FR3134334A1 - Waterproof part obtained by additive manufacturing - Google Patents
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Abstract
Pièce étanche obtenue par fabrication additive L’invention concerne une pièce formée d’une pluralité de filaments (11) composés d’un matériau polymérique, la pluralité de filaments définissant une porosité (12) dans la direction parallèle aux filaments, la pièce étant caractérisée en ce qu’elle comprend une solution de remplissage dans la porosité, ladite solution de remplissage comprenant une résine époxy diluée dans un solvant à un taux de dilution compris entre 50% et 80%. Figure pour l’abrégé : Fig. 1Waterproof part obtained by additive manufacturing The invention relates to a part formed of a plurality of filaments (11) composed of a polymeric material, the plurality of filaments defining a porosity (12) in the direction parallel to the filaments, the part being characterized in that it comprises a filling solution in the porosity, said filling solution comprising an epoxy resin diluted in a solvent at a dilution rate of between 50% and 80%. Figure for abstract: Fig. 1
Description
L’invention concerne le domaine des pièces fabriquées par fabrication additive.The invention relates to the field of parts manufactured by additive manufacturing.
Les méthodes de fabrication additive ont été largement développées ces dernières années car elles représentent un moyen simple et rapide de former des pièces aux géométries voulues et permettent d’obtenir par des procédés simples des pièces aux géométries complexes. Les méthodes de fabrication additive sont nombreuses et le choix d’une méthode ou d’une autre est généralement réalisé en fonction du matériau voulu et des caractéristiques souhaitées pour la pièce.Additive manufacturing methods have been widely developed in recent years because they represent a simple and rapid way to form parts with the desired geometries and make it possible to obtain parts with complex geometries using simple processes. Additive manufacturing methods are numerous and the choice of one method or another is generally made according to the desired material and the desired characteristics of the part.
Parmi ces méthodes de fabrication, le dépôt de fil fondu (ou FFF pour l’acronyme en anglais « Fused Filament Fabrication ») est particulièrement utile pour former des pièces en matériau polymérique.Among these manufacturing methods, Fused Filament Fabrication (FFF) is particularly useful for forming parts made of polymeric material.
Le dépôt de fil fondu est une méthode qui permet d’obtenir une pièce directement aux dimensions souhaitées par le dépôt successif d’une pluralité de filaments en matériau polymérique. Pour obtenir un plan de la pièce, les filaments sont disposés les uns à côtés des autres. Il est ensuite possible d’obtenir d’autres plans de la pièce en déposant de nouveaux filaments sur ceux déjà déposés pour obtenir une pièce tridimensionnelle à la géométrie désirée. Cette méthode de dépôt crée toutefois une pièce possédant une porosité importante. En effet, les filaments forment des espaces entre deux filaments successifs dans la direction parallèle aux filaments, que la méthode de dépôt ne permet pas de combler. Les pièces ainsi créées ne sont donc pas étanches aux gaz.Fused wire deposition is a method which makes it possible to obtain a part directly to the desired dimensions by the successive deposition of a plurality of filaments of polymeric material. To obtain a plan of the part, the filaments are arranged next to each other. It is then possible to obtain other planes of the part by depositing new filaments on those already deposited to obtain a three-dimensional part with the desired geometry. This deposition method, however, creates a part with significant porosity. In fact, the filaments form spaces between two successive filaments in the direction parallel to the filaments, which the deposition method cannot fill. The parts thus created are therefore not gastight.
Ainsi, il demeure un besoin pour une pièce étanche en matériau polymérique et fabriquée par une méthode de dépôt de fil fondu.Thus, there remains a need for a waterproof part made of polymeric material and manufactured by a fused wire deposition method.
Selon un premier aspect, l’invention vise à proposer une pièce répondant à ce besoin.According to a first aspect, the invention aims to propose a part meeting this need.
Pour cela, l’invention concerne une pièce formée d’une pluralité de filaments composés d’un matériau polymérique, la pluralité de filaments définissant une porosité dans la direction parallèle aux filaments, la pièce étant caractérisée en ce qu’elle comprend une solution de remplissage dans la porosité formée entre les filaments, ladite solution de remplissage comprenant une résine époxy diluée dans un solvant à un taux de dilution compris entre 50% et 80%, voire entre 55% et 65%.For this, the invention relates to a part formed of a plurality of filaments composed of a polymeric material, the plurality of filaments defining a porosity in the direction parallel to the filaments, the part being characterized in that it comprises a solution of filling in the porosity formed between the filaments, said filling solution comprising an epoxy resin diluted in a solvent at a dilution rate of between 50% and 80%, or even between 55% and 65%.
Une telle pièce est étanche aux gaz, car sa porosité est remplie dans toute l’épaisseur de la pièce. De plus, l’étanchéité est conservée même lors d’une utilisation prolongée dans le temps et cela même si la surface est abimée, par exemple si elle subit une déformation ou une rayure par exemple.Such a part is gastight, because its porosity is filled throughout the thickness of the part. In addition, the watertightness is maintained even during prolonged use over time, even if the surface is damaged, for example if it is deformed or scratched for example.
La dilution de la résine époxy dans la solution de remplissage permet d’assurer une meilleure imprégnation de la porosité de la pièce, et contribue ainsi à faciliter le procédé de fabrication de la pièce.Diluting the epoxy resin in the filling solution ensures better impregnation of the porosity of the part, and thus contributes to facilitating the manufacturing process of the part.
Dans un mode de réalisation, le matériau polymérique de la pièce comprend un polyétheréthercétone, un polyétherimide, un polyéthercétonecétone un mélange de plusieurs polymères choisis parmi une ou plusieurs de ces familles.In one embodiment, the polymeric material of the part comprises a polyetheretherketone, a polyetherimide, a polyetherketoneketone, a mixture of several polymers chosen from one or more of these families.
Dans un mode de réalisation, le matériau polymérique peut comprendre en outre des renforts, les renforts pouvant être choisis parmi les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres de kevlar ou des mélanges de plusieurs fibres de ces familles.In one embodiment, the polymeric material may further comprise reinforcements, the reinforcements being able to be chosen from carbon fibers, glass fibers, Kevlar fibers or mixtures of several fibers from these families.
Par exemple, la teneur en renfort peut être comprise entre 10 % et 30 % massiques.For example, the reinforcement content can be between 10% and 30% by weight.
Dans un mode de réalisation, le solvant de la solution de remplissage comprend de la butanone (aussi dite méthyléthylcétone ou MEK pour l’acronyme anglais « methyl ethyl ketone ») pure ou diluée dans de l’eau. La dilution dans l’eau est particulièrement avantageuse quand la solution de remplissage comprend une résine époxy de base aqueuse, par exemple une résine époxy disponible commercialement sous la référence waterbond SR1900 ®.In one embodiment, the solvent of the filling solution comprises butanone (also known as methyl ethyl ketone or MEK for the English acronym “methyl ethyl ketone”) pure or diluted in water. Dilution in water is particularly advantageous when the filling solution comprises an aqueous-based epoxy resin, for example an epoxy resin commercially available under the reference waterbond SR1900 ®.
Dans un mode de réalisation, la porosité de la pièce comprenant la solution de remplissage est généralement comprise entre 8 % et 10 %, s’agissant d’une pièce déposée par dépôt de filament fondu. De préférence plus de 90% de la porosité de la pièce est remplie par la solution de remplissage.In one embodiment, the porosity of the part comprising the filling solution is generally between 8% and 10%, in the case of a part deposited by fused filament deposition. Preferably more than 90% of the porosity of the part is filled by the filling solution.
Dans un mode de réalisation, la résine époxy de la solution de remplissage peut être choisie parmi la résine époxy disponible sous le nom commercial Loctite ® EA9396, ou une résine époxy de base aqueuse, par exemple disponible sous le nom commercial waterbond SR1900.In one embodiment, the epoxy resin of the filling solution can be chosen from the epoxy resin available under the trade name Loctite ® EA9396, or an aqueous-based epoxy resin, for example available under the trade name waterbond SR1900.
Dans un mode de réalisation, la pièce est une plaque terminale de pile à combustible.In one embodiment, the part is a fuel cell end plate.
En effet, une pièce telle qu’elle vient d’être décrite présente toutes les caractéristiques nécessaires pour une plaque de pile à combustible et possède en particulier une étanchéité aux gaz et aux liquides jusqu’à des pressions de 4 bars.Indeed, a part such as it has just been described has all the characteristics necessary for a fuel cell plate and in particular has gas and liquid tightness up to pressures of 4 bars.
De plus, l’obtention d’une telle plaque est grandement simplifiée grâce à l’utilisation d’un procédé de dépôt de fil fondu. Des plaques terminales conformes à ce mode de réalisation sont des alternatives moins chères et qui nécessitent moins d’usinage que les plaques terminales de l’art antérieur.In addition, obtaining such a plate is greatly simplified thanks to the use of a fused wire deposition process. End plates conforming to this embodiment are cheaper alternatives which require less machining than the end plates of the prior art.
Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
- Une étape de fabrication de la pièce par dépôt d’une pluralité de filaments formés d’un polymère au moyen d’une méthode de dépôt de fil fondu ;
- une étape d’imprégnation de la porosité de la pièce ainsi fabriquée par une solution de remplissage, la solution de remplissage comprenant une résine époxy diluée dans un solvant à un taux de dilution compris entre 50% et 80% voire entre 55% et 65%, cette étape d’imprégnation comprenant en outre l’application d’une pression réduite à la porosité de la pièce.According to another of its aspects, the invention also relates to a method of manufacturing a part, the method comprising at least the following steps:
- A step of manufacturing the part by depositing a plurality of filaments formed from a polymer using a fused wire deposition method;
- a step of impregnating the porosity of the part thus manufactured with a filling solution, the filling solution comprising an epoxy resin diluted in a solvent at a dilution rate of between 50% and 80% or even between 55% and 65% %, this impregnation step further comprising the application of a pressure reduced to the porosity of the part.
La pièce ainsi obtenue est imprégnée dans toute sa porosité par la solution de remplissage. L’imprégnation dans toute la porosité de la pièce permet d’obtenir des pièces dont les avantages ont été décrits ci-dessus. Notamment, l’imprégnation jusqu’au cœur de la porosité des pièces permet une excellente étanchéité des pièces. Par exemple, la porosité restante d’une pièce ainsi obtenue peut être inférieure à 5%. Une telle porosité représente une diminution d’environ 50% de la porosité d’une pièce obtenue par dépôt de filament fondu.The part thus obtained is impregnated in all its porosity by the filling solution. Impregnation throughout the porosity of the part makes it possible to obtain parts whose advantages have been described above. In particular, the impregnation right to the heart of the porosity of the parts allows excellent sealing of the parts. For example, the remaining porosity of a part thus obtained may be less than 5%. Such porosity represents a reduction of approximately 50% in the porosity of a part obtained by fused filament deposition.
Ainsi qu’il est démontré dans les exemples en fin de cette demande, le remplissage de toute la porosité des pièces par la solution de remplissage est permis par le taux de dilution spécifique choisi de la résine époxy et l’application de la pression réduite à la porosité pendant l’imprégnation par la résine.As demonstrated in the examples at the end of this application, the filling of all the porosity of the parts with the filling solution is made possible by the specific dilution rate chosen for the epoxy resin and the application of pressure reduced to porosity during resin impregnation.
Si la viscosité de la solution de remplissage est trop importante, c’est-à-dire si le taux de dilution est trop bas, la capillarité ne permet pas une bonne imprégnation à cœur des pièces, même sous pression réduite.If the viscosity of the filling solution is too high, that is to say if the dilution rate is too low, capillarity does not allow good core impregnation of the parts, even under reduced pressure.
Un taux de dilution trop élevé n’est pas non plus satisfaisant, car la quantité de solution de remplissage retenue à l’intérieur de la porosité est trop faible pour permettre une bonne étanchéité.A dilution rate that is too high is also not satisfactory, because the quantity of filling solution retained inside the porosity is too low to allow a good seal.
Dans un mode de réalisation, la porosité de la pièce au cours de l’étape d’imprégnation est à une pression inférieure ou égale à 900 mbar.In one embodiment, the porosity of the part during the impregnation step is at a pressure less than or equal to 900 mbar.
Cette pression réduite permet une très bonne imprégnation de la porosité interne de la pièce par la solution de remplissage.This reduced pressure allows very good impregnation of the internal porosity of the part by the filling solution.
Dans un mode de réalisation, l’imprégnation de la pièce par la solution d’imprégnation est réalisée par immersion au moins partielle de la pièce dans un bain comprenant la solution de remplissage.In one embodiment, the impregnation of the part with the impregnation solution is carried out by at least partial immersion of the part in a bath comprising the filling solution.
L’invention est à présent décrite au moyen de figures et d’exemples illustrant des modes de réalisation particuliers, qui ne sont présents que pour aider à la compréhension de l’invention et qui ne doivent pas être interprétés de manière limitative.The invention is now described by means of figures and examples illustrating particular embodiments, which are present only to help understand the invention and which should not be interpreted in a restrictive manner.
La
La pièce 10 est obtenue par le dépôt de filaments d’un matériau polymérique 11 au moyen d’une tête d’impression 13.Part 10 is obtained by depositing filaments of a polymeric material 11 using a print head 13.
Comme représenté sur la
La
Comme indiqué précédemment, une pièce obtenue par ce procédé de fabrication comprend une pluralité de filament d’un matériau polymérique 11. Ces filaments présentent entre eux une porosité. Cette porosité prend la forme de canaux 12, du fait de la géométrie des filaments 11.As indicated previously, a part obtained by this manufacturing process comprises a plurality of filaments of a polymeric material 11. These filaments have porosity between them. This porosity takes the form of channels 12, due to the geometry of the filaments 11.
Dans une pièce de l’invention, la porosité est ouverte, c’est-à-dire qu’il est possible d’accéder à l’intérieur de la porosité depuis l’extérieur sans avoir à franchir de matière.In a part of the invention, the porosity is open, that is to say it is possible to access the interior of the porosity from the outside without having to pass through any material.
Dans la demande, quand il est question d’étanchéité pour une pièce, cela doit être compris comme l’étanchéité aux gaz et aux liquides. Par exemple, l’étanchéité aux gaz et aux liquides rencontrés dans une pile à combustible, par exemple l’eau, le dioxygène et l’hydrogène.In the application, when there is talk of sealing for a room, this must be understood as sealing against gases and liquids. For example, sealing against gases and liquids encountered in a fuel cell, for example water, oxygen and hydrogen.
Par exemple, une pièce sera dite étanche aux gaz si elle parvient à supporter une pression de 2 bars, mieux de 4 bars, appliquée pendant au moins 5 minutes.For example, a part will be said to be gastight if it can withstand a pressure of 2 bars, better still 4 bars, applied for at least 5 minutes.
Trois pièces ont été préparées, deux selon un procédé hors invention à des fins de comparaison, et la troisième selon l’invention.Three parts were prepared, two using a process outside the invention for comparison purposes, and the third according to the invention.
Les trois pièces sont des pièces en matériau polymérique, obtenue par un procédé de dépôt de fil fondu. Les filaments utilisés sont en polyétherimide, disponible sous la dénomination commerciale Ultem 1010TM. La machine utilisée pour la fabrication additive est disponible sous le nom commercial Stratasys ®.The three parts are parts made of polymeric material, obtained by a fused wire deposition process. The filaments used are polyetherimide, available under the trade name Ultem 1010 TM . The machine used for additive manufacturing is available under the trade name Stratasys ®.
La première pièce correspond à une pièce directement obtenue après l’étape de fabrication additive par dépôt de fil fondu, sans étape de procédé supplémentaire.The first part corresponds to a part directly obtained after the additive manufacturing step by fused wire deposition, without any additional process step.
La deuxième pièce correspond à une pièce obtenue par une étape de fabrication additive, comme la première pièce mais le procédé d’obtention de la deuxième pièce comprend une étape d’application d’une résine époxy sur ses surfaces externes.The second part corresponds to a part obtained by an additive manufacturing step, like the first part but the process for obtaining the second part includes a step of applying an epoxy resin to its external surfaces.
La résine époxy utilisée est disponible dans le commerce sous le nom Loctite ® EA9396. La résine époxy est diluée à 50 % en masse dans de la butanone et est appliquée au pinceau.The epoxy resin used is commercially available under the name Loctite ® EA9396. The epoxy resin is diluted to 50% by weight in butanone and applied with a brush.
La troisième pièce est quant à elle obtenue comme la première pièce par une étape de fabrication additive. Elle est ensuite placée dans un bain de la même résine époxy, Loctite ® EA9396, diluée à 50% en masse dans de la butanone, et sa porosité est placée sous vide, à une pression de 900 mbar pendant au moins 10 minutes.The third part is obtained like the first part by an additive manufacturing step. It is then placed in a bath of the same epoxy resin, Loctite ® EA9396, diluted to 50% by weight in butanone, and its porosity is placed under vacuum, at a pressure of 900 mbar for at least 10 minutes.
La pièce est ensuite laissée reposée à température ambiante pendant une durée d’au moins 2 heures puis subit un cycle de polymérisation de la résine à 160°C pendant une heure.The part is then left to rest at room temperature for a period of at least 2 hours and then undergoes a resin polymerization cycle at 160°C for one hour.
Il peut être retenu que la troisième pièce est selon l’invention, et est d’ailleurs obtenue par un procédé de l’invention.It can be retained that the third part is according to the invention, and is moreover obtained by a process of the invention.
Des tests d’étanchéités sont réalisés sur les trois pièces obtenues. Pour cela, les pièces obtenues sont placées dans une cuve d’eau. Un côté de la pièce est placé sous une pression donnée d’air comprimé. Si le gaz comprimé parvient à traverser la pièce, des bulles sont observées dans la cuve et la pièce est considérée comme non-étanche. Dans le cas contraire, c’est-à-dire s’il n’est pas observé de fuite la pression appliquée à la pièce est augmentée.Leak-tightness tests are carried out on the three parts obtained. To do this, the pieces obtained are placed in a tank of water. One side of the part is placed under a given pressure of compressed air. If the compressed gas manages to pass through the room, bubbles are observed in the tank and the room is considered leaky. Otherwise, that is to say if no leak is observed, the pressure applied to the part is increased.
La pression appliquée aux pièces est de 0,25 bar, puis 1,8 bars, et enfin 4 bars, cette pression étant maintenue jusqu’à 5 minutes si aucune fuite n’est observée.The pressure applied to the parts is 0.25 bar, then 1.8 bars, and finally 4 bars, this pressure being maintained for up to 5 minutes if no leak is observed.
Le tableau ci-dessous décrit les résultats obtenus, et renseigne pour chacune des pièces si une fuite est observée ou non. Si une fuite est observée, la pièce n’est pas testée aux pressions supérieures et « --- » indique que la pièce n’a pas été testée.The table below describes the results obtained, and provides information for each part whether a leak is observed or not. If a leak is observed, the part is not tested at the higher pressures and “---” indicates the part has not been tested.
Comme indiqué dans le tableau, la pièce 1 correspondant à la pièce obtenue directement après le dépôt de fil fondu montre des fuites dès les plus faibles pressions appliquées.As indicated in the table, part 1 corresponding to the part obtained directly after the deposition of molten wire shows leaks from the lowest pressures applied.
La pièce 2, correspondant à la pièce revêtue en surface par la résine époxy diluée, reste étanche si de faibles pressions sont appliquées. Néanmoins, des fuites sont observées dès une pression appliquée de 1,8 bars, et le traitement de la surface de la pièce par une résine diluée ne permet donc pas d’obtenir une pièce étanche.Part 2, corresponding to the part coated on the surface with the diluted epoxy resin, remains waterproof if low pressures are applied. However, leaks are observed from an applied pressure of 1.8 bars, and treating the surface of the part with a diluted resin therefore does not make it possible to obtain a watertight part.
Seule la pièce 3, qui obtenue par un procédé de l’invention permet d’obtenir une pièce étanche qui résiste à une pression de 4 bars appliquée pendant au moins 5 minutes.Only part 3, which obtained by a process of the invention makes it possible to obtain a waterproof part which resists a pressure of 4 bars applied for at least 5 minutes.
La comparaison des comportements de ces trois pièces démontre bien que la mise sous pression réduite de la porosité de la pièce au cours de l’imprégnation par la résine diluée permet d’obtenir une pièce qui reste étanches à des pressions plus importantes que les pièces qui ne sont pas obtenues par un procédé de l’invention.Comparison of the behavior of these three parts clearly demonstrates that the reduced pressure on the porosity of the part during impregnation with the diluted resin makes it possible to obtain a part which remains waterproof at higher pressures than parts which are not obtained by a process of the invention.
La
Sur les figures 2 à 4, une partie poreuse de la pièce apparait noire, tandis qu’une partie non poreuse apparait plus claire.In Figures 2 to 4, a porous part of the part appears black, while a non-porous part appears lighter.
La
La
La
There
Claims (8)
- une étape de fabrication de la pièce par dépôt d’une pluralité de filaments (11) formés d’un polymère au moyen d’une méthode de dépôt de fil fondu ;
- une étape d’imprégnation de la porosité de la pièce ainsi fabriquée par une solution de remplissage, la solution de remplissage comprenant une résine époxy diluée dans un solvant à un taux de dilution compris entre 50% et 80%, cette étape comprenant en outre l’application d’une pression réduite à la porosité de la pièce.Process for manufacturing a part, the process comprising at least the following steps:
- a step of manufacturing the part by depositing a plurality of filaments (11) formed of a polymer by means of a fused wire deposition method;
- a step of impregnating the porosity of the part thus manufactured with a filling solution, the filling solution comprising an epoxy resin diluted in a solvent at a dilution rate of between 50% and 80%, this step further comprising applying pressure reduced to the porosity of the part.
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| FR2203237A FR3134334A1 (en) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | Waterproof part obtained by additive manufacturing |
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| FR3134334A1 true FR3134334A1 (en) | 2023-10-13 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190039297A1 (en) * | 2017-08-02 | 2019-02-07 | Ethicon Llc | System and method for additive manufacture of medical devices |
| CN112707744A (en) * | 2020-12-30 | 2021-04-27 | 松山湖材料实验室 | Porous nitride ceramic and preparation method thereof |
| EP3827967A1 (en) * | 2019-11-26 | 2021-06-02 | Fundación Tecnalia Research & Innovation | Method for additive manufacturing of a preform |
-
2022
- 2022-04-08 FR FR2203237A patent/FR3134334A1/en active Pending
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