort fibreux du support peut permettre d’obtenir une homogénéité thermique dans le support et de limiter sa dilatation thermique, notamment pour des températures supérieures à 160°C. Ainsi, l’écart entre deux points donnés sur le support est sensiblement le même entre le début et la fin de la fabrication de la pièce, ce qui permet de limiter les déformations de la pièce et d’éviter son décollement du support.
Le renfort fibreux du support comporte, de préférence, des fibres choisies dans le groupe constitué par les fibres de carbone, les fibres de verre et un mélange de ceux-ci, de préférence des fibres de carbone. En effet, les fibres de carbone améliorent la conductivité thermique du support.
Les fibres du renfort fibreux du support sont, de préférence, assemblées entre elles par tissage et/ou par tricotage, de préférence par tissage.
L’utilisation de fibres de carbone tissées permet d’obtenir une bonne rigidité au support, notamment à haute température, et peut faciliter le détachement de la pièce du support. L’utilisation de fibres de carbone permet par ailleurs un chauffage plus homogène du support de par les propriétés thermiques du carbone.
De préférence, le support comporte entre 5% et 60%, mieux entre 10% et 50%, encore mieux entre 20% et 50% en masse de fibres par rapport à la masse totale du support.
Le support forme, de préférence, un plateau présentant une épaisseur comprise entre 3 mm et 20 mm. Dans ce cas, le plateau présente, de préférence, une planéité inférieure à 50 µm. La planéité peut être supérieure en fonction de la quantité de matériau d’apport déposée et de la hauteur de ladite première couche.
Pour permettre le maintien du support au sein de l’installation, le support comporte, de préférence, au moins un trou d’ancrage, notamment au moins un trou oblong. Un tel au moins un trou d’ancrage peut permettre la fixation d’un système de déplacement du support. La forme des trous oblongs permet de limiter la dilatation thermique dudit au moins trou d’ancrage.
De préférence, la fabrication additive, encore appelée fabrication par ajout de matière, est réalisée par un procédé d’extrusion de matière, encore appelée « material extrusion » en anglais dont font notamment partie les technologies Fused deposition Modeling (FDM) ou Fused Filament Fabrication (FFF).
Dans ce cas, ledit au moins un matériau d’apport est, avantageusement, choisi dans le groupe constitué par un fil, un feuillard, un barreau, de préférence un fil, ou un mélange de ceux-ci. De plus, ledit au moins un système de dépôt du matériau d’apport et de formation de la pièce comporte, de préférence, une buse d’extrusion.
Avantageusement, l’installation comporte au moins un chariot sur lequel est fixé, au moins partiellement, ledit au moins un système de dépôt du matériau d’apport et de formation de la pièce. Dans ce cas, au moins l’un dudit au moins un chariot et du support sont, de préférence, mobiles selon au moins deux axes (X, Y), notamment trois axes (X, Y, Z), relativement à l’autre. Cette mobilité relative du chariot et/ou du support permet de déposer le matériau d’apport et/ou de former la pièce en couche par couche aux endroits prévus pour la construction de chaque couche de la pièce.
L’installation comporte avantageusement une enceinte, notamment fermée et éventuellement chauffée. Dans ce cas, le support de la pièce est présent dans l’enceinte. Ledit au moins un système de dépôt du matériau d’apport et de formation de la pièce débouche avantageusement dans l’enceinte.
L’enceinte peut être chauffée ou non et sa température de chauffage, le cas échéant peut varier, en fonction des matériaux d’apport utilisés pour la fabrication additive (ou matériaux). Pour certains matériaux d’apport, il est préférable qu’elle soit chauffée. Cependant, certaines matières ne nécessitent pas d’enceinte chauffée.
La température de chauffage de l’enceinte est par exemple définie en fonction de la Tg (température de transition vitreuse) du matériau d’apport utilisé pour la fabrication additive. Par exemple, pour l’ABS, on peut chauffer l’enceinte à une température comprise entre 50°C et 100°C. Pour du PEKK, la température de l’enceinte sera comprise entre 80°C et 150°C environ.
La température de chauffage de l’enceinte peut aller jusqu’à 250°C.
L’enceinte peut notamment être chauffée pour éviter les déformations engendrées par des gradients trop importants de température dans la pièce au cours de sa fabrication.
Procédé de fabrication additive
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication additive d’une pièce en utilisant une installation de fabrication additive telle que décrite plus haut, comportant les étapes suivantes :
a) former au moins une couche d’au moins un matériau d’apport sur la surface de réception du support pour la fabrication de la pièce,
b) détacher du support la pièce fabriquée.
Grâce à ce procédé et au fait que le support et ledit au moins un matériau d’apport comportent le même matériau polymère thermoplastique, l’adhésion entre le support et la première couche de la pièce en contact avec le support est suffisamment importante pour que la pièce en cours de fabrication soit fixe relativement au support. De plus, les déformations de la pièce lors de l’étape b) de détachement sont limitées.
Ainsi, le procédé permet de limiter les étapes de post-traitement et permet de limiter les rebuts de pièces, améliorant le rendement de fabrication.
Le procédé peut comporter l’étape préalable consistant à créer un relief sur la surface de réception du support, notamment par ponçage de ladite surface de réception. Cette étape peut permettre d’améliorer l’adhésion de la première couche de la pièce sur le support. Une telle étape peut avantageusement être effectuée avant mise en œuvre du procédé, dans le cas où le même support est utilisé pour la réalisation du plusieurs pièces successivement.
L’étape préalable consistant à créer un relief sur la surface de réception du support peut comprendre un polissage.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel
Description détaillée
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.
Sur les figures, les proportions réelles n’ont pas été respectées, dans un souci de clarté.
On a illustré sur la une installation 1 de fabrication additive selon l’invention.
Comme visible, l’installation 1 comporte un support 2, pouvant encore être appelé support de fabrication. Le support 2 présente une surface de réception 3 destinée à recevoir une pièce P en cours de fabrication.
Le support 2 comporte un matériau composite comprenant une matrice polymère thermoplastique, dans cet exemple du PEKK (polyéthercétonecétone), un polymère thermoplastique semi-cristallin.
Le support 2 comporte également un renfort fibreux, comportant dans cet exemple des fibres de carbone assemblées entre elles sous forme de tissé. Toujours dans cet exemple, le support comporte 30% en masse de fibres par rapport à la masse totale du support 2.
Le support 2 forme, dans cet exemple, un plateau présentant une épaisseurEde 5 mm. Afin de le maintenir, le support 2 comporte, dans cet exemple, des trous 4 oblongs traversants. Ces trous 4 sont plus longs que larges et terminés par deux demi-cylindres dans le plan formé par les axes X et Y.
L’installation 1 comporte un matériau d’apport 10 pour former la pièce P. Le matériau d’apport 10 comporte un matériau polymère thermoplastique, dans cet exemple du PEKK (polyéthercétonecétone), un polymère thermoplastique semi-cristallin. La matrice polymère thermoplastique du support 2 comporte le même matériau polymère thermoplastique que le matériau d’apport 10.
L’installation 1 comporte également un système 20 de dépôt du matériau d’apport 10 et de formation de la pièce P permettant de former la pièce P en couche par couche C à partir du matériau d’apport 10.
Comme visible sur la , la première couche C1 formée de la pièce P est, dans cet exemple, en contact avec la surface de réception 3 du support 2.
Dans cet exemple, la fabrication additive est réalisée par un procédé d’extrusion de matière. Le matériau d’apport 10 est sous forme d’un fil 11, stocké sous forme d’une bobine 12. Le système 20 de dépôt du matériau d’apport 10 et de formation de la pièce P comporte, dans cet exemple, une buse d’extrusion 21.
Dans cet exemple, l’installation comporte une imprimante TOBECA® Haute Température, commercialisée par la société de même nom et dont le volume de fabrication est de 600x600x600mm.
L’installation 1 comporte, dans cet exemple, un chariot 30 sur lequel est fixé ledit au moins un système 20 de dépôt du matériau d’apport 10 et de formation de la pièce P, dans cet exemple la buse d’extrusion 21. Le chariot 30 est, dans cet exemple, mobile selon deux axes (X, Y) relativement au support 2. Le support 2 est, dans cet exemple, mobile selon un axe (Z) relativement au chariot 30. Ainsi le chariot 30 et le support 2 sont mobiles selon trois axes (X, Y, Z), relativement à l’autre, ce qui permet de déposer le matériau d’apport 10 à l’endroit prévu pour la construction de chaque couche C de la pièce P.
L’installation 1 comporte, dans cet exemple, une enceinte 31 fermée et chauffée. Comme visible, le support 2 de la pièce P est présent dans l’enceinte 31 et le système 20 de dépôt du matériau d’apport 10 et de formation de la pièce P débouche dans l’enceinte 31.
L’enceinte 31 est, dans cet exemple, chauffée à une température égale à 150°C environ. Cette température est légèrement inférieure à la température de transition vitreuse Tg du PEKK.
Comme visible sur l’exemple de la , la surface de réception 3 du support 2 peut comporter des reliefs 35, sous forme de stries et de sillons avec un Ra de 10 µm environ et un Rz de 15 µm environ, configurés pour améliorer l’adhésion de la première couche C1 la pièce P, Ra et Rz donnant des indications sur l'aspect de la surface, Ra étant l’écart moyen arithmétique, c’est-à-dire la moyenne arithmétique des valeurs absolues de l'ordonnée y' (entre chaque point de la courbe et l'axe Ox') et Rz étant la hauteur maximale du profil.
Pour fabriquer en fabrication additive une pièce P avec l’installation 1 comme décrit précédemment, on peut mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’invention illustrées sur la .
Dans une première étape 50, au moins une couche C de matière est formée sur la surface de réception 3 du support 2 pour la fabrication de la pièce P.
L’invention n’est pas limitée à un nombre de couches C de matière formée. Plusieurs couches C sont de préférence superposées au moins partiellement, comme illustré sur la .
Dans une deuxième étape 51, la pièce P est détachée du support 2.
Le procédé comporte également une étape 52 préalable à l’étape 50 consistant à créer un relief 35 sur la surface 3 de réception du support 2, dans cet exemple par ponçage de ladite surface 3 de réception. Cette étape 52 vise à améliorer l’adhésion de la première couche C1 de la pièce P sur le support 2.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.
Le procédé peut ne pas comporter l’étape 52.
Le support peut comporter un autre matériau polymère thermoplastique, par exemple un autre matériau polymère thermoplastique semi-cristallin compatible avec le matériau d’apport.
Le support 2 peut comporter un autre type de fibres, par exemple des fibres de verre .
Les fibres peuvent être assemblées entre elles différemment, par exemple sous forme d’un tricot.
Le pourcentage en masse de fibres peut être différent, étant notamment compris entre 5% et 60%.
Le matériau d’apport 10 peut être chargé de fibres, par exemple de fibres de carbone/de verre, de charge minérale, métallique ou végétale, notamment de billes de verre ou de bois, les fibres ayant par exemple un diamètre compris entre 5 et 15 µm environ et/ou une longueur comprise entre 40 et 400 µm environ.
La fabrication additive peut être réalisée par un autre procédé, par exemple par une impression 3D par fusion de lit de poudre. Dans ce cas, l’installation 1 comporte au moins un système 20 de dépôt du matériau d’apport 10 et de formation de la pièce P comportant au moins un système de dépôt du matériau d’apport 10 sous forme de poudre sur le support 2, au moins un système d’égalisation de la couche de poudre et au moins un laser.
Dans le cas où l’installation 1 comporte une enceinte 31, elle peut être chauffée à une température différente ou peut ne pas être chauffée.
Claims (13)
- Installation (1) de fabrication additive pour la réalisation d’une pièce (P), l’installation (1) comportant :
- un support (2) présentant une surface (3) de réception destinée à recevoir la pièce (P) en cours de fabrication, le support (2) comportant un matériau composite comprenant une matrice polymère thermoplastique et un renfort fibreux,
- au moins un matériau d’apport (10) pour former la pièce (P), ledit matériau d’apport (10) comportant un matériau polymère thermoplastique,
- au moins un système (20) de dépôt du matériau d’apport (10) et de formation de la pièce (P) en couche (C) par couche (C) à partir du matériau d’apport (10) en commençant par une première couche (C1),
la matrice polymère thermoplastique du support (2) comportant le même matériau polymère thermoplastique que le matériau d’apport (10). - Installation selon la revendication précédente, dans laquelle ledit au moins un matériau d’apport (10) comporte un matériau polymère thermoplastique semi-cristallin.
- Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau polymère thermoplastique du support (2) et du matériau d’apport (10) a une température de fusion supérieure à 160°C, mieux supérieure à 200°C.
- Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau polymère thermoplastique du support (2) et du matériau d’apport (10) comporte un PAEK (polyaryléthercétone), notamment un PEKK (polyéthercétonecétone).
- Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le renfort fibreux du support (2) comporte des fibres choisies dans le groupe constitué par les fibres de carbone, les fibres de verre et un mélange de ceux-ci, de préférence des fibres de carbone.
- Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le support (2) comporte entre 5% et 60%, mieux entre 20% et 50% en masse de fibres par rapport à la masse totale du support (2).
- Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le support (2) forme un plateau présentant une épaisseur comprise entre 3 mm et 20 mm.
- Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la fabrication additive est réalisée par un procédé d’extrusion de matière.
- Installation selon la revendication précédente, dans laquelle ledit au moins un matériau d’apport (10) est choisi dans le groupe constitué par un fil (11), un feuillard, un barreau, de préférence un fil (11), ou un mélange de ceux-ci.
- Installation selon la revendication 8 ou 9, dans laquelle ledit au moins un système (20) de dépôt du matériau d’apport (10) et de formation de la pièce (P) comporte une buse d’extrusion (21).
- Procédé de fabrication additive d’une pièce (P) en mettant en œuvre une installation (1) de fabrication additive selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes :
a) former au moins une couche (C) d’au moins un matériau d’apport sur la surface (3) de réception du support (2) pour la fabrication de la pièce (P),
b) détacher du support (2) la pièce (P) fabriquée. - Procédé selon la revendication précédente, comportant l’étape préalable consistant à créer un relief (35) sur la surface (3) de réception du support (2).
- Procédé selon la revendication précédente, l’étape préalable consistant à créer un relief (35) sur la surface (3) de réception du support (2) comprenant un polissage.
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|---|---|---|---|
| FR2101484A FR3119791B1 (fr) | 2021-02-16 | 2021-02-16 | Installation de fabrication additive |
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| FR3119791B1 FR3119791B1 (fr) | 2023-11-03 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023196569A1 (fr) * | 2022-04-08 | 2023-10-12 | Curiteva, Inc. | Implants médicaux polymères poreux fabriqués de manière additive |
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-
2021
- 2021-02-16 FR FR2101484A patent/FR3119791B1/fr active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3119791B1 (fr) | 2023-11-03 |
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