OA17877A - Disposilif de manufacture additive pour la réalisation d'un objet tridimensionnel et procédé associé. - Google Patents
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Abstract
L'objet principal de l'invention est un
dispositif (1) de manufacture additive pour la
réalisation d'un objet tridimensionnel (2),
caractérisé en ce qu'il comporte une unité de
sélection (3) de matériaux, dont des matériaux
pour la réalisation de l'objet tridimensionnel (2),
une unité de chauffage par induction (4) des
matériaux, l'unité de sélection (3) étant apte à
acheminer les matériaux vers l'unité de chauffage
(4) qui les amène en fusion, et une unité de dépôt
(5) des matériaux, qui éjecte les matériaux après
passage dans l'unité de chauffage (4) sur un
support (6), pour permettre la réalisation de l'objet
tridimensionnel (2) par couches de matière
successives.
Description
DISPOSITIF DE MANUFACTURE ADDITIVE POUR LA RÉALISATION D'UN OBJET TRIDIMENSIONNEL ET PROCÉDÉ ASSOCIÉ
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs et procédés pour la fabrication d'un objet en trois dimensions par déposition sélective de matière par couches successives. Elle concerne ainsi tout particulièrement, mais de manière non limitative, le domaine de l'impression tridimensionnelle, appelée encore manufacture additive ou prototypage rapide.
L'invention trouve des applications dans différents domaines, à la fois pour l'industrie et pour un usage particulier. Ces domaines comportent notamment l'automobile, l'aérospatiale, la médecine telle que l'industrie dentaire, l'industrie militaire, les biens de consommation, la joaillerie, l'industrie du cinéma, la visualisation de projets pour l'architecture ou les études de design, l'utilisation personnelle d'imprimantes 3D, ou encore les services en ligne d'impression 3D.
L'invention propose ainsi un dispositif de manufacture additive pour la réalisation d'un objet tridimensionnel, un procédé de réalisation d'un objet tridimensionnel mis en œuvre au moyen d'un tel dispositif, ainsi qu'un objet tridimensionnel obtenu par ce dispositif ou procédé.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
L'impression tridimensionnelle, encore appelée impression 3D, est une technique de fabrication (ou manufacture) additive développée pour le prototypage rapide. Cette technique est apparue au milieu des années 80, comme une nouvelle méthode de fabrication d'objets réels à partir de fichiers informatiques dits de CAO pour « Conception Assistée par Ordinateur ». Ainsi, un opérateur dessine l'objet sur un écran d'ordinateur en utilisant un outil de CAO, en mode surfacique ou volumique. Puis, le fichier informatique 3D obtenu est envoyé vers une imprimante spécifique qui le découpe en tranches et dépose ou solidifie de la matière couche par couche pour obtenir l'objet final. De cette façon, l'impression tridimensionnelle permet d'obtenir un objet réel, typiquement un prototype, par empilement de couches de matière, sans usinage. L'empilement des couches crée le volume de l'objet.
Depuis son émergence, l'impression tridimensionnelle a donné lieu à différentes technologies coexistantes. On peut ainsi citer, entre autres, la stéréolithographie (ou SLA pour « StereoLithography Apparatus » en anglais), l'extrusion de filament en fusion (ou FDM pour « Fused Déposition Modeling » en anglais), le frittage sélectif par laser (ou SLS pour « Sélective Laser Sintering » en anglais), la fusion par faisceau d'électrons (ou EBM pour « Electron Beam Melting » en anglais), l'impression 3DP (pour « 3D Printing » en anglais) ou encore l'impression 3D par PolyJet.
Depuis quelques années, on peut observer un phénomène de démocratisation de ces technologies, à destination des particuliers. Ce phénomène repose principalement sur les procédés du type SLA et FDM, en les simplifiant et en les miniaturisant. Or, cela pose un problème d'usage car ces procédés ont été développés dans le but de réaliser des prototypes et non des objets finis, adaptés à la consommation, sans avoir à requérir un post-traitement.
De plus, ces deux procédés du type SLA et FDM sont limités en termes de versatilité des matériaux utilisés. En effet, le procédé du type FDM utilise essentiellement des polymères du type ABS (pour « Acrylonitrile Butadiène Styrène ») ou PLA (pour « polylactide »), et le procédé du type SLA utilise principalement des solutions aqueuses de résines. Certains dispositifs utilisant ces procédés répondent alors partiellement à cette problématique de versatilité des matériaux, en ajoutant autant de têtes d'impression que de matériaux pris en charge, ce qui augmente alors leur complexité. De surcroît, de tels dispositifs ne proposent que de légères variations de matériaux, et aucunement des matériaux hétérogènes. Or, l'obtention d'un modèle de consommation issu d'un dispositif de manufacture additive nécessite la prise en charge d'une pluralité de matériaux (par exemple des polyamides, céramiques, métaux, entre autres), ce qui pose le problème de l'adhésion des différents matériaux utilisés et de leur intégrité structurelle.
Par ailleurs, ces deux procédés du type SLA et FDM sont aussi limités en termes de fiabilité. En effet, que ce soit pour la mesure de la température, son contrôle ou sa diffusion, les deux procédés nécessitent des composants nombreux et onéreux pour gagner en précision. En particulier, les résistances thermiques du procédé du type FDM impliquent une durée de vie relative et un entretien du dispositif lourd pour les particuliers. Il en va de même pour le procédé du type SLA avec l'utilisation de laser(s) ou de source(s) radiative(s) lumineuse(s). Plus généralement, le contrôle de la position de la tête d'impression, critique tant pour la précision que pour la bonne réalisation d'un modèle tridimensionnel, requiert pour ces deux procédés un nombre conséquent de capteurs supplémentaires, qui rajoutent en complexité et en coût. Or, pour parvenir à réaliser un système polyvalent et fiable, et tout particulièrement pour les particuliers, il convient de maîtriser ces éléments.
En outre, toutes les technologies existantes, à l'exception de l'impression 3DP qui emploie un liant chimique pour solidifier la matière à l'état de poudre, engagent une consommation d'énergie conséquente : résistances thermiques, lasers et équivalents ne sont pas optimisés pour un usage grand public versatile en termes de matériaux.
Enfin, toutes les technologies existantes nécessitent un post-traitement, tant pour « nettoyer » l'objet en sortie de dispositif que pour le parfaire en lui conférant plus de solidité, pour le polir, le revêtir ou encore le coloriser.
Toutes ces limitations et contraintes sont regrettables car néfastes à l'expérience utilisateur, tant dans la faisabilité que dans le résultat, alors qu'il s'agit d'un des principaux enjeux pour développer l'usage et la consommation d'une telle technologie.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Il existe ainsi un besoin pour proposer un nouveau principe de manufacture additive présentant, entre autres, une capacité de traitement de matériaux hétérogènes dans un même processus, une capacité de finition de l'objet final par un revêtement, colorisé ou non, toujours lors de ce même processus, et une prise en compte des contraintes énergétiques et chimiques inhérentes à une problématique de consommation de masse.
L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un dispositif de manufacture additive pour la réalisation d'un objet tridimensionnel, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une unité de sélection de matériaux, dont des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel,
- une unité de chauffage par induction des matériaux, l'unité de sélection étant apte à acheminer les matériaux vers l'unité de chauffage qui les amène en fusion,
- une unité de dépôt des matériaux, qui éjecte les matériaux après passage dans l'unité de chauffage sur un support, pour permettre la réalisation de l'objet tridimensionnel par couches de matière successives.
Grâce à l'invention, il peut être possible de réduire ou de résoudre l'ensemble des inconvénients et problèmes évoqués précédemment en lien avec les réalisations selon l'art antérieur. En particulier, il peut être possible de fabriquer un objet en trois dimensions, et plus spécifiquement de réaliser de façon autonome un objet complet, pouvant comporter une pluralité de matériaux, colorisés ou non, munis éventuellement d'un ou plusieurs revêtements, sans avoir à requérir à un éventuel traitement ultérieur de l'objet. De plus, grâce à l'utilisation du chauffage par induction, une économie d'énergie importante peut être réalisée par rapport aux autres technologies de manufacture additive utilisant une source d'énergie pour traiter les matériaux. L'induction peut également permettre d'obtenir un ciblage de la zone à traiter car l'énergie est convertie en chaleur sur une zone spécifique avec une très faible diffusion. En outre, un même processus de chauffage par induction peut être utilisé pour différents matériaux, qui reçoivent un traitement spécifique selon leur composition.
Le dispositif selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
L'unité de sélection de matériaux peut comporter une première partie de conditionnement des matériaux dans des capsules et une deuxième partie de distribution des matériaux, notamment vers l'unité de chauffage par induction.
Les capsules peuvent être interchangeables. Les matériaux conditionnés peuvent être sous différentes formes, notamment sous forme liquide ou solide, et plus particulièrement sous forme de poudre fine.
La première partie de conditionnement des matériaux peut comporter des premières capsules de matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel, et/ou des deuxièmes capsules de matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support, et/ou des troisièmes capsules de matériaux de colorisation pour le support et/ou l'objet tridimensionnel.
La deuxième partie de distribution des matériaux peut comporter un premier distributeur de matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel, et/ou un deuxième distributeur de matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support, et/ou un troisième distributeur de matériaux de colorisation pour le support et/ou l'objet tridimensionnel.
L'unité de sélection des matériaux peut comporter différents éléments utiles au conditionnement et à la distribution des matériaux, tels que par exemple des valves piézoélectriques, des capteurs de mesure d'humidité, des éléments d'identification des matériaux et d'indication de l'âge des matériaux, entre autres.
L'unité de chauffage par induction des matériaux peut comporter une première partie de chauffage par induction des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel et une deuxième partie de chauffage par induction des matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support.
L'unité de chauffage par induction, et notamment la première partie de chauffage par induction et/ou la deuxième partie de chauffage par induction, peut comporter au moins un module de chauffage par induction, comportant :
- un élément tubulaire isolant, en particulier isolant thermiquement et/ou électriquement,
- une tige, en particulier une tige rotative, et notamment hélicoïdale, située à l'intérieur de l'élément tubulaire,
- au moins une portion de bobine à induction s'étendant sur la paroi extérieure de l'élément tubulaire, les matériaux étant aptes à pénétrer à l'intérieur de l'élément tubulaire pour être amenés en fusion par chauffage par induction au contact de la tige.
L'élément tubulaire peut présenter une paroi intérieure traitée pour réduire sa viscosité, comportant par exemple un revêtement en polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou un équivalent.
La tige peut préférentiellement être rotative. Toutefois, la tige peut aussi en variante être fixe.
Dans le cas d'une tige rotative hélicoïdale, la forme des pales de la tige hélicoïdale peut être variable, et le pas peut être variable.
La tige peut comporter un matériau réagissant fortement aux champs magnétiques générés par induction.
L'unité de chauffage par induction peut encore comporter un moteur à vitesse variable relié à la tige, notamment dans le cas d'une tige rotative pour permettre sa rotation, par exemple au moyen d'une courroie ou tout autre système d'entraînement. L'unité de chauffage par induction peut également comporter un ou plusieurs générateurs à induction. L'unité de chauffage par induction peut encore comporter un compartiment ou sas de stockage des matériaux en fusion en vue de leur éjection ou déposition.
L'unité de chauffage par induction peut comporter une pluralité de modules de chauffage par induction, au moins deux des modules de chauffage par induction permettant le chauffage par induction de matériaux de compositions différentes.
L'unité de dépôt des matériaux peut comporter une première partie de dépôt des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel et une deuxième partie de dépôt des matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support.
L'unité de dépôt des matériaux, notamment la première partie de dépôt et/ou la deuxième partie de dépôt, peut comporter au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques. En variante, l'unité de dépôt des matériaux peut comporter un module de dépôt par d'autres types de moyens d'éjection de la matière, par exemple par actionnement pneumatique, par la génération de pression issue de l'actionnement de cellule(s) piézo-électrique(s), ou encore par excitation thermique.
Grâce à la présence d'au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques, il peut être possible de passer d'un mode d'éjection de la matière en point par point (autrement dit sous forme de gouttelettes) à un flux continu d'éjection, et vice versa, comme précisé par la suite. En outre, il peut être possible d'adapter le volume de matière à déposer sur le support par le contrôle de la fréquence et de l'amplitude de l'onde acoustique. De plus, il peut être possible d'interagir sans contact avec les différents matériaux utilisés pour réaliser l'objet tridimensionnel et/ou le support. Enfin, il peut être possible de déterminer à la volée la position de la tête d'impression du dispositif, comportant l'unité de chauffage par induction et l'unité de dépôt, par rapport au support.
De manière avantageuse, l'unité de dépôt des matériaux comporte une pluralité de modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques. Ces modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques peuvent être modulables.
Le ou les modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques peuvent être situés dans le compartiment ou sas de stockage des matériaux en fusion de l'unité de chauffage par induction.
Le ou les modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques peuvent comporter des transducteurs piézo-électriques, éventuellement associés à des zones multifocales de Fresnel en fonction de la viscosité des matériaux en fusion sous forme fluidique à traiter.
Les transducteurs piézo-électriques peuvent faire office à la fois d'émetteurs acoustiques variables et de récepteurs acoustiques.
L'unité de dépôt des matériaux peut comporter au moins un orifice d'extrusion, notamment autant d'orifices d'extrusion que de modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques, au travers duquel est éjectée la matière en fusion poussée sous l'influence dudit au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques.
La taille dudit au moins un orifice d'extrusion peut être inférieure à la capacité d'écoulement des matériaux en fusion sous forme fluidique.
Ledit au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques peut être apte à permettre la déposition de matière en continu ou par gouttelettes.
Le ou les modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques, associé(s) à un ou plusieurs orifices d'extrusion de matériaux en fusion, peuvent fonctionner de la manière suivante : un signal reçu par un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques génère une onde acoustique qui développe une pression sur la matière en fusion, la forçant à passer au travers d'un orifice d'extrusion relatif à ce module de dépôt par génération d'ondes acoustiques.
Le signal reçu par le module de dépôt par génération d'ondes acoustiques peut être envoyé par un système de commande informatique (ou électronique de contrôle) du dispositif de manufacture additive selon l'invention. Le contrôle par ce système de commande informatique de signaux envoyés aux modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques peut permettre de sélectionner un ou plusieurs orifices d'extrusion, et ainsi de maîtriser le flux et le volume de matière en fusion éjectée.
Le dispositif peut en outre comporter des éléments de contrôle du flux et/ou de la température des matériaux, notamment sous forme de sources de courant alternatif.
Le dispositif peut encore comporter un système de commande informatique permettant la communication avec un outil de CAO et le contrôle du fonctionnement du dispositif.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de réalisation d'un objet tridimensionnel par manufacture additive, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre au moyen d'un dispositif tel que défini précédemment, et en ce qu'il comporte notamment l'une ou plusieurs des étapes suivantes :
- acheminement sélectif de matériaux depuis l'unité de sélection vers l'unité de chauffage, notamment par le biais d'au moins un distributeur de matériaux,
- chauffage sélectif de matériaux par l'unité de chauffage jusqu'à la fusion des matériaux,
- utilisation d'au moins une tige, en particulier d'au moins une tige rotative, et notamment hélicoïdale, pour le chauffage par induction et le contrôle du flux des matériaux,
- dépôt sous forme de gouttelettes ou en continu de la matière en fusion par l'unité de dépôt sur le support,
- refroidissement de la matière déposée,
- déplacement du support relativement à l'unité de dépôt pour permettre le dépôt de couches successives de matière,
- réalisation d'un objet tridimensionnel multi-matériaux par utilisation de capsules de matériaux différents, chauffés à des températures différentes par l'unité de chauffage,
- traitement du support par le biais de l'unité de dépôt de matériaux pour lui conférer des propriétés de revêtement, notamment d'adhésion et/ou de colorisation.
L'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un objet tridimensionnel de manufacture additive, caractérisé en ce qu'il est obtenu par un dispositif tel que défini précédemment ou un procédé tel que défini précédemment.
En outre, l'invention a aussi pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif de manufacture additive pour la réalisation d'un objet tridimensionnel, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une unité de sélection de matériaux, dont des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel,
- une unité de chauffage des matériaux, l'unité de sélection étant apte à acheminer les matériaux vers l'unité de chauffage,
- une unité de dépôt des matériaux comportant au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques, qui éjecte les matériaux après passage dans l'unité de chauffage sur un support, pour permettre la réalisation de l'objet tridimensionnel par couches de matière successives.
Les caractéristiques précédemment énoncées pour le dispositif de manufacture additive, le procédé et l'objet tridimensionnel selon l'invention peuvent être prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 illustre, sous forme de schéma bloc, un exemple d'installation comportant un dispositif de manufacture additive conforme à l'invention,
- la figure 2 représente plus en détails l'unité de sélection de matériaux du dispositif de manufacture additive de la figure 1,
- la figure 3 est une autre représentation détaillée de l'unité de sélection de matériaux et de la tête d'impression, comportant l'unité de chauffage et l'unité de dépôt, du dispositif de manufacture additive de la figure 1,
- la figure 4 représente, en coupe, un exemple d'unité de chauffage d'un dispositif de manufacture additive selon l'invention semblable à celui de la figure 1,
- la figure 5 représente, en vue de dessus, l'unité de chauffage de la figure 4 et l'unité de dépôt du dispositif de manufacture additive selon l'invention, et
- la figure 6 représente, en coupe partielle et en perspective, un exemple de module de chauffage par induction de l'unité de chauffage de la figure 4.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER
On a illustré sur la figure 1, sous la forme d'un schéma bloc, un exemple d'installation comportant un dispositif 1 de manufacture additive conforme à l'invention.
L'installation se présente par exemple sous la forme d'un boîtier B, qui comporte notamment le dispositif 1 de manufacture additive conforme à l'invention, un support 6 sur lequel un objet tridimensionnel 2 est destiné à être fabriqué et un système de commande informatique 18 pour la communication avec un outil de CAO 19 et le contrôle du fonctionnement du dispositif 1.
L'outil de CAO 19 peut permettre de concevoir par ordinateur un plan de découpe d'un modèle tridimensionnel, pouvant tenir compte d'une variété de matériaux, lequel peut par la suite être réalisé par le biais du dispositif et du procédé conformes à l'invention.
Conformément à l'invention, le dispositif 1 de manufacture additive comporte une unité de sélection 3 de matériaux, dont des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel 2, une unité de chauffage par induction 4 des matériaux, l'unité de sélection 3 étant apte à acheminer les matériaux vers l'unité de chauffage 4 qui les amène en fusion, et une unité de dépôt 5 des matériaux, qui éjecte les matériaux après passage dans l'unité de chauffage 4 sur le support 6, pour permettre la réalisation de l'objet tridimensionnel 2 par dépôt de couches de matière successives.
Plus précisément, l'unité de sélection 3 de matériaux comporte une première partie 3a de conditionnement des matériaux et une deuxième partie 3b de distribution des matériaux, notamment vers l'unité de chauffage par induction 4. Ainsi, l'unité de sélection 3 de matériaux peut permettre la sélection du ou des matériaux requis pour réaliser l'objet tridimensionnel 2 et/ou modifier le support 6, et les acheminer jusqu'à l'unité de chauffage par induction 4.
Par ailleurs, l'unité de chauffage par induction 4 et l'unité de dépôt 5 des matériaux sont contenues dans une tête d'impression P du dispositif 1 selon l'invention, qui est apte à se déplacer horizontalement selon les flèches Fl le long de l'axe horizontal X, pour pouvoir éjecter la matière en fusion issue de l'unité de chauffage par induction 4 sur le support 6 aux endroits voulus.
De plus, le support 6, sur lequel est positionné l'objet tridimensionnel 2 à fabriquer, est également apte à se déplacer verticalement selon les flèches F2, le long de l'axe vertical Z, pour pouvoir ajuster sa distance vis-à-vis de la tête d'impression P lors du dépôt des couches successives de matière.
Le système de commande informatique 18 est quant à lui relié aux différents éléments et unités du dispositif 1 selon l'invention, pouvant permettre le contrôle et assurer la communication entre ces éléments, et notamment pour assurer la fabrication de l'objet tridimensionnel 2 et la finition éventuelle du support 6.
Ainsi, le système de commande informatique 18 peut par exemple comporter un ordinateur 20, associé à un logiciel de traitement 21 et une mémoire interne 22, ainsi qu'un dispositif de communication 23 relié à l'outil de CAO 19 externe permettant le transfert d'un fichier informatique associé à l'objet tridimensionnel 2 à réaliser. De plus, une source d'énergie 24 peut être intégrée à ce système de commande informatique 18.
On a représenté plus en détails sur la figure 2 l'unité de sélection 3 de matériaux du dispositif de manufacture additive de la figure 1.
Comme indiqué précédemment, l'unité de sélection 3 de matériaux comporte une première partie 3a de conditionnement des matériaux et une deuxième partie 3b de distribution des matériaux. La première partie 3a de conditionnement des matériaux comporte des capsules 3ai, 3a2 et 3a3 de matériaux et la deuxième partie 3b de distribution comporte des distributeurs 3bi, 3b2 et 3b3 de matériaux. Plus précisément, la première partie 3a de conditionnement des matériaux comporte des premières capsules 3ai de matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel 2, des deuxièmes capsules 3a2 de matériaux qui permettent la réalisation et/ou le traitement ou finition éventuels du support 6, et des troisième capsules 3a3 de matériaux qui peuvent permettre la colorisation du support 6 et/ou de l'objet tridimensionnel 2.
En fonction des besoins pour la réalisation de l'objet tridimensionnel 2 et la finition éventuelle du support 6, ces capsules de matériaux sont amenées vers le distributeur de matériaux de la deuxième partie 3b de distribution. Cette deuxième partie 3b de distribution des matériaux comporte ainsi un premier distributeur 3bi de matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel 2, un deuxième distributeur 3b2 de matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support 6, et un troisième distributeur 3b3 de matériaux pour permettre la colorisation éventuelle du support 6 et/ou de l'objet tridimensionnel 2.
Chacun des premier 3bi, deuxième 3b2 et troisième 3b3 distributeurs de matériaux comportent différents éléments leur permettant de réaliser l'acheminement des capsules de matériaux depuis l'unité de sélection 3 vers l'unité de chauffage par induction 4, ces éléments comportant notamment des vannes 1, des éléments de contrôle de flux 8 et des conduits d'acheminement 9, notamment flexibles.
On va maintenant décrire la figure 3 qui est une autre représentation détaillée de l'unité de sélection 3 de matériaux et de la tête d'impression P, qui comporte l'unité de chauffage par induction 4 et l'unité de dépôt 5 du dispositif de manufacture additive 1 de la figure 1.
Comme on peut le voir sur cette figure 3, l'unité de chauffage par induction 4 des matériaux comporte une première partie de chauffage par induction 4a des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel 2 et une deuxième partie de chauffage par induction 4b des matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support 6.
Plus particulièrement, le premier distributeur de matériaux 3bi de l'unité de sélection 3 est relié à la première partie de chauffage par induction 4a de l'unité de chauffage par induction 4, et le deuxième distributeur de matériaux 3b2 de l'unité de sélection 3 est relié à la deuxième partie de chauffage par induction 4b de l'unité de chauffage par induction 4.
Chacune des première partie 4a et deuxième partie 4b de chauffage par induction comporte par ailleurs des éléments de contrôle permettant d'amener la matière en fusion et de contrôler le bon fonctionnement du chauffage par induction. Ces éléments de contrôle comportent par exemple un élément de contrôle de la température 14 et un élément de contrôle de flux de matière 15.
Par ailleurs, chacune des première partie 4a et deuxième partie 4b de chauffage par induction comporte au moins un module de chauffage par induction 10, comme il sera décrit par la suite en référence aux figures 4 à 6.
Par ailleurs, la figure 3 représente également plus en détails l'unité de dépôt 5 des matériaux, qui permet l'éjection des matériaux en fusion après passage dans l'unité de chauffage 4 sur le support 6.
De façon avantageuse, l'unité de dépôt 5 des matériaux permet l'éjection de la matière en fusion par l'intermédiaire de la génération d'ondes acoustiques. Plus précisément, l'unité de dépôt 5 des matériaux comporte une première partie de dépôt 5a des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel 2 et une deuxième partie de dépôt 5b des matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support 6.
Chacune des première partie 5a et deuxième partie 5b de dépôt des matériaux comporte au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques 17, lesquels peuvent être reliés entre eux, comme représenté. Le fonctionnement de ces modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques 17 sera décrit par la suite.
Par ailleurs, chacune des première partie de dépôt 5a et deuxième partie de dépôt 5b des matériaux peut comporter une pluralité d'éléments nécessaires au bon fonctionnement de l'éjection de la matière en fusion sur le support 6, et par exemple des éléments de contrôle tels que des éléments de contrôle du flux de matière 15, semblables à ceux décrits pour l'unité de chauffage par induction 4. De plus, des chambres d'éjection 24 et des éléments d'aide à la déposition de la matière en fusion 25 peuvent être présents.
Par ailleurs, l'invention se proposant de réaliser le traitement éventuel du support 6 afin d'obtenir, le cas échéant, un objet tridimensionnel 2 fini, autrement dit utilisable sans nécessiter d'un post-traitement, la réalisation et/ou la modification du support 6 peut être réalisée par l'intermédiaire du deuxième distributeur 3b2 de capsules de matières, relié à la deuxième partie de chauffage 4b elle-même reliée à la deuxième partie de dépôt 5b. En complément de ce processus, le troisième distributeur 3b3 des troisièmes capsules 3a3 de matériaux peut être relié directement à un dispositif d'injection sélectif de matériaux de colorisation 26, intégré à la tête d'impression P et directement relié à la deuxième partie de dépôt 5b de l'unité de dépôt 5, et plus particulièrement à une chambre d'éjection 24 de cette deuxième partie de dépôt 5b. Dans la mise en œuvre de la colorisation du support 6, diverses solutions peuvent être envisagées comme l'utilisation de chaleur sélective, d'un rayonnement, ou encore d'un agent réactif dans des solutions colorisées.
On va maintenant décrire encore plus en détails l'unité de chauffage par induction 4 et l'unité de dépôt 5 du dispositif de manufacture additive 1 conforme à l'invention, en référence aux figures 4 à 6.
Plus précisément, la figure 4 représente, en coupe, un exemple d'unité de chauffage par induction 4 du dispositif de manufacture additive 1 selon l'invention. La figure 5 représente, en vue de dessus, l'unité de chauffage par induction 4 de la figure 4 et l'unité de dépôt 5 du dispositif de manufacture additive 1 selon l'invention, et la figure 6 représente, en coupe partielle et en perspective, un exemple de module 10 de chauffage par induction de l'unité de chauffage 4 de la figure 4.
Comme on peut le voir par comparaison des figures 4, 5 et 6, l'unité de chauffage par induction 4 peut comporter par exemple six modules de chauffage par induction lOa-lOf. Bien entendu, le nombre de modules de chauffage par induction de l'unité de chauffage 4 n'est nullement limitatif, et peut être déterminé en fonction des besoins pour la réalisation de l'objet tridimensionnel 3 et/ou la réalisation ou modification du support 6. De même, le dispositif de manufacture additive 1 selon l'invention peut, en variante, comporter une pluralité d'unités de chauffage par induction 4 associée à une pluralité d'unités de dépôt 5 de matière en fusion.
Chaque module de chauffage par induction lOa-lOf a un élément tubulaire 11, isolant thermiquement et/ou électriquement, dans lequel est introduite la matière à traiter, par exemple sous forme de poudre, de liquide ou de solide. Cet élément tubulaire 11 présente avantageusement une paroi intérieure traitée pour réduire la viscosité, celleci pouvant notamment être réalisée avec du PTFE.
De plus, chaque module de chauffage par induction lOa-lOf comporte une tige rotative 12, notamment sous forme hélicoïdale, qui est située à l'intérieur de l'élément tubulaire 11. La tige hélicoïdale 12 peut présenter des pales de forme variable et être composée d'un matériau réagissant fortement aux champs magnétiques générés par induction. Cette tige hélicoïdale 12 sert de moyen d'entraînement des matériaux introduits dans l'élément tubulaire 11 vers un compartiment de stockage ou sas 30 de la matière en fusion, chauffée au contact de la tige hélicoïdale 12.
En outre, chaque module de chauffage par induction lOa-lOf comporte au moins une portion de bobine à induction 13 qui s'étend sur la paroi extérieure lia de l'élément tubulaire 11.
Plus précisément, comme on peut le voir sur la figure 5, une même bobine à induction 13 peut s'étendre tout autour des six modules de chauffage par induction 10alOf, et notamment sur la paroi extérieure lia des éléments tubulaires 11. De plus, plusieurs bobines à induction 13 peuvent être superposées les unes aux autres le long des modules de chauffage par induction lOa-lOf, comme représenté sur les figures 4 et 6.
Par ailleurs, l'unité de chauffage par induction 4 peut également comporter un ou plusieurs moteurs à vitesse variable relié(s) à la ou aux tige(s) hélicoïdale(s) 12 au moyen d'une courroie ou tout autre système d'entraînement pour permettre la rotation des tiges 12, et également un ou plusieurs générateur(s) à induction, non représenté(s).
De façon avantageuse, l'utilisation d'une pluralité de modules de chauffage par induction lOa-lOf, comportant ainsi une pluralité de tiges hélicoïdales 12, tous assujettis au même procédé d'induction, peut permettre d'utiliser une composition de matériaux différents dans chaque module de chauffage par induction lOa-lOf qui, soumises à des champs magnétiques générés par induction, permet d'arriver à des températures différentes, en fonction des matériaux présents dans les éléments tubulaires 11.
Par ailleurs, la figure 5 représente l'unité de dépôt 5, positionnée par exemple dans le sas 30 de l'unité de chauffage 4. Comme on peut le voir sur cette figure 5, l'unité de dépôt 5 peut comporter une pluralité de modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques 17, associée à une pluralité d'orifices d'extrusion 16, au travers desquels est éjectée la matière en fusion poussée sous l'influence des ondes acoustiques générées par les modules de dépôt 17.
Les orifices d'extrusion 16 peuvent avantageusement présenter une taille inférieure à la capacité d'écoulement des matériaux en fusion sous forme fluidique. Les modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques 17 peuvent notamment comporter des transducteurs piézo-électriques, éventuellement associés à des zones multifocales de
Fresnel en fonction de la viscosité du fluide en fusion à traiter, et peuvent faire office à la fois d'émetteurs acoustiques variables et de récepteurs acoustiques.
Pour permettre l'éjection de la matière en fusion par l'unité de dépôt 5 sur le support 6, le fonctionnement de la déposition par ondes acoustiques est le suivant : un signal, par exemple émis par le système de commande informatiques 18, reçu par un des modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques 17 génère une onde acoustique qui développe une pression sur la matière en fusion, la forçant ainsi à passer au travers d'un orifice d'extrusion 16 associé à ce module de dépôt par génération d'ondes acoustiques 17.
Le contrôle par ordinateur, et notamment par le biais du système de commande informatique 18 des différents signaux envoyés aux différents modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques 17, peut permettre de sélectionner un ou plusieurs orifices d'extrusion 16 en fonction des besoins, et de maîtriser le flux et le volume de matières éjectés.
Par ailleurs, l'utilisation de transducteurs piézo-électriques dans les modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques 17 peut permettre de connaître et de contrôler en temps réel la position verticale de la tête d'impression P, selon l'axe verticale Z comme représenté sur la figure 1.
En outre, la déposition sélective de la matière en fusion par le biais d'ondes acoustiques de l'unité de dépôt 5 peut permettre d'envisager un dépôt point par point, sous forme de gouttelettes, ou en flux continu de la matière sur le support 6, le passage de l'un à l'autre de ces deux modes d'écoulement étant simplifié.
Le dispositif de manufacture additive 1 selon l'invention, tel que décrit précédemment, peut permettre d'obtenir l'objet tridimensionnel 2 souhaité en fonction des données de l'outil de CAO 19.
De façon avantageuse, l'invention peut ainsi permettre d'éviter le recours à un post-traitement de l'objet fini tridimensionnel 2. Elle autorise la réalisation simplifiée d'un objet fini multi-matériaux et permet d'obtenir des finitions autonomes.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.
L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.
Claims (5)
1. Dispositif (1) de manufacture additive pour la réalisation d'un objet tridimensionnel (2), caractérisé en ce qu'il comporte :
- une unité de sélection (3) de matériaux, dont des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel (2),
- une unité de chauffage par induction (4) des matériaux, l'unité de sélection (3) étant apte à acheminer les matériaux vers l'unité de chauffage (4) qui les amène en fusion,
- une unité de dépôt (5) des matériaux, qui éjecte les matériaux après passage dans l'unité de chauffage (4) sur un support (6), pour permettre la réalisation de l'objet tridimensionnel (2) par couches de matière successives, ladite unité de dépôt (5) des matériaux comportant au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques (17).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de sélection (3) de matériaux comporte une première partie (3a) de conditionnement des matériaux dans des capsules (3ai, 3a2, 3a3) et une deuxième partie (3b) de distribution des matériaux, notamment vers l'unité de chauffage par induction (4).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième partie (3b) de distribution des matériaux comporte un premier distributeur (3bi) de matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel (2), et/ou un deuxième distributeur (3bz) de matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support (6), et/ou un troisième distributeur (3bs) de matériaux de colorisation pour le support (6) et/ou l'objet tridimensionnel (2).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de chauffage par induction (4) des matériaux comporte une première partie de chauffage par induction (4a) des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel (2) et une deuxième partie de chauffage par induction (4b) des matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support (6).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de chauffage par induction (4), et notamment la première partie de chauffage par induction (4a) et/ou la deuxième partie de chauffage par induction (4b), comporte au moins un module de chauffage par induction (10; lOa-lOf), comportant :
- un élément tubulaire isolant (11), notamment thermiquement et/ou électriquement,
- une tige (12), notamment une tige rotative (12), et notamment hélicoïdale, située à l'intérieur de l'élément tubulaire (11),
- au moins une portion de bobine à induction (13) s'étendant sur la paroi extérieure (lia) de l'élément tubulaire (11), les matériaux étant aptes à pénétrer à l'intérieur de l'élément tubulaire (11) pour être amenés en fusion par chauffage par induction au contact de la tige (12).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unité de chauffage par induction (4) comporte une pluralité de modules de chauffage par induction (lOa-lOf), au moins deux des modules de chauffage par induction (lOa-lOf) permettant le chauffage par induction de matériaux de compositions différentes.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de dépôt (5) des matériaux comporte une première partie de dépôt (5a) des matériaux pour la réalisation de l'objet tridimensionnel (2) et une deuxième partie de dépôt (5b) des matériaux pour la réalisation et/ou le traitement du support (6).
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première partie de dépôt (5a) et/ou la deuxième partie de dépôt (5b) comporte au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques (17).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de dépôt (5) des matériaux comporte au moins un orifice d'extrusion (16), notamment autant d'orifices d'extrusion (16) que de modules de dépôt par génération d'ondes acoustiques (17), au travers duquel est éjectée la matière en fusion poussée sous l'influence dudit au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques (17).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un module de dépôt par génération d'ondes acoustiques (17) est apte à permettre la déposition de matière en continu ou par gouttelettes.
11. Procédé de réalisation d'un objet tridimensionnel par manufacture additive, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre au moyen d'un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et en ce qu'il comporte notamment l'une ou plusieurs des étapes suivantes :
- acheminement sélectif de matériaux depuis l'unité de sélection (3) vers l'unité de chauffage (4), notamment par le biais d'au moins un distributeur de matériaux (3bi, 3b2, 3b2),
- chauffage sélectif de matériaux par l'unité de chauffage (4) jusqu'à la fusion des matériaux,
- utilisation d'au moins une tige (12), notamment d'au moins une tige rotative (12), et notamment hélicoïdale, pour le chauffage par induction et le contrôle du flux des matériaux,
- dépôt sous forme de gouttelettes ou en continu de la matière en fusion par l'unité de dépôt (5) sur le support (6),
- refroidissement de la matière déposée,
- déplacement du support (6) relativement à l'unité de dépôt (5) pour permettre le dépôt de couches successives de matière,
- réalisation d'un objet tridimensionnel (2) multi-matériaux par
5 utilisation de capsules (3ai, 3a2, 3a3) de matériaux différents, chauffés à des températures différentes par l'unité de chauffage (4),
- traitement du support (6) par le biais de l'unité de dépôt (5) de matériaux pour lui conférer des propriétés de revêtement, notamment d'adhésion et/ou de colorisation.
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| FR1450621 | 2014-01-24 |
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| OA17877A true OA17877A (fr) | 2018-02-16 |
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