FR3129316A1

FR3129316A1 - Procédé de fabrication d’une bobine d’un filament

Info

Publication number: FR3129316A1
Application number: FR2112406A
Authority: FR
Inventors: Alexis THEZE; Jean RICHARD Sébastien; Alain Guinault; Alain Regnier
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: 2021-11-23
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2041-11-23
Also published as: WO2023094765A1; FR3129316B1

Abstract

Le présent document concerne un procédé de fabrication d’une bobine d’un filament (1), ledit procédé comprenant les étapes : extruder (2) un mélange de liants cristallins ou semi-cristallins et d’au moins 90% en masse ou 60% en volume de poudre métallique ou céramique de sorte à obtenir un filament ;réaliser une trempe (3) dudit filament à une température de trempe déterminée pour abaisser entre 5% et 15% un taux de cristallinité dans lesdits liants ;enrouler ledit filament (4), autour de la bobine, à une température comprise entre 10°C et une température inférieure à la température de trempe. Figure de l’abrégé : Figure 4

Description

Procédé de fabrication d’une bobine d’un filament

Le présent document concerne un procédé de fabrication d’une bobine d’un filament à haut taux de charge en poudre métallique ou céramique. Ce filament est destiné à un dispositif de fabrication additive.

Classiquement, une Fabrication de Filaments Fondus (FFF), aussi appelé « Fused Filament Fabrication » en anglais, est un procédé de dépôt de fil fondu très employé pour mettre en forme des pièces en polymère, chargées en poudre métallique ou pas.

Comme illustré en , ce procédé FFF consiste à construire une pièce couche par couche à l’aide d’une imprimante 5, par dépôt d’un filament de plastique ou composite fondu. Ce filament se solidifie ensuite en refroidissant. Cette imprimante est constituée d’une plateforme 6, un support matériel 7, une tête d’extrusion 8 et une partie de filament 10.

Les liants plastiques du filament ne servent que de vecteur de mise en forme. Ces liants plastiques sont ensuite ôtés par des opérations dites de déliantage. Une pièce dite « pièce brune » est alors obtenue. Puis après une opération de frittage, une pièce finale frittée est obtenue.

Ce procédé FFF utilise une bobine de filament dont le diamètre est compris entre 1,75 mm et 2,85 mm. Une composition d’un mélange de poudre métallique et de liant plastique est utilisée pour obtenir ledit filament. Cette composition comprend 9% en masse de polyoxymethylène copolymère (POM-C), 1% en masse de polypropylène (PP) et 90% en masse ou 60% en volume d’une poudre métallique.

Des essais sur une ligne d’extrusion montrent qu’un tel filament extrudé est très cassant à froid. Il en résulte que l’enroulage dudit filament sur une bobine ne peut être réalisé qu’en le maintenant à une température comprise entre 70°C et 90°C pour laquelle le filament reste suffisamment souple.

Comme illustré en , cette température de chauffe a un effet sur un module d’élasticité et une ductilité du matériau. La comprend deux graphiques : un premier graphique illustrant une contrainte de flexion en MPa 12 en fonction d’un allongement en pourcentage 14 et un second graphique illustrant un rayon de bobine en mm 16 en fonction dudit allongement 18. Dans le premier graphique, un premier type de courbes 20 correspond à des essais de flexion réalisé à une température ambiante alors qu’un second type de courbes 22 correspond à des essais de flexion réalisés à 80°C. On note ainsi qu’à 80°C, un allongement à la rupture du matériau est supérieur à 5% alors qu’à température ambiante, l’allongement à la rupture du matériau n’excède pas 0,5%. Ces deux graphiques démontrent que l’enroulage sur une bobine ayant un rayon interne de 70 mm doit être réalisé à une température comprise entre 70°C et 90°C.

Ces observations concernant un enroulage de filament sont également valables pour un déroulage de filament. Le déroulage de filament doit donc être réalisé à chaud dans la même gamme de température. Cela est difficile à mettre en œuvre et génère des contraintes notables sur ledit procédé. Comme illustré en , il faut, en effet, une imprimante permettant un réchauffage 24 de la bobine dans cette même gamme de température.

La présente invention vise à remédier à cette problématique de façon simple et peu coûteuse.

Résumé

Le présent document concerne un procédé de fabrication d’une bobine d’un filament, ledit procédé comprenant les étapes :

extruder un mélange de liants cristallins ou semi-cristallins et d’au moins 90% en masse ou 60% en volume de poudre métallique ou céramique de sorte à obtenir un filament ;
réaliser une trempe dudit filament à une température de trempe déterminée pour abaisser entre 5% et 15% un taux de cristallinité dans lesdits liants ;
enrouler ledit filament, autour de la bobine, à une température comprise entre 10°C et une température inférieure à la température de trempe.

Grâce à l’étape de trempe, le taux de cristallinité dans lesdits liants est abaissé, ce qui a pour conséquence de rendre le filament plus souple. En effet, un module d’élasticité est abaissé et une ductilité est augmentée par rapport aux méthodes de l’art antérieur. Ainsi, les risques de casse du filament lors d’une manipulation au cours de l’enroulage ou du déroulage sont évités.

Grâce au procédé selon l’invention, aucune modification de composition du mélange de liants et de poudre métallique ou céramique n’est nécessaire. En effet, une modification de la composition du mélange obligerait à recommencer les études relatives au déliantage et au frittage qui sont deux étapes intervenant postérieurement à l’obtention dudit filament. Ainsi, une augmentation de la teneur en liant pour rendre le filament plus souple augmente un retrait en frittage. Aucune des étapes actuelles du procédé FFF ne nécessite de réajustement, ce qui facilite la mise en place des nouvelles étapes du procédé de fabrication de la bobine de filament.

Ce procédé permet d’éviter d’avoir recours au réchauffage dudit filament lors de l’enroulage au cours de la fabrication et/ou lors de son utilisation sur une imprimante au moment du déroulage au cours du procédé FFF. Il évite aussi d’avoir recours à un compartiment chauffé dans lequel le filament est assoupli avant de pénétrer dans la chambre de fabrication et simplifie ainsi la conception de l’imprimante.

La température de trempe peut être comprise entre 10°C et 80°C.

Cette température permet de diminuer le taux de cristallinité et ainsi de favoriser une souplesse du filament.

La trempe peut comprendre un bain de refroidissement à eau ou avec un autre liquide thermostaté ou un flux de gaz à température contrôlée.

Le liant semi-cristallin peut comprendre un copolymère de polyoxymethylène (POM-C) et du polypropylène (PP).

Le filament peut avancer dans un bain de trempe avec un débit massique compris entre 100 g/min et 140 g/min.

Ce débit massique est décidé sur un critère de vitesse de refroidissement dudit filament de façon à assurer l’obtention d’un taux de cristallinité inférieur à une valeur cible, garantissant les propriétés du matériau.

Une vitesse d’avance du filament dans un bain de trempe peut être comprise entre 7 m/min et 10 m/min.

Une durée de la trempe peut être comprise entre 2 secondes et 20 secondes.

Cette durée de trempe favorise la diminution du taux de cristallinité. En effet, plus le refroidissement sera rapide et moins le taux de cristallinité sera élevé.

Le filament peut avoir un diamètre compris entre 1,5 mm et 3 mm, préférablement entre 1,75 mm et 2,0 mm.

La bobine d’enroulage peut comprendre comme dimensions : un diamètre externe compris entre 60 mm et 160 mm, préférentiellement 130 mm et une hauteur comprise entre 20 mm et 80 mm, préférentiellement 52 mm.

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

montre une imprimante utilisée dans un procédé FFF.

Fig. 2

montre un premier graphique illustrant des essais flexions trois points sur un filament à température ambiante et à 80°C, ce premier graphique étant aligné sur un second graphique illustrant un rayon de bobine en mm en fonction d’une déformation en %.

Fig. 3

montre une machine de fabrication additive avec un compartiment chauffé pour une bobine de filament.

Fig. 4

montre un logigramme représentant un procédé de fabrication d’une bobine de filament, selon l’invention.

Fig. 5

montre une ligne d’extrusion d’un filament A.

Fig. 6

montre une ligne d’extrusion d’un filament B.

Fig. 7

montre des essais flexions trois points sous forme d’un graphique ayant en ordonnée une contrainte de flexion en MPa et en abscisse une déformation.

Fig. 8

montre un exemple illustrant une souplesse du filament B.

Fig. 9

montre une analyse calorimétrique différentielle à balayage réalisée sur le filament B.

Fig. 10

montre une analyse calorimétrique différentielle à balayage réalisée sur un mélange de liant cristallin ou semi-cristallin et de poudre métallique ou céramique.

Fig. 11

montre des essais de flexion réalisés sur des filaments B avec et sans recristallisation.

Fig. 12

montre une influence de la trempe sur des propriétés en flexion réalisés sur des éprouvettes.

Claims

Procédé de fabrication d’une bobine d’un filament (1), ledit procédé comprenant les étapes :
extruder (2) un mélange de liants cristallins ou semi-cristallins et d’au moins 90% en masse ou 60% en volume de poudre métallique ou céramique de sorte à obtenir un filament ;

réaliser une trempe (3) dudit filament à une température de trempe déterminée pour abaisser entre 5% et 15% un taux de cristallinité dans lesdits liants ;

enrouler ledit filament (4) , autour de la bobine, à une température comprise entre 10°C et une température inférieure à la température de trempe.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température de trempe est comprise entre 10°C et 80°C.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la trempe comprend un bain de refroidissement à eau ou avec un autre liquide thermostaté ou un flux de gaz à température contrôlée.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le liant semi-cristallin comprend un copolymère de polyoxymethylène (POM-C) et du polypropylène (PP).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le filament avance dans un bain de trempe avec un débit massique compris entre 100 g/min et 140 g/min.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une vitesse d’avance du filament dans un bain de trempe est comprise entre 7 m/min et 10m/min.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une durée de la trempe est comprise entre 2 secondes et 20 secondes.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le filament a un diamètre compris entre 1,5 mm et 3 mm, préférablement compris entre 1.75 mm et 2.0 mm.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la bobine d’enroulage comprend comme dimensions : un diamètre externe compris entre 60 mm et 160 mm, préférentiellement 130 mm et une hauteur comprise entre 20 mm et 80 mm, préférentiellement 52 mm.