WO2002045940A1 - Method and device for making three-dimensional parts in fusible thermoplastic materials - Google Patents

Method and device for making three-dimensional parts in fusible thermoplastic materials Download PDF

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WO2002045940A1
WO2002045940A1 PCT/FR2001/003831 FR0103831W WO0245940A1 WO 2002045940 A1 WO2002045940 A1 WO 2002045940A1 FR 0103831 W FR0103831 W FR 0103831W WO 0245940 A1 WO0245940 A1 WO 0245940A1
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binder
particles
layer
temperature
casting
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PCT/FR2001/003831
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Hugues Goulesque
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Hugues Goulesque
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C41/00Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
    • B29C41/003Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor characterised by the choice of material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/165Processes of additive manufacturing using a combination of solid and fluid materials, e.g. a powder selectively bound by a liquid binder, catalyst, inhibitor or energy absorber

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing three-dimensional parts, the basic materials of which are fusible thermoplastic materials, that is to say materials which have a low melting temperature, and whose physical structure is not modified. after partial or total merger and re-solidification.
  • the invention thus applies in particular to materials of the plant, animal or mineral wax type such as paraffin.
  • Carrying out the process according to the invention involves the bonding and solidification of successive superposed parallel sections, and is based on the surface fusion of particles induced by contact with a molten binder. This surface melting phenomenon gives the part thus formed good mechanical strength.
  • the invention also relates to a device for manufacturing three-dimensional parts, the basic materials of which are fusible thermoplastic materials.
  • This device is automated and includes computer control means.
  • This process consists in using a part obtained by rapid prototyping, called a model, and in making a mold, which is then used for the manufacture of a generally metallic part identical to the model.
  • a self-hardening resin sand molding process can be used to make the mold.
  • the last step in the manufacture of the mold is the evacuation of the model, by melting it.
  • the mold does not withstand temperatures generally above 300 ° C which cause the combustion of the resin keeping the sand. It is therefore particularly suitable in this technique to use a model made of fusible materials such as waxes and paraffins, which makes it possible to effectively carry out the evacuation phase at satisfactory temperatures.
  • FDM Fusion Deposition M ⁇ deling
  • SLS Selective Laser Sintering
  • SFS Selective Laser Sintering
  • TSF Shell Formation Topography
  • the invention thus aims to propose a prototyping process for the manufacture of three-dimensional parts based on fusible thermoplastic materials, and a device suitable for the implementation of this process, which are such that they allow rapid, precise production. and inexpensive, large parts. It also aims to ensure that the method and the device according to the invention are particularly suitable for the manufacture of so-called prototyping models for use in the technique of manufacturing "lost model" molds used in foundries, it being understood that the invention can also be used, without modification other than those which are within the reach of those skilled in the art, for any similar application requiring the manufacture of three-dimensional parts made of fusible material.
  • the present invention proposes to have recourse to a process for manufacturing three-dimensional parts by bonding and solidification of different parallel two-dimensional sections of the part, defined as successive and superimposed sections, of the type comprising carrying out a repetitive cycle comprising depositing a layer of powder of a material in the form of grains or particles and casting on said layer, along a path predetermined by the shape of the part to be obtained, of a bonding material in liquid form so as to produce, after solidification of said binder, a section of the final part consisting of a layer of bonded particles , on which is deposited a new layer of particles for the realization of the next section of the part.
  • the last step of such a process consists in evacuating unbound particles so as to release the formed part.
  • the process according to the invention represents a notable improvement in known techniques of this kind by the fact that the particles and the binder are made of meltable chemically compatible thermoplastic materials, and that the binder material is heated before casting to a temperature which is at both higher than its drop pour point and sufficiently high, relative to the drop point of the powdered material, to cause the surface fusion of the particles with which it comes into contact, so as to achieve its connection with them after solidification.
  • connection of two successive sections is thus achieved, by a similar process of surface fusion and solidification, acting at least either on the one hand between particles located at the interface of the two sections and the binder involved respectively. in each of the two successive layers, or on the other hand directly between the binder belonging to the two successive layers of binder.
  • the connection between two successive sections of the workpiece proceeds from one and from the other, so that each section of the piece is integral with the following d firstly because of the connection made between relatively large particles and the binder at the interface of two successive sections, secondly because of a connection made at least in places between the binder layer falling under a section of the room and that of the next section.
  • the bonding of the particles and the binder carried out by surface fusion of the particles and. joint solidification with the binder, can be designated under the term of weld, although this term is normally used when it is about metals to be bonded. However, it is used here because it is very explicit when describing a connection of elements by local fusion of their respective surfaces in contact.
  • the invention advantageously takes advantage of the properties of the materials used, characterized by their fusible thermoplastic nature. Indeed, for fusible thermoplastic materials of type of waxes and paraffins, the transition between the solid state and the liquid state is not clear.
  • the melting point is commonly used to designate the temperature at which the material makes a transition from the solid or semi-solid phase to the liquid phase.
  • the following terms further characterize paraffins, and define its passage between the solid state and the liquid state, or vice versa: - the solidification point (or congealing point), defined by standard ASTM D938, is the temperature at which the material stops flowing when the temperature decreases,
  • the dropping point defined by standard ASTM D566, is the temperature at which the paraffin changes from the solid or semi-solid state to the liquid state when the temperature increases,
  • the drop melting point defined by standard ASTM D127, is the temperature at which the material begins to be sufficiently fluid to drip through an orifice.
  • the choice of the binder heating temperature according to the method of the invention is thus linked, on the one hand to the drop pour point of the binder, to allow the latter to be in a sufficiently fluid form to flow from the nozzle onto the layer of particles, and on the other hand at the point of drop of the particles, so as to ensure the surface fusion of these.
  • the heating temperature and the volume of binder poured onto the layer of particles are chosen, in conjunction with the size of the particles and the thickness of the layer, so that the particles protrude part of the binder layer in each section after the binder has solidified, and the binder poured onto the next layer comes into contact with these particles at a temperature above the drop point of the material constituting them, or more precisely at a temperature sufficient to bringing them to the surface at a temperature above this drop point, so that the solidified connection stiffening the connection between two successive sections is produced, by surface fusion and solidification, between said particles and each of the two successive layers of binder.
  • the pouring conditions in particular the heating temperature and the volume of binder poured onto the layer of particles, are adjusted so that the binder poured onto a layer of particles of powdered solid material is brought to a temperature sufficient for it to migrate through said layer until it comes into contact at least in places with the solidified binder of the previous section, and this so that contact occurs a temperature above the drop point of the binder, leading to a solid bond between the two successive sections by surface fusion and solidification directly between the two layers of binder.
  • Better mechanical strength of the finished part is thus advantageously obtained.
  • the particles and the binder are made of materials of the same kind.
  • the particles and the binder are made of wax.
  • the particles of powdered material consist of paraffin, as well as the binder.
  • the invention also provides a device for manufacturing parts particularly suitable for carrying out the process which it defines.
  • Such a device for manufacturing three-dimensional parts, by bonding and solidifying successive superposed sections is characterized in that it comprises:
  • a system for depositing and distributing said powder on the surface of said enclosure making it possible to obtain layers of regular thickness
  • a pouring nozzle moving in an XY plane and depositing a binder, consisting of a thermoplastic material fuse chemically compatible with the material constituting said powder, and in liquid form, on said layer of particles, along a path predetermined by the shape of the part to be obtained, said pouring nozzle comprising at least one orifice of variable section,
  • a computer control system for controlling the displacement of said nozzle and of the bottom of said enclosure, of said deposition and distribution system, of the temperature of said heating device and of the variation of said variable section.
  • control system makes it possible to control, as a function of the fixed parameters inherent in the materials used and under predetermined conditions, all the variable parameters to regulate during the implementation of the method according to the invention, in its main and preferred embodiments as they have been defined above or that they will be described and illustrated later in the description.
  • the control system controls the thickness of the particle layers, the heating temperature of the binder, the path and the speed of movement as well as the flow rate of the nozzle, and the width of the variable section.
  • the materials chosen for the binder and the particles are fusible thermoplastics as defined above, of the wax or paraffin type.
  • One criterion for choosing the two fusible materials is their chemical compatibility. Any combination of compatible materials can be considered. However, it is preferable to use materials of the same kind, such as two microcrystalline waxes (for example the quality waxes M7387 and M0745 sold by Moore & Munger), or two polyethylene waxes (for example the waxes known under the trade names Polyflo200 and Polyflo300 sold by Moore & Munger), or the same synthetic paraffin for the powder particles and for the binder (for example the product sold by Schumann & Saso under the trade name Paaraflint H 1 N6). Furthermore, the choice of materials is also linked to the temperatures which govern their passage between the solid state and the liquid state.
  • two microcrystalline waxes for example the quality waxes M7387 and M0745 sold by Moore & Munger
  • polyethylene waxes for example the waxes known under the trade names Polyflo200 and Polyflo300 sold by Moore & Munger
  • the parameters to be taken into account will be mainly:
  • the solidification point which determines in this application the limits of the migration of the binder in the layer of particles, that is to say the limits of the capillarity phenomenon. In fact, during the migration of the binder, it cools, and when its temperature reaches its solidification point, the flow between the particles is stopped,
  • the particle size in particular the average size of the particles and the size of the largest of them.
  • the application of the process according to the invention therefore involves a choice of materials whose characteristics mentioned above are compatible with the properties required for the particles on the one hand and the binder on the other hand.
  • the heating temperature of the binder before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen so that the temperature of the binder, when it is in contact with the powdered material, is greater than the latter's drop point.
  • the heating temperature of said binder before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen, in conjunction with the particle size, in such a way that the particles do not melt. not to the core. In this way better resistance to the collapse of the part during manufacture, and therefore better dimensional stability of the finished part, are obtained.
  • a heating temperature of the binder from 10 to 30 ° C higher than the drop point of the material. particles. This results in a surface fusion, but not at the core, of the particles, when in particular, according to preferred conditions for implementing the invention, the powder particles have dimensions of between 0.01 and 10 mm, and in particular of on the order of 0.01 to 2 mm and that they are at ordinary temperature (20 to 25 ° C).
  • the paraffin sold under the trade name Paraflint H 1 N6 mentioned above which has a solidification point at 98 ° C, a drop pour point at 1 12 ° C and a drop point at 105 ° C, it will be optimal to pour the binder at a temperature of about 125 ° C, in order to effect the welding of the surface of the particles with the cast binder.
  • the thickness of the layers of particles is chosen so as to be between 1 and 10 times, preferably between 2 and 5 times, the size larger particles, and small enough to ensure good dimensional accuracy.
  • the optimal choice for the thickness of each layer is thus determined by the analysis of the granulometry of the powder and by the dimensional precision expected for the part manufactured.
  • the layer thickness can be reduced to a few hundredths of a millimeter and the precision of the parts optimized.
  • These conditions can be advantageous, in particular, for producing topcoats for which precision and uniformity are essentially sought, although this is at the expense of dimensional tolerance when there is a core melting of the particles.
  • the speed of displacement of the nozzle and the rate of pouring of the binder are regulated so that the volume of binder poured onto the layer of particles can fill a rate at least equal to 80% of the volume of air present between the particles, on the surface of the layer receiving the flow and over a thickness equal to that of the layer. In practice, this rate is between 85 and 98% of this volume.
  • the flow rate of the binder as a function of the speed of movement of the nozzle is advantageously adjusted so that: - the binder can pass entirely through the powder layer to create the connection with the previous section, at least in places,
  • the volume of binder poured is not excess and does not ultimately exceed the level of the surface of the layer, or does not spread over it.
  • the heating temperature of the binder before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen so that the temperature of the binder material is higher than its drop pour point. when it comes into contact with said powder, and it reaches its solidification point immediately after the moment when the binder reaches the previous section.
  • the migration of the binder advantageously takes place over the entire thickness of the layer; the binder comes into contact with the previous section in order to ensure its connection, but it does not, however, extend beyond the layers of previous particles not linked to the solid state. This ensures that the parts of a section which are not supported by another solidified section, but by a layer of free particles, nevertheless have a thickness equal to the supported parts.
  • the binder heating temperature it is desirable to take into account the fact that the binder material will cool quickly on contact with the particles, and much faster than on contact with air, so that at a given casting temperature the migration of the binder in the layer will be all the more quickly blocked. This is the case for example for a heating temperature of 120 ° C, and contact with particles at 25 ° C.
  • the heating temperature of the binder must therefore be adapted as a function of the temperature of the particles, so that on the one hand the migration takes place over the entire thickness of the layer, and that on the other hand the binder is capable of causing the surface fusion of particles protruding from the previous section.
  • the binder material is chosen so that its solidification point is close to its drop pour point, and the heating temperature of said binder before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen so that the temperature of the binder material when it comes into contact with the powder is just above its drop pour point, so that its migration into the powder layer is blocked quickly enough to obtain good dimensional accuracy.
  • one of the methods of implementing the method according to the invention uses a material in the form of particles, the drop point of which is relatively low compared to the temperature of the cast binder, in order to melt each more deeply. grains, and a binder poured at a temperature just above its drop pour point and such that its solidification point is close to its drop pour point in order to quickly block the migration of the binder in the layer and ensure dimensional accuracy.
  • all the parameters defined above are combined and controlled so as to ensure the simultaneity of the following particularly advantageous conditions and results: - the binder material is found in the nozzle at a temperature above its drop pour point,
  • the binder poured on a layer of particles reaches the solidified binder of the previous section and causes its surface fusion, so that the connection between two successive sections is also carried out, after solidification, directly between the two successive layers of binder.
  • the binder occupies all the space present between the particles, in a volume corresponding to the surface of the layer receiving the casting on a thickness equal to that of said layer, in particular in order to achieve the best dimensional accuracy.
  • FIGS. 1 to 9 illustrate the different sequences of the process for manufacturing a simple part in side view and in top view
  • FIG. 10 shows diagrammatically the three-dimensional part obtained by carrying out the different sequences illustrated in FIGS. 1 to 9,
  • FIGS. 11 and 12 represent a sectional view of parts obtained according to the method according to the invention.
  • FIG. 13 illustrates a device according to the invention
  • FIGS. 14. a to 14. c illustrate the binder castings produced by means of different nozzle orifices of various shapes
  • FIG. 15 shows an exploded view of the various elements of the device of Figure 13, detailing: the computer control system containing information on the part to be created, the binder heating device, the mechanism for moving the nozzle and the opening / closing of its pouring orifice, and the enclosure containing the particles and the powder deposition and distribution system.
  • Figures 1 to 9 illustrate the different stages of the manufacture of a simple part according to the method according to the invention.
  • the three-dimensional part is generated from the superposition and the connection by welding of successive sections of different profiles, determined by the shape of the part which one wishes to produce.
  • a layer of particles 1 made of fusible thermoplastic material is located in an enclosure 2, the bottom of which is movable.
  • a binder 10 in fusion is deposited on this layer by a pouring nozzle 4.
  • the device for heating the binder 10 is not shown in these figures.
  • the nozzle 4 moves in the XY plane, as illustrated in FIG. 2, so as to distribute the volume of binder 10 deposited over the entire desired surface.
  • the binder 10 migrates through the layer of particles 1. During its solidification, it attaches to the particles in contact with it by surface fusion of these particles due to the temperature of the binder.
  • the binder 10 has been poured over the entire surface to be solidified, as indicated in FIG. 3, the first cycle is finished. There is no need to wait any longer for the solidification of the formed section, since the various parameters are controlled in such a way that the time necessary for the edge 10 to reach its point of solidification is, at each point of the casting, equal to its migration time through the thickness of the layer.
  • the bottom of the enclosure 2 then descends, to release, above the first layer, a space equal to the thickness of the second layer, as indicated in FIG. 4.
  • the particle deposition and distribution system 3 then fills this space with a layer of regular thickness of particles 1. This step is illustrated in FIG. 5. It results in a stable bed of particles for making a section of the assembly.
  • FIG. 6 represents the assembly awaiting the second phase of casting the binder 10.
  • the second casting then takes place, with displacement of the nozzle 4 according to a profile different from the first, as illustrated in FIGS. 7 and 8.
  • the binder 10 flows through the entire thickness of the layer, and reaches up to the level of the previous section to link it by thermoplastic welding phenomenon.
  • the bottom of the enclosure 2 descends again to start the third cycle ( Figure 9).
  • the last step consists in removing the solid part from unbound particles 1. It is then necessary to clean the surfaces of the part of the particles which would have stuck there, and a finishing may be necessary if a smooth rendering is desired.
  • the use of paraffins allows for example an easy finishing of the surface condition of the manufactured part.
  • part of a section is not supported by another solidified part, it will not deform because it will cool and harden on a stable bed of unbound particles.
  • FIGS. 1 1 and 12 The connection of the different sections to each other is illustrated in FIGS. 1 1 and 12.
  • Each of the sections binds to the previous one through particles 1 which are linked on the one hand to the binder 1 0 cast on the layer N and on the other share in the binder 10 poured onto the layer N-1, as illustrated in FIG. 1 1.
  • the sections can also bond together directly, in places, by the binding of the binder 1 0 of the layer N to the binder 10 of the layer N-1.
  • FIG. 12 represents the particularly advantageous case where the connection is made at the same time by these two phenomena. The best mechanical strength of the part is then reached.
  • the enclosure 2 receives the layers of particles 1. It only has the particularity of having a bottom which moves along the Z axis. This movement, produced by a defined and variable pitch, is controlled by a computer control system 6 after the end of the casting of the binder 10 on the layer of particles 1, in order to free up the space necessary for the distribution of the next layer.
  • the bottom of the enclosure 2 always remains parallel to its starting position, within tolerances such that the part being built is not subjected to unwanted distortions. It can be, for example, linked to a hydraulic cylinder controlled by a hydraulic distributor and an automaton, which allow its vertical and precise movement.
  • the system 3 for depositing and distributing the particles on the surface of the enclosure 2 is purely mechanical. At each crossing of the surface of the enclosure 2, it provides a sufficient volume of powder to create a flat layer of constant thickness which will accommodate the next pour.
  • This layer can completely cover the entire surface of the previous layer, it can also allow the top of the trail of binder 10 spilled on the previous layer to be exposed locally, if the latter has not completely infiltrated between the particles 1 and if it then creates an additional thickness relative to the surface of the particles. In this case, the connection between the sections will take place directly between the two successive binder flows. However, it should be recalled here that it is preferable to involve particles which are not completely melted in the connection between two successive layers in order to promote the cohesion of the whole.
  • the system 3 may for example consist of a rolling roller resting on two parallel edges of the enclosure 2 and which will transport from one end to the other a surplus of powder so as to deposit one thickness equal to at most the distance between the top of the previous layer and the top of the parallel edges serving as support. Any other system which fulfills the function is of course usable.
  • This system 3 is controlled by the computer control system 6.
  • the pouring nozzle 4 moves in the XY plane thanks to an assembly 7 and under the control of the computer control system 6. It makes it possible to channel the molten binder 10, which flows through it onto the layers of powder.
  • the pouring nozzle 4 may include one or more orifices of different and / or variable sections.
  • a preferred version of the nozzle 4 could be a nozzle with several orifices and controlled in rotation, which will make it possible to rapidly deposit a constant width of binder 10, and therefore in the end will make it possible to obtain a part having a constant material thickness, this which is often recommended in lost model foundries.
  • the flow rate of the nozzle 4 will be determined mainly by the thickness of the layers and the size of the particles 1: the greater the thickness of the layer, the more the flow rate of binder 10 will have to increase.
  • This nozzle 4 is controlled in opening / closing, and its flow rate is preferably regulated by the computer control system 6, in particular by adjusting the pressure exerted on the binder 10.
  • the number of orifices in play can be adjusted in the same way , as well as the shape and dimensions of the nozzle.
  • the assembly 7 which allows the displacement of the nozzle 4 may consist of a bracket articulated in rotation about the axis Z and whose horizontal arm allows the movement over a long distance of a carriage which contains the nozzle casting 4.
  • the heater 5 of the binder 10 feeds the pouring nozzle 4. It melts the binder 1 0 by heating to a temperature above its drop pour point. It's about, in a simplified version, of an electrically heated container for example, overhanging the nozzle 4 and connected to it by a pipe itself heated. It is controlled by the computer control system 6.
  • the computer control system 6 controls all the elements of the device.
  • it is an electromechanical and / or electro-pneumatic control system and / or any other type of mechanism, which is controlled by a computer system holding the data on the part. to achieve.
  • It can for example be made up of a computer whose analog and / or digital outputs are connected to automata which themselves control, for example pneumatic cylinders, or electric stepper motors combined with mechanical parts and systems, which coordinate the movements and openings of the nozzle 4 according to the path requested by the computer, which move the bottom of the enclosure 2 at the end of the cycle, which distribute the powder into layers of defined thickness and which control the heating of the binder 10.
  • the deposition of the binder 10 can take several forms depending on the orifice of the nozzle 4.
  • Figures 14. a, 14. b and 14. c illustrate several types of deposition according to preferred embodiments of the device according to the invention , obtained respectively from a nozzle with a single round orifice, a nozzle with a triple orifice and controlled in rotation and a nozzle with a longitudinal orifice controlled in rotation.
  • the binder 10 can thus, depending on the case, be deposited in a simple net, or in several nets, or in a sheet, depending on the shape of the orifice. This allows large areas to be covered in a limited time. Shape and dimensions can be adjusted in conjunction with the binder flow and the nozzle displacement speed so as to always comply with the temperature conditions to be imposed on the binder deposited on the particle bed.
  • the nozzle 4 preferably has a variable section orifice, for example with a larger rectangular section. variable length. This means of adjusting the binder pouring conditions is particularly useful in the process according to the invention. It may indeed be sufficient to play on this parameter to cover surfaces with variable layers while maintaining the same conditions of punctual flow of binder as may be necessary, for a determined layer of particles, in order to ensure in a regular manner. a correct filling rate of the space between particles and the desired binding efficiency.
  • the main applications of the invention are the production of paraffin prototypes which will be molded in refractory plaster, in ceramic, or in foundry sand, in order to give rise after the paraffin is removed by fusion to a mold. foundry.
  • the metal part thus cast in the mold will be the replica, near dimensional shrinkage, of the part made of paraffin. This application will particularly concern large parts, machine tool chassis, large casings and daunting art statues.
  • This new prototyping process can also be applied to the production of molds for the manufacture of resin shells such as boat hulls, plastic bodywork for cars and others.
  • the process according to the invention could be used for the low-cost manufacture of full-scale aesthetic models of prototypes such as a new car, household appliances, decorations, etc.
  • the models can be painted and decorated.

Abstract

The invention concerns a method for making three-dimensional parts in fusible thermoplastic materials, by bonding and solidifying successive superimposed sections, each obtained by casting a binder (10) on a layer of particles (1). The binder (10) is heated before casting to a temperature both higher than its casting temperature and sufficiently high to produce surface melting of the particles (1) with which it is contacted, so as to produce its bonding with the latter after solidification. The bonding of two successive layers is carried out, by such a surface fusion and solidification process, between the particles (1) and each of the two successive layers (N-1 and N) of binder (10) and directly between the two successive layers (N-1 and N) of binder (10). The invention also concerns a device for making three-dimensional parts using said method.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FABRICATION DE PIECES TRIDIMENSIONNELLES EN MATERIAUX THERMOPLASTIQUES METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING THREE-DIMENSIONAL PARTS FROM THERMOPLASTIC MATERIALS
FUSIBLESFUSE
La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces tridimensionnelles dont les matériaux de base sont des matières thermoplastiques fusibles, c'est-à-dire des matières qui présentent une température de fusion peu élevée, et dont la structure physique n'est pas modifiée après fusion partielle ou totale et re-solidification. L'invention s'applique ainsi en particulier aux matériaux du type cires végétales, animales ou minérales telles que la paraffine.The present invention relates to a method for manufacturing three-dimensional parts, the basic materials of which are fusible thermoplastic materials, that is to say materials which have a low melting temperature, and whose physical structure is not modified. after partial or total merger and re-solidification. The invention thus applies in particular to materials of the plant, animal or mineral wax type such as paraffin.
La réalisation du procédé suivant l'invention implique la liaison et la solidification de sections parallèles successives superposées, et repose sur la fusion superficielle de particules induite par contact avec un liant en fusion. Ce phénomène de fusion superficielle confère à la pièce ainsi formée une bonne solidité mécanique.Carrying out the process according to the invention involves the bonding and solidification of successive superposed parallel sections, and is based on the surface fusion of particles induced by contact with a molten binder. This surface melting phenomenon gives the part thus formed good mechanical strength.
L'invention concerne également un dispositif pour la fabrication de pièces en trois dimensions dont les matériaux de base sont des matières thermoplastiques fusibles. Ce dispositif est automatisé et il comporte des moyens de pilotage informatique.The invention also relates to a device for manufacturing three-dimensional parts, the basic materials of which are fusible thermoplastic materials. This device is automated and includes computer control means.
La fabrication d'objets tridimensionnels est réalisée couramment par procédé de prototypage rapide. Une grande diversité de matériaux de base est utilisée pour cette fabrication, dont les métaux, les céramiques, les plastiques...The manufacture of three-dimensional objects is commonly carried out by rapid prototyping process. A wide variety of basic materials are used for this manufacturing, including metals, ceramics, plastics ...
Toutefois, l'utilisation, pour la fabrication d'objets tridimensionnels, de matériaux de base tels que la cire et la paraffine, a l'avantage de présenter des coûts de matière peu élevés. Toutes sortes de pièces ou moules, destinés à de multiples usages, peuvent être fabriqués avec ces matériaux. Cependant, les pièces en cire, à cause de leur propriété de fusion à température peu élevée, trouvent une utilisation particulièrement intéressante en fonderie, ou dans les activités analogues appliquant le procédé dit "à modèle perdu".However, the use, for the manufacture of three-dimensional objects, of basic materials such as wax and paraffin, has the advantage of having low material costs. All kinds of parts or molds, intended for multiple uses, can be manufactured with these materials. However, wax parts, because of their low temperature melting property, find a particularly advantageous use in foundry, or in similar activities applying the so-called "lost model" process.
Ce procédé consiste à utiliser une pièce obtenue par prototypage rapide, dite modèle, et à en réaliser un moule, qui est ensuite utilisé pour la fabrication d'une pièce le plus souvent métallique identique au modèle. Un procédé de moulage au sable à résine auto-durcissante peut être utilisé pour la réalisation du moule. La dernière étape de la fabrication du moule est l'évacuation du modèle, par fusion de celui-ci. Cependant, le moule ne résiste pas aux températures en général supérieures à 300°C qui provoquent la combustion de la résine maintenant le sable. Il est donc particulièrement adapté dans cette technique d'utiliser un modèle constitué de matériaux fusibles tels que des cires et des paraffines, ce qui permet de réaliser efficacement la phase d'évacuation à des températures satisfaisantes.This process consists in using a part obtained by rapid prototyping, called a model, and in making a mold, which is then used for the manufacture of a generally metallic part identical to the model. A self-hardening resin sand molding process can be used to make the mold. The last step in the manufacture of the mold is the evacuation of the model, by melting it. However, the mold does not withstand temperatures generally above 300 ° C which cause the combustion of the resin keeping the sand. It is therefore particularly suitable in this technique to use a model made of fusible materials such as waxes and paraffins, which makes it possible to effectively carry out the evacuation phase at satisfactory temperatures.
Il existe aujourd'hui différents procédés de prototypage rapide prenant pour matériau de base des matières thermoplastiques fusibles. On peut citer par exemple :Today there are different rapid prototyping processes using fusible thermoplastics as the base material. We can quote for example:
- Le modelage par dépôt de matériau fondu, ou "Fused Déposition Mαdeling" (FDM), qui fonctionne à partir de deux buses construisant respectivement un volume tridimensionnel dit structure support, et un volume correspondant à la pièce à construire. Ces deux volumes, après solidification, se trouvent en fin de fabrication en contact "détachable" soit mécaniquement, soit par dissolution de la structure support. On obtient donc la pièce après séparation de ces deux volumes.- Modeling by deposition of molten material, or "Fused Deposition Mαdeling" (FDM), which operates from two nozzles respectively constructing a three-dimensional volume known as the support structure, and a volume corresponding to the part to be constructed. These two volumes, after solidification, are at the end of manufacture in "detachable" contact either mechanically or by dissolving the support structure. The part is therefore obtained after separation of these two volumes.
- Le frittage sélectif au laser, ou "Sélective Laser Sintering" (SLS), qui fonctionne à partir d'un laser qui provoque l'agglomération de particules à la surface d'un volume, suivant des zones déterminées par le profil géométrique de la pièce à créer. Des couches de particules sont successivement appliquées et agglomérées sur ledit volume. En fin de fabrication un solide tridimensionnel est constitué à partir des différentes zones des couches qui ont été durcies par le laser. La pièce se sépare par évacuation des grains non agglomérés. - Le "Topographie Shell Formation" (TSF). Il consiste à superposer des couches successives de grains de sable collés entre eux par une pulvérisation de paraffine fondue à différentes hauteurs suivant la zone à créer. En fin de fabrication, le solide tridimensionnel est constitué à partir des différentes zones des couches qui se sont collées entre el les.- Selective laser sintering, or "Selective Laser Sintering" (SLS), which operates from a laser which causes particles to agglomerate on the surface of a volume, according to zones determined by the geometric profile of the piece to be created. Layers of particles are successively applied and agglomerated on said volume. At the end of manufacture, a three-dimensional solid is formed from the different areas of the layers which have been hardened by the laser. The part is separated by evacuation of the non-agglomerated grains. - The "Shell Formation Topography" (TSF). It consists of superimposing successive layers of grains of sand stuck together by spraying molten paraffin at different heights depending on the area to be created. At the end of manufacture, the three-dimensional solid is formed from the different zones of the layers which have bonded between them.
Ces procédés présentent les inconvénients d'être longs à mettre en œuvre pour la fabrication de pièces de grandes dimensions, et de présenter des coûts de production élevés, qui deviennent exhorbitants si l'on cherche à les adapter à des conditions industrielles modernes pour des modèles prototypes de grandes dimensions.These methods have the disadvantages of being long to implement for the manufacture of large parts, and of presenting high production costs, which become exorbitant if one seeks to adapt them to modern industrial conditions for models. large prototypes.
Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé qui puisse être mis en œuvre pour des pièces de grandes dimensions (par exemple de taille supérieure à 3 m3), à des coûts de production réduits. Il est en outre souhaitable, dans ce cadre, de se prêter à une définition de la forme des pièces qui passe par des fichiers informatiques de données numériques tels qu'ils sont désormais couramment obtenus par les techniques et logiciels de conception assistée par ordinateur.It is therefore desirable to have a process which can be implemented for large parts (for example larger than 3 m 3 ), at reduced production costs. It is further desirable, in this context, to lend itself to a definition of the shape of the pieces which passes through computer files of digital data as they are now commonly obtained by computer-aided design techniques and software.
L'invention vise ainsi à proposer un procédé de prototypage pour la fabrication de pièces tridimensionnelles ayant pour base des matériaux thermoplastiques fusibles, et un dispositif adapté à la mise en œuvre de ce procédé, qui soient tels qu'ils permettent la réalisation rapide, précise et peu onéreuse, de pièces de grandes dimensions. Elle vise aussi à ce que le procédé et le dispositif suivant l'invention soient particulièrement adaptés pour la fabrication de modèles dits de prototypage pour utilisation dans la technique de fabrication de moules "à modèle perdu" utilisés en fonderie, étant entendu que l'invention peut également être utilisée, sans modification autre que celles qui sont à la portée des personnes du métier, pour toute application analogue nécessitant la fabrication de pièces tridimensionnelles en matériau fusible.The invention thus aims to propose a prototyping process for the manufacture of three-dimensional parts based on fusible thermoplastic materials, and a device suitable for the implementation of this process, which are such that they allow rapid, precise production. and inexpensive, large parts. It also aims to ensure that the method and the device according to the invention are particularly suitable for the manufacture of so-called prototyping models for use in the technique of manufacturing "lost model" molds used in foundries, it being understood that the invention can also be used, without modification other than those which are within the reach of those skilled in the art, for any similar application requiring the manufacture of three-dimensional parts made of fusible material.
A cette fin, la présente invention propose d'avoir recours à un procédé de fabrication de pièces tridimensionnelles par liaison et solidification de différentes sections bidimensionnelles parallèles de la pièce, définies comme des sections successives et superposées, du type comportant la réalisation d'un cycle répétitif comprenant le dépôt d'une couche de poudre d'un matériau sous forme de grains ou particules et la coulée sur ladite couche, selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, d'un matériau l iant sous forme liquide de manière à produire, après solidification dudit liant, une section de la pièce finale constituée d'une couche de particules liées, sur laquelle est déposée une nouvelle couche de particules pour la réalisation de section suivante de la pièce. La dernière étape d'un tel procédé consiste en l'évacuation des particules non liées de façon à dégager la pièce formée.To this end, the present invention proposes to have recourse to a process for manufacturing three-dimensional parts by bonding and solidification of different parallel two-dimensional sections of the part, defined as successive and superimposed sections, of the type comprising carrying out a repetitive cycle comprising depositing a layer of powder of a material in the form of grains or particles and casting on said layer, along a path predetermined by the shape of the part to be obtained, of a bonding material in liquid form so as to produce, after solidification of said binder, a section of the final part consisting of a layer of bonded particles , on which is deposited a new layer of particles for the realization of the next section of the part. The last step of such a process consists in evacuating unbound particles so as to release the formed part.
Les techniques de ce genre qui sont connues sont plutôt adaptées à la réalisation de moules de fonderie, et non de modèles prototypes. On peut en particulier se référer ici à la demande de brevet EP 0 431 924, qui décrit la fabrication d'objets tridimensionnels par superposition et liaison de sections de différents profils, suivant une méthode qui utilise une poudre de grains ou particules, étalée en couches successives, en prévoyant de couler sur chacune d'elles un liant sous forme liquide.The techniques of this kind which are known are rather suitable for the production of foundry molds, and not prototype models. We can in particular refer here to patent application EP 0 431 924, which describes the manufacture of three-dimensional objects by superimposition and bonding of sections of different profiles, according to a method which uses a powder of grains or particles, spread out in layers successive, by planning to pour on each of them a binder in liquid form.
Toutefois, tel qu'il est illustré par ce document, l'art antérieur à la présente invention n'est pas adapté aux objectifs que s'est fixés cette dernière. La méthode qui y est décrite est dirigée vers la fabrication de moules en métal et/ou en céramique, qui ne sont utilisables que directement comme moules de fonderie. Il n'y est pas question de tirer profit comme le fait la présente invention, des propriétés particulières des particules constituées en un matériau thermoplastique fusible du type des cires et paraffines.However, as illustrated by this document, the art prior to the present invention is not suited to the objectives which the latter has set for itself. The method described there is directed towards the manufacture of metal and / or ceramic molds, which can only be used directly as foundry molds. There is no question of taking advantage, as the present invention does, of the particular properties of the particles constituted by a fusible thermoplastic material of the type of waxes and paraffins.
Le procédé suivant l'invention représente une amélioration notable des techniques connues de ce genre par le fait que les particules et le liant sont constitués de matériaux thermoplastiques fusibles chimiquement compatibles, et que le matériau liant est chauffé avant la coulée à une température qui est à la fois supérieure à son point de coulée de goutte et suffisamment élevée, par rapport au point de goutte du matériau en poudre, pour provoquer la fusion superficielle des particules avec lesquelles il entre en contact, de façon à réaliser sa liaison avec celles-ci après solidification.The process according to the invention represents a notable improvement in known techniques of this kind by the fact that the particles and the binder are made of meltable chemically compatible thermoplastic materials, and that the binder material is heated before casting to a temperature which is at both higher than its drop pour point and sufficiently high, relative to the drop point of the powdered material, to cause the surface fusion of the particles with which it comes into contact, so as to achieve its connection with them after solidification.
Conformément à l'invention, la liaison de deux sections successives est ainsi réalisée, par un processus similaire de fusion superficielle et solidification, agissant au moins soit d'une part entre des particules situées à l'interface des deux sections et le liant impliqué respectivement dans chacune des deux couches successives, soit d'autre part directement entre le liant relevant des deux couches successives de liant. Dans des modes de mise en œuvre préférés de l'invention, la liaison entre deux sections successives de la pièce à fabriquer procède et de l'un et de l'autre, de sorte que chaque section de la pièce est solidaire de la suivante d'une part du fait de la liaison réalisée entre des particules relativement grosses et le liant à l'interface de deux sections successives, d'autre part du fait d'une liaison réalisée au moins par endroits entre la couche de liant relevant d'une section de la pièce et celle de la section suivante.According to the invention, the connection of two successive sections is thus achieved, by a similar process of surface fusion and solidification, acting at least either on the one hand between particles located at the interface of the two sections and the binder involved respectively. in each of the two successive layers, or on the other hand directly between the binder belonging to the two successive layers of binder. In preferred embodiments of the invention, the connection between two successive sections of the workpiece proceeds from one and from the other, so that each section of the piece is integral with the following d firstly because of the connection made between relatively large particles and the binder at the interface of two successive sections, secondly because of a connection made at least in places between the binder layer falling under a section of the room and that of the next section.
La liaison des particules et du liant, réalisée par fusion superficielle des particules et. solidification conjointe avec le liant, peut être désignée sous le terme de soudure, bien que ce terme soit normalement employé lorsqu'il s'agit de métaux à lier. On l'utilise cependant ici car il est très explicite quand on décrit une liaison d'éléments par fusion locale de leurs surfaces respectives en contact.The bonding of the particles and the binder, carried out by surface fusion of the particles and. joint solidification with the binder, can be designated under the term of weld, although this term is normally used when it is about metals to be bonded. However, it is used here because it is very explicit when describing a connection of elements by local fusion of their respective surfaces in contact.
Il convient également de préciser que par fusion superficielle des particules, on entend ici toute fusion partielle ou totale débutant sur la surface des particules. Toutefois, pour assurer une bonne résistance mécanique à la pièce finie, il est préférable que la fusion soit assez profonde pour assurer une liaison de résistance mécanique appropriée, mais qu'elle n'aille pas jusqu'à cœur dans chaque particule du matériau en poudre.It should also be specified that by surface fusion of the particles is meant here any partial or total fusion starting on the surface of the particles. However, to ensure good mechanical resistance to the finished part, it is preferable that the fusion is deep enough to ensure an appropriate mechanical resistance bond, but that it does not go to the core in each particle of the powdered material. .
L'invention tire avantageusement parti des propriétés des matériaux utilisés, caractérisés par leur nature thermoplastique fusible. En effet, pour les matériaux thermoplastiques fusibles du type des cires et paraffines, le passage entre l'état solide et l'état liquide n'est pas franc.The invention advantageously takes advantage of the properties of the materials used, characterized by their fusible thermoplastic nature. Indeed, for fusible thermoplastic materials of type of waxes and paraffins, the transition between the solid state and the liquid state is not clear.
La température de fusion (ou melting point) est communément employée pour désigner la température à laquelle le matériau opère une transition de la phase solide ou semi-solide à la phase liquide.The melting point is commonly used to designate the temperature at which the material makes a transition from the solid or semi-solid phase to the liquid phase.
Les termes suivants caractérisent plus avant les paraffines, et définissent son passage entre l'état solide et l'état liquide, ou vice-versa : - le point de solidification (ou congealing point), défini par la norme ASTM D938, est la température à laquelle le matériau cesse de couler lorsque la température décroît,The following terms further characterize paraffins, and define its passage between the solid state and the liquid state, or vice versa: - the solidification point (or congealing point), defined by standard ASTM D938, is the temperature at which the material stops flowing when the temperature decreases,
- le point de goutte (ou dropping point), défini par la norme ASTM D566, est la température à laquelle la paraffine passe de l'état solide ou semi-solide à l'état liquide lorsque la température augmente,- the dropping point, defined by standard ASTM D566, is the temperature at which the paraffin changes from the solid or semi-solid state to the liquid state when the temperature increases,
- le point de coulée de goutte (ou drop melting point), défini par la norme ASTM D127, est la température à laquelle le matériau commence à être suffisamment fluide pour goutter à travers un orifice.- the drop melting point, defined by standard ASTM D127, is the temperature at which the material begins to be sufficiently fluid to drip through an orifice.
Ces termes peuvent être applicables à d'autres matériaux fusibles, les colles thermo-fusibles par exemple, et pourront dans ces cas être quantifiés et mesurés par des méthodes comparables aux méthodes ASTM précitées.These terms may be applicable to other fusible materials, for example hotmelt adhesives, and may in these cases be quantified and measured by methods comparable to the above-mentioned ASTM methods.
Le choix de la température de chauffage du liant suivant le procédé de l'invention est ainsi lié, d'une part au point de coulée de goutte du liant, pour permettre à celui-ci de se trouver sous une forme suffisamment fluide pour s'écouler de la buse sur la couche de particules, et d'autre part au point de goutte des particules, de façon à assurer la fusion superficielle de celles-ci. Ces propriétés, combinées suivant l'invention avec un choix pertinent de la température de chauffage du liant, induisent un résultat particulièrement intéressant, à savoir une résistance mécanique améliorée de la pièce finie, car la fusion superficielle des particules permet d'obtenir une meilleure solidité mécanique de chaque section, mais également une meilleure solidité des liaisons entre les sections successives.The choice of the binder heating temperature according to the method of the invention is thus linked, on the one hand to the drop pour point of the binder, to allow the latter to be in a sufficiently fluid form to flow from the nozzle onto the layer of particles, and on the other hand at the point of drop of the particles, so as to ensure the surface fusion of these. These properties, combined according to the invention with a relevant choice of the heating temperature of the binder, induce a particularly interesting result, namely an improved mechanical resistance of the finished part, because the surface melting of the particles provides better mechanical strength of each section, but also better strength of connections between successive sections.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, la température de chauffage et le volume de liant coulé sur la couche de particules sont choisis, en liaison avec la taille des particules et l'épaisseur de la couche, de telle sorte que des particules dépassent en partie de la couche de liant dans chaque section après solidification du liant, et que le liant coulé sur la couche suivante entre en contact avec ces particules à une température supérieure au point de goutte du matériau les constituant, ou plus précisément à une température suffisante pour les amener en surface à une température supérieure à ce point de goutte, de telle manière que la liaison solidifiée rigidifiant la liaison entre deux sections successives est réalisée, par fusion superficielle et solidification, entre lesdites particules et chacune des deux couches successives de liant.According to another characteristic of the invention, the heating temperature and the volume of binder poured onto the layer of particles are chosen, in conjunction with the size of the particles and the thickness of the layer, so that the particles protrude part of the binder layer in each section after the binder has solidified, and the binder poured onto the next layer comes into contact with these particles at a temperature above the drop point of the material constituting them, or more precisely at a temperature sufficient to bringing them to the surface at a temperature above this drop point, so that the solidified connection stiffening the connection between two successive sections is produced, by surface fusion and solidification, between said particles and each of the two successive layers of binder.
Dans d'autres modes de réalisation particulièrement avantageux du procédé suivant l'invention, les conditions de coulée, notamment la température de chauffage et le volume de liant coulé sur la couche de particules, sont réglées de manière que le liant coulé sur une couche de particules de matériau solide en poudre est porté à une température suffisante pour qu'il migre à travers ladite couche jusqu'à entrer en contact au moins par endroits avec le liant solidifié de la section précédente, et ce de sorte que le contact se produise à une température supérieure au point de goutte du liant, conduisant à une liaison solide entre les deux sections successives par fusion superficielle et solidification directement entre les deux couches de liant. Une meilleure résistance mécanique de la pièce finie est ainsi avantageusement obtenue.In other particularly advantageous embodiments of the method according to the invention, the pouring conditions, in particular the heating temperature and the volume of binder poured onto the layer of particles, are adjusted so that the binder poured onto a layer of particles of powdered solid material is brought to a temperature sufficient for it to migrate through said layer until it comes into contact at least in places with the solidified binder of the previous section, and this so that contact occurs a temperature above the drop point of the binder, leading to a solid bond between the two successive sections by surface fusion and solidification directly between the two layers of binder. Better mechanical strength of the finished part is thus advantageously obtained.
Par ailleurs, toutes les combinaisons de matériaux peuvent être utilisées pour les particules et le liant, à condition toutefois qu'ils soient chimiquement compatibles. Cependant, suivant une caractéristique secondaire de l'invention, les particules et le liant sont constitués de matériaux de même nature. Dans des modes de réalisation préférés, les particules et le liant sont constitués de cire. Dans certains de ces modes de mise en oeuvre pratique de l'invention, les particules de matériau en poudre sont constitués de paraffine, ainsi que le liant.Furthermore, all combinations of materials can be used for the particles and the binder, provided however that they are chemically compatible. However, according to a secondary characteristic of the invention, the particles and the binder are made of materials of the same kind. In preferred embodiments, the particles and the binder are made of wax. In some of these practical embodiments of the invention, the particles of powdered material consist of paraffin, as well as the binder.
L'invention propose également un dispositif pour la fabrication de pièces particulièrement adapté à la réalisation du procédé qu'elle définit.The invention also provides a device for manufacturing parts particularly suitable for carrying out the process which it defines.
Un tel dispositif pour la fabrication de pièces tridimensionnelles, par liaison et solidification de sections successives superposées, est caractérisé en ce qu'il comporte :Such a device for manufacturing three-dimensional parts, by bonding and solidifying successive superposed sections, is characterized in that it comprises:
- une enceinte pour recevoir des couches successives de poudre d'un matériau thermoplastique fusible sous forme de particules, dont le fond est mobile verticalement suivant l'axe Z d'un repère trirectangle XYZ entre chaque dépôt d'une desdites couches, d'une distance égale à l'épaisseur de la couche de particules suivante,an enclosure for receiving successive layers of powder of a fusible thermoplastic material in the form of particles, the bottom of which is movable vertically along the Z axis of a XYZ trirectangle mark between each deposition of one of said layers, of a distance equal to the thickness of the next layer of particles,
- un système de dépôt et de répartition de ladite poudre en surface de ladite enceinte, permettant d'obtenir des couches d'épaisseur régulière, - une buse de coulée se déplaçant dans un plan XY et déposant un liant, constitué d'un matériau thermoplastique fusible chimiquement compatible avec le matériau constituant ladite poudre, et sous forme liquide, sur ladite couche de particules, selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, ladite buse de coulée comportant au moins un orifice de section variable,- a system for depositing and distributing said powder on the surface of said enclosure, making it possible to obtain layers of regular thickness, - a pouring nozzle moving in an XY plane and depositing a binder, consisting of a thermoplastic material fuse chemically compatible with the material constituting said powder, and in liquid form, on said layer of particles, along a path predetermined by the shape of the part to be obtained, said pouring nozzle comprising at least one orifice of variable section,
- un dispositif de chauffage dudit liant alimentant ladite buse de coulée,a device for heating said binder supplying said pouring nozzle,
- et un système de pilotage informatique pour le contrôle du déplacement de ladite buse et du fond de ladite enceinte, dudit système de dépôt et de répartition, de la température dudit dispositif de chauffage et de la variation de ladite section variable.- And a computer control system for controlling the displacement of said nozzle and of the bottom of said enclosure, of said deposition and distribution system, of the temperature of said heating device and of the variation of said variable section.
En particulier, le système de pilotage permet de contrôler, en fonction des paramètres fixes inhérents aux matériaux utilisés et à des conditions prédéterminées, tous les paramètres variables à réguler lors de la mise en œuvre du procédé suivant l'invention, dans ses modes de réalisation principaux et préférés tels qu'ils ont été définis ci-avant ou qu'ils seront décrits et illustrés plus loin dans la description.In particular, the control system makes it possible to control, as a function of the fixed parameters inherent in the materials used and under predetermined conditions, all the variable parameters to regulate during the implementation of the method according to the invention, in its main and preferred embodiments as they have been defined above or that they will be described and illustrated later in the description.
De cette façon, en fonction de la forme de la pièce à fabriquer et du degré de précision nécessaire, de la taille des particules, du point de goutte du matériau sous forme de particules, du point de coulée de goutte et du point de solidification du matériau liant, de la température ambiante et de la hauteur de coulée, le système de pilotage contrôle l'épaisseur des couches de particules, la température de chauffage du liant, le trajet et la vitesse de déplacement ainsi que le débit de la buse, et la largeur de la section variable.In this way, depending on the shape of the workpiece and the degree of precision required, the size of the particles, the drop point of the material in the form of particles, the drop pour point and the solidification point of the material. binder material, ambient temperature and casting height, the control system controls the thickness of the particle layers, the heating temperature of the binder, the path and the speed of movement as well as the flow rate of the nozzle, and the width of the variable section.
L'invention sera maintenant plus avant précisée dans ses caractéristiques préférées, par la description de modes de réalisation particuliers qui font l'objet des exemples ci-après. Sauf stipulation contraire, toutes les grandeurs chiffrées ou autres indications seront exprimées en conformité avec la normalisation internationale.The invention will now be further specified in its preferred characteristics, by the description of particular embodiments which are the subject of the examples below. Unless otherwise stipulated, all quantified quantities or other indications will be expressed in accordance with international standardization.
Les matériaux choisis pour le liant et les particules sont des thermoplastiques fusibles tels qu'ils ont été définis précédemment, du type cires ou paraffines.The materials chosen for the binder and the particles are fusible thermoplastics as defined above, of the wax or paraffin type.
Un critère pour le choix des deux matériaux fusibles est leur compatibilité chimique. Toute combinaison de matériaux compatibles peut être envisagée. Cependant il est préférable d'utiliser des matériaux de même nature, comme deux cires microcristallines (par exemple les cires de qualités M7387 et M0745 vendues par Moore & Munger), ou deux cires de polyéthylène (par exemple les cires connues sous les dénominations commerciales Polyflo200 et Polyflo300 vendues par Moore & Munger), ou bien une même paraffine synthétique pour les particules de poudre et pour le liant (par exemple le produit vendu par Schumann & Saso sous la dénomination commerciale Paaraflint H 1 N6). Par ailleurs, le choix des matériaux est également lié aux températures qui régissent leur passage entre l'état solide et l'état liquide.One criterion for choosing the two fusible materials is their chemical compatibility. Any combination of compatible materials can be considered. However, it is preferable to use materials of the same kind, such as two microcrystalline waxes (for example the quality waxes M7387 and M0745 sold by Moore & Munger), or two polyethylene waxes (for example the waxes known under the trade names Polyflo200 and Polyflo300 sold by Moore & Munger), or the same synthetic paraffin for the powder particles and for the binder (for example the product sold by Schumann & Saso under the trade name Paaraflint H 1 N6). Furthermore, the choice of materials is also linked to the temperatures which govern their passage between the solid state and the liquid state.
Ainsi , pour le liant, qui apporte l'énergie calorifique servant à lier les particules et les sections entre elles, les paramètres à prendre en compte seront principalement :Thus, for the binder, which provides the heat energy used to bond the particles and the sections between them, the parameters to be taken into account will be mainly:
- le point de solidification, qui détermine dans cette application les limites de la migration du liant dans la couche de particules, c'est-à-dire les limites du phénomène de capillarité. En effet, lors de la migration du liant, celui-ci se refroidit, et lorsque sa température atteint son point de solidification, l'écoulement entre les particules est stoppé,- The solidification point, which determines in this application the limits of the migration of the binder in the layer of particles, that is to say the limits of the capillarity phenomenon. In fact, during the migration of the binder, it cools, and when its temperature reaches its solidification point, the flow between the particles is stopped,
- le point de coulée de goutte, qui devra être dépassé par la température du liant dans la buse afin de permettre son écoulement.- the drop pour point, which must be exceeded by the temperature of the binder in the nozzle in order to allow its flow.
En ce qui concerne les particules, plusieurs caractéristiques sont à considérer :With regard to particles, several characteristics must be considered:
- le point de goutte, qui représente la température à atteindre pour provoquer leur fusion superficielle,- the drop point, which represents the temperature to be reached to cause their surface fusion,
- la granulométrie, en particulier la taille moyenne des particules et la taille des plus grosses d'entre elles.- the particle size, in particular the average size of the particles and the size of the largest of them.
L'application du procédé suivant l'invention passe donc par un choix de matériaux dont les caractéristiques citées ci-avant sont compatibles avec les propriétés requises pour les particules d'une part et le liant d'autre part.The application of the process according to the invention therefore involves a choice of materials whose characteristics mentioned above are compatible with the properties required for the particles on the one hand and the binder on the other hand.
Suivant une caractéristique secondaire de l'invention, la température de chauffage du liant avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température du liant, lorsqu'il est en contact avec le matériau en poudre, est supérieure au point de goutte de ce dernier.According to a secondary characteristic of the invention, the heating temperature of the binder before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen so that the temperature of the binder, when it is in contact with the powdered material, is greater than the latter's drop point.
On obtient ainsi de façon tout à fait avantageuse une soudure solide des particules avec le liant. De façon générale, et ce dans tous les cas de réalisation de l' invention, il est préférable de garder une hauteur de coulée fixe et assez faible pour éviter une déperdition de chaleur importante du liant durant la coulée. La maîtrise de la température du liant coulé est ainsi facilitée. De même, la température ambiante doit être idéalement fixée. Dans le cas contraire, il convient de faire évoluer les réglages du chauffage du liant à couler en fonction de cette température.This gives a completely advantageous solid weld of the particles with the binder. In general, and this in all the embodiments of the invention, it is preferable to keep a fixed casting height and low enough to avoid a significant heat loss of the binder during casting. The control of the temperature of the cast binder is thus facilitated. Likewise, the ambient temperature should ideally be fixed. Otherwise, the heating settings of the binder to be poured must be changed as a function of this temperature.
Suivant une autre caractéristique secondaire de l'invention, la température de chauffage dudit liant avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies, en liaison avec la taille des particules, de telle façon que la fusion des particules ne se fasse pas jusqu'à cœur. De cette façon une meilleure résistance à l'effondrement de la pièce durant la fabrication, et donc une meilleure stabilité dimensionnelle de la pièce finie, sont obtenues.According to another secondary characteristic of the invention, the heating temperature of said binder before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen, in conjunction with the particle size, in such a way that the particles do not melt. not to the core. In this way better resistance to the collapse of the part during manufacture, and therefore better dimensional stability of the finished part, are obtained.
Ainsi, pour une coulée sans déperdition majeure de température entre la sortie de la buse et l'arrivée sur la couche de particules, il est avantageux de choisir une température de chauffage du liant de 10 à 30°C supérieure au point de goutte du matériau des particules. Il en résulte une fusion superficielle, mais pas à cœur, des particules, quand notamment, suivant des conditions préférées de mise en oeuvre de l'invention, les particules de poudre présentent des dimensions comprises entre 0,01 et 10 mm, et notamment de l'ordre de 0,01 à 2 mm et qu'elles sont à la température ordinaire (20 à 25 °C).Thus, for a casting without major loss of temperature between the outlet of the nozzle and the arrival on the layer of particles, it is advantageous to choose a heating temperature of the binder from 10 to 30 ° C higher than the drop point of the material. particles. This results in a surface fusion, but not at the core, of the particles, when in particular, according to preferred conditions for implementing the invention, the powder particles have dimensions of between 0.01 and 10 mm, and in particular of on the order of 0.01 to 2 mm and that they are at ordinary temperature (20 to 25 ° C).
Par exemple, si on utilise, pour les particules et pour le liant, la paraffine vendue sous la dénomination commerciale Paraflint H 1 N6 citée précédemment, qui présente un point de solidification à 98 °C, un point de coulée de goutte à 1 12 °C et un point de goutte à 105 °C, il conviendra optimalement de couler le liant à une température d'environ 125 °C, afin d'opérer la soudure de la surface des particules avec le liant coulé.For example, if one uses, for the particles and for the binder, the paraffin sold under the trade name Paraflint H 1 N6 mentioned above, which has a solidification point at 98 ° C, a drop pour point at 1 12 ° C and a drop point at 105 ° C, it will be optimal to pour the binder at a temperature of about 125 ° C, in order to effect the welding of the surface of the particles with the cast binder.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, l'épaisseur des couches de particules est choisie de façon à être comprise entre 1 et 10 fois, de préférence entre 2 et 5 fois, la taille des plus grosses particules, et suffisamment faible pour assurer une bonne précision dimensionnelle. Le choix optimal pour l'épaisseur de chaque couche est ainsi déterminé par l'analyse de la granulométrie de la poudre et par la précision dimensionnelle escomptée pour la pièce fabriquée.In preferred embodiments of the invention, the thickness of the layers of particles is chosen so as to be between 1 and 10 times, preferably between 2 and 5 times, the size larger particles, and small enough to ensure good dimensional accuracy. The optimal choice for the thickness of each layer is thus determined by the analysis of the granulometry of the powder and by the dimensional precision expected for the part manufactured.
Si l'on prend par exemple une cire en poudre de la dénomination commerciale Paraflint H 1 N6 avec une granulométrie entre 1 1 80 microns et 106 microns pour une moyenne de taille de grains à 600 microns, il conviendra de réaliser des couches d'épaisseur au moins égale à la taille des plus grosses particules afin d'éviter au système de dépôt des couches de heurter les particules qui pourraient dépasser de la dernière couche déposée. La précision obtenue sur la pièce fabriquée pourra alors être de l'ordre de 0,6 mm après finition.If we take for example a powdered wax of the trade name Paraflint H 1 N6 with a particle size between 1 1 80 microns and 106 microns for an average grain size of 600 microns, it will be necessary to make thick layers at least equal to the size of the largest particles in order to prevent the layer deposition system from hitting the particles which could protrude from the last layer deposited. The precision obtained on the manufactured part could then be of the order of 0.6 mm after finishing.
Si l'on utilise une cire en poudre de la dénomination commerciale Acumist B-6 produite par Honeywell, avec une grosseur des particules ne dépassant pas 18 microns, l'épaisseur de couche peut être réduite à quelques centièmes de millimètres et la précision des pièces optimisée. Ces conditions peuvent être avantageuses, notamment, pour réaliser des couches de finition pour lesquelles on recherche essentiellement la précision et l'uniformité, bien que ce soit aux dépens de la tolérance dimensionnelle quand il se produit une fusion à cœur des particules.If a powder wax of the trade name Acumist B-6 produced by Honeywell is used, with a particle size not exceeding 18 microns, the layer thickness can be reduced to a few hundredths of a millimeter and the precision of the parts optimized. These conditions can be advantageous, in particular, for producing topcoats for which precision and uniformity are essentially sought, although this is at the expense of dimensional tolerance when there is a core melting of the particles.
Suivant une caractéristique secondaire de l'invention, la vitesse de déplacement de la buse et le débit de coulée du liant sont régulés de telle sorte que le volume de liant coulé sur la couche de particules puisse remplir un taux au moins égal à 80 % du volume d'air présent entre les particules, sur la surface de la couche recevant la coulée et sur une épaisseur égale à celle de la couche. En pratique, ce taux se situe entre 85 et 98 % de ce volume.According to a secondary characteristic of the invention, the speed of displacement of the nozzle and the rate of pouring of the binder are regulated so that the volume of binder poured onto the layer of particles can fill a rate at least equal to 80% of the volume of air present between the particles, on the surface of the layer receiving the flow and over a thickness equal to that of the layer. In practice, this rate is between 85 and 98% of this volume.
Outre les réglages de température et d'épaisseur de couche, le débit du liant en fonction de la vitesse de déplacement de la buse est avantageusement réglé de sorte que : - le liant puisse traverser entièrement la couche de poudre pour créer la liaison avec la section précédente, au moins par endroits,In addition to the temperature and layer thickness adjustments, the flow rate of the binder as a function of the speed of movement of the nozzle is advantageously adjusted so that: - the binder can pass entirely through the powder layer to create the connection with the previous section, at least in places,
- le volume de liant coulé ne soit pas excédentaire et ne dépasse pas en final du niveau de la surface de la couche, ou ne s'étale pas sur celle-ci.- The volume of binder poured is not excess and does not ultimately exceed the level of the surface of the layer, or does not spread over it.
Si l'on considère une poudre constitué de particules sphériques de rayon moyen égal à 300 microns comme la paraffine de dénomination commerciale Paraflint H 1 N6, on peut évaluer à 40 % le volume d'air laissé libre entre les grains. Pour le combler à 1 00 % en réalisant un cordon de 1 mm2 de section moyenne à partir d'une buse se déplaçant à 100 mm/s, le débit de la buse devra être de 40 mm3/s dans des conditions optimales de température de coulée et de choix du liant coulé.If we consider a powder made up of spherical particles with an average radius equal to 300 microns such as paraffin with the trade name Paraflint H 1 N6, we can assess the volume of air left free between the grains at 40%. To fill it to 100% by producing a bead of 1 mm2 of average section from a nozzle moving at 100 mm / s, the flow rate of the nozzle should be 40 mm3 / s under optimal temperature conditions of casting and choice of the binder cast.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, la température de chauffage du liant avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température du matériau du liant est supérieure à son point de coulée de goutte lorsqu'il entre en contact avec ladite poudre, et qu'elle atteint son point de solidification immédiatement après le moment où le liant atteint la section précédente.In preferred embodiments of the invention, the heating temperature of the binder before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen so that the temperature of the binder material is higher than its drop pour point. when it comes into contact with said powder, and it reaches its solidification point immediately after the moment when the binder reaches the previous section.
De cette façon, la migration du liant a avantageusement lieu sur toute l'épaisseur de la couche ; le liant entre en contact avec la section précédente afin d'en assurer la liaison, mais il ne déborde toutefois pas sur les couches de particules précédentes non liées à l'état solide. Ceci permet d'assurer que les parties d'une section qui ne sont pas soutenues par un autre section solidifiée, mais par une couche de particules libres, possèdent néanmoins une épaisseur égale aux parties soutenues.In this way, the migration of the binder advantageously takes place over the entire thickness of the layer; the binder comes into contact with the previous section in order to ensure its connection, but it does not, however, extend beyond the layers of previous particles not linked to the solid state. This ensures that the parts of a section which are not supported by another solidified section, but by a layer of free particles, nevertheless have a thickness equal to the supported parts.
Par ailleurs, il est souhaitable, lors du choix de la température de chauffage du liant, de prendre en compte le fait que le matériau liant va se refroidir rapidement au contact des particules, et bien plus vite qu'au contact de l'air, si bien qu'à une température donnée de coulée la migration du liant dans la couche sera d'autant plus rapidement bloquée. C'est le cas par exemple pour une température de chauffage de 120 °C, et un contact sur des particules à 25 °C. La température de chauffage du liant doit donc être alors adaptée en fonction de la température des particules, de façon à ce que d'une part la migration se fasse sur toute l'épaisseur de la couche, et que d'autre part le liant soit capable de provoquer la fusion superficielle des particules dépassant de la section précédente.Furthermore, when choosing the binder heating temperature, it is desirable to take into account the fact that the binder material will cool quickly on contact with the particles, and much faster than on contact with air, so that at a given casting temperature the migration of the binder in the layer will be all the more quickly blocked. This is the case for example for a heating temperature of 120 ° C, and contact with particles at 25 ° C. The heating temperature of the binder must therefore be adapted as a function of the temperature of the particles, so that on the one hand the migration takes place over the entire thickness of the layer, and that on the other hand the binder is capable of causing the surface fusion of particles protruding from the previous section.
De plus, suivant une caractéristique secondaire particulièrement avantageuse, le matériau liant est choisi de telle sorte que son point de solidification soit proche de son point de coulée de goutte, et la température de chauffage dudit liant avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température du matériau liant lorsqu'il entre en contact avec la poudre soit juste supérieure à son point de coulée de goutte, de façon à ce que sa migration dans la couche de poudre soit bloquée suffisamment vite pour obtenir une bonne précision dimensionnelle.In addition, according to a particularly advantageous secondary characteristic, the binder material is chosen so that its solidification point is close to its drop pour point, and the heating temperature of said binder before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen so that the temperature of the binder material when it comes into contact with the powder is just above its drop pour point, so that its migration into the powder layer is blocked quickly enough to obtain good dimensional accuracy.
Ce dernier point est à combiner avec le choix de l'épaisseur des couches, qui permet également de jouer sur la précision dimensionnelle.This last point is to be combined with the choice of the thickness of the layers, which also allows to play on dimensional precision.
A titre d'exemple, un des modes de mise en œuvre du procédé suivant l'invention utilise un matériau sous forme de particules dont le point de goutte est relativement bas par rapport à la température du liant coulé, afin de fondre plus à cœur chacun des grains, et un liant coulé à une température juste supérieure à son point de coulée de goutte et tel que son point de solidification soit proche de son point de coulée de goutte afin de bloquer au plus vite la migration du liant dans la couche et assurer la précision dimensionnelle. Ce faible écart entre point de solidification et point de coulée de goutte est plutôt caractéristique des paraffines, et de ce fait, dans le cas de ce réglage, on pourra utiliser par exemple une poudre du produit vendu par British Petroleum sous la dénomination commerciale Kérawax 3538, présentant un point de goutte à 56 °C, et couler dessus une paraffine de la qualité Kérawax 1301 , présentant un point de solidification à 67 °C et un point de coulée de goutte à 71 °C, que l'on chauffe à 73 °C. Dans ce cas, le liant va se solidifier très rapidement, mais la surface des particules aura été soumise à un chauffage brutal à une température supérieure au point de goutte du matériau qui les constitue, et la soudure sera correctement réalisée.For example, one of the methods of implementing the method according to the invention uses a material in the form of particles, the drop point of which is relatively low compared to the temperature of the cast binder, in order to melt each more deeply. grains, and a binder poured at a temperature just above its drop pour point and such that its solidification point is close to its drop pour point in order to quickly block the migration of the binder in the layer and ensure dimensional accuracy. This small difference between solidification point and drop pour point is rather characteristic of paraffins, and therefore, in the case of this adjustment, it is possible for example to use a powder of the product sold by British Petroleum under the trade name Kérawax 3538 , having a drop point at 56 ° C, and pouring on it a paraffin of Kérawax 1301 quality, presenting a solidification point at 67 ° C and a drop flow at 71 ° C., which is heated to 73 ° C. In this case, the binder will solidify very quickly, but the surface of the particles will have been subjected to brutal heating at a temperature higher than the drop point of the material which constitutes them, and the welding will be correctly carried out.
Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, tous les paramètres définis ci-avant sont combinés et contrôlés de façon à assurer la simultanéité des conditions et résultats particulièrement avantageux suivants : - le matériau liant se trouve dans la buse à une température supérieure à son point de coulée de goutte,According to a preferred embodiment of the invention, all the parameters defined above are combined and controlled so as to ensure the simultaneity of the following particularly advantageous conditions and results: - the binder material is found in the nozzle at a temperature above its drop pour point,
- il se produit une fusion superficielle et non à cœur des particules sur lesquelles le liant est coulé,- there is a surface fusion and not at the heart of the particles on which the binder is poured,
- la migration du liant est réalisée à travers toute l'épaisseur de la couche de particules,- the migration of the binder is carried out through the entire thickness of the layer of particles,
- des particules dépassent en partie de chacune des sections et leur fusion superficielle est provoquée par l'entrée en contact avec le liant coulé sur la couche suivante après migration de celui-ci à travers cette couche, de telle sorte que la liaison entre deux sections successives est réalisée, après solidification, entre lesdites particules et chacune des deux couches successives de liant,- Partly of the particles protrude from each of the sections and their surface melting is caused by the coming into contact with the binder poured onto the next layer after migration of the latter through this layer, so that the connection between two sections successive is carried out, after solidification, between said particles and each of the two successive layers of binder,
- le liant coulé sur une couche de particules atteint le liant solidifié de la section précédente et provoque sa fusion superficielle, de telle sorte que la liaison entre deux sections successives est également réalisée, après solidification, directement entre les deux couches successives de liant.- The binder poured on a layer of particles reaches the solidified binder of the previous section and causes its surface fusion, so that the connection between two successive sections is also carried out, after solidification, directly between the two successive layers of binder.
De préférence, du moins dans certains cas d'application de l'invention, on s'assure en outre que le liant occupe tout l'espace présent entre les particules, dans un volume correspondant à la surface de la couche recevant la coulée sur une épaisseur égale à celle de ladite couche, afin notamment d'atteindre la meilleure précision dimensionnelle.Preferably, at least in certain cases of application of the invention, it is also ensured that the binder occupies all the space present between the particles, in a volume corresponding to the surface of the layer receiving the casting on a thickness equal to that of said layer, in particular in order to achieve the best dimensional accuracy.
L'invention sera maintenant décrite plus avant en faisant référence aux figures 1 à 15, dans lesquelles : - les figures 1 à 9 illustrent les différentes séquences du procédé de fabrication d'une pièce simple en vue de profil et en vue de dessus,The invention will now be described further with reference to FIGS. 1 to 15, in which: FIGS. 1 to 9 illustrate the different sequences of the process for manufacturing a simple part in side view and in top view,
- la figure 10 schématise la pièce tridimensionnelle obtenue par réalisation des différentes séquences illustrées sur les figures 1 à 9,FIG. 10 shows diagrammatically the three-dimensional part obtained by carrying out the different sequences illustrated in FIGS. 1 to 9,
- les figures 1 1 et 12 représentent une vue en coupe de pièces obtenues suivant le procédé selon l'invention,FIGS. 11 and 12 represent a sectional view of parts obtained according to the method according to the invention,
- la figure 13 illustre un dispositif suivant l'invention,FIG. 13 illustrates a device according to the invention,
- les figures 14. a à 14. c illustrent les coulées de liant réalisées au moyen de différents orifices de buse de formes variées,FIGS. 14. a to 14. c illustrate the binder castings produced by means of different nozzle orifices of various shapes,
- et la figure 15 montre une vue éclatée des différents éléments du dispositif de la figure 13, en détaillant : le système de pilotage informatique contenant les informations sur la pièce à créer, le dispositif de chauffage du liant, le mécanisme permettant le déplacement de la buse et l'ouverture/fermeture de son orifice de coulée, et l'enceinte contenant les particules et le système de dépôt et de répartition de la poudre.- And Figure 15 shows an exploded view of the various elements of the device of Figure 13, detailing: the computer control system containing information on the part to be created, the binder heating device, the mechanism for moving the nozzle and the opening / closing of its pouring orifice, and the enclosure containing the particles and the powder deposition and distribution system.
Les figures 1 à 9 illustrent les différentes étapes de la fabrication d'une pièce simple suivant le procédé selon l'invention. Conformément à celui-ci, on génère la pièce tridimensionnelle à partir de la superposition et de la liaison par soudure de sections successives de différents profils, déterminés par la forme de la pièce que l'on veut réaliser.Figures 1 to 9 illustrate the different stages of the manufacture of a simple part according to the method according to the invention. In accordance with this, the three-dimensional part is generated from the superposition and the connection by welding of successive sections of different profiles, determined by the shape of the part which one wishes to produce.
Sur la figure 1 , une couche de particules 1 en matériau thermoplastique fusible se trouve dans une enceinte 2 dont le fond est mobile. Un liant 10 en fusion est déposé sur cette couche par une buse de coulée 4. Le dispositif de chauffage du liant 10 n'est pas représenté sur ces figures.In FIG. 1, a layer of particles 1 made of fusible thermoplastic material is located in an enclosure 2, the bottom of which is movable. A binder 10 in fusion is deposited on this layer by a pouring nozzle 4. The device for heating the binder 10 is not shown in these figures.
La buse 4 se déplace dans le plan XY, comme illustré sur la figure 2, de façon à répartir le volume de liant 1 0 déposé sur toute la surface souhaitée. Au fur et à mesure de sa coulée, le liant 10 migre à travers la couche de particules 1 . Il se fixe durant sa solidification aux particules en contact avec lui par fusion superficielle de ces particules due à la température du liant. Lorsque le liant 10 a été versé sur toute la surface à solidifier, comme indiqué sur la figure 3, le premier cycle est terminé. Il n'est pas nécessaire d'attendre plus longtemps la solidification de la section formée, dans la mesure où les différents paramètres sont contrôlés de telle façon que le temps nécessaire au l iant 10 pour atteindre son point de solidification soit, en chaque point de la coulée, égal à son temps de migration à travers l'épaisseur de la couche.The nozzle 4 moves in the XY plane, as illustrated in FIG. 2, so as to distribute the volume of binder 10 deposited over the entire desired surface. As it flows, the binder 10 migrates through the layer of particles 1. During its solidification, it attaches to the particles in contact with it by surface fusion of these particles due to the temperature of the binder. When the binder 10 has been poured over the entire surface to be solidified, as indicated in FIG. 3, the first cycle is finished. There is no need to wait any longer for the solidification of the formed section, since the various parameters are controlled in such a way that the time necessary for the edge 10 to reach its point of solidification is, at each point of the casting, equal to its migration time through the thickness of the layer.
Toutes les étapes sont contrôlées par des moyens informatiques, qui ne sont pas représentés ici pour des raisons de clarté des dessins, mais qui seront décrits plus loin.All the steps are controlled by computer means, which are not shown here for the sake of clarity of the drawings, but which will be described later.
Le fond de l'enceinte 2 descend ensuite, pour libérer, au- dessus de la première couche, un espace égal à l'épaisseur de la deuxième couche, comme indiqué sur la figure 4.The bottom of the enclosure 2 then descends, to release, above the first layer, a space equal to the thickness of the second layer, as indicated in FIG. 4.
Le système 3 de dépôt et de répartition des particules procède alors au remplissage de cet espace par une couche d'épaisseur régulière de particules 1 . Cette étape est illustrée par la figure 5. Elle résulte en un lit stable de particules pour la réalisation d'une section de l'ensemble.The particle deposition and distribution system 3 then fills this space with a layer of regular thickness of particles 1. This step is illustrated in FIG. 5. It results in a stable bed of particles for making a section of the assembly.
Ainsi, après chaque cycle, il se produit une descente du fond de l'enceinte 2, et un volume de poudre est réparti mécaniquement dans l'enceinte 2 à l'aide du système 3. L'épaisseur de la couche de particules 1 ainsi déposée entre deux niveaux de coulée est toujours égale à la hauteur de descente du fond de l'enceinte 2, ce qui permet de régler la distance qui sépare le haut des couches N et N-1 .Thus, after each cycle, there is a descent of the bottom of the enclosure 2, and a volume of powder is mechanically distributed in the enclosure 2 using the system 3. The thickness of the layer of particles 1 as well deposited between two pouring levels is always equal to the descent height from the bottom of the enclosure 2, which makes it possible to adjust the distance between the top of the layers N and N-1.
La figure 6 représente l'ensemble en attente de la deuxième phase de coulée du liant 10.FIG. 6 represents the assembly awaiting the second phase of casting the binder 10.
La seconde coulée a ensuite lieu, avec déplacement de la buse 4 suivant un profil différent du premier, comme illustré sur les figures 7 et 8. Le liant 10 coule à travers toute l'épaisseur de la couche, et arrive jusqu'au niveau de la section précédente pour lier celle-ci par phénomène de soudure thermoplastique. Lorsque le deuxième cycle est terminé, le fond de l'enceinte 2 descend à nouveau pour entamer le troisième cycle (figure 9).The second casting then takes place, with displacement of the nozzle 4 according to a profile different from the first, as illustrated in FIGS. 7 and 8. The binder 10 flows through the entire thickness of the layer, and reaches up to the level of the previous section to link it by thermoplastic welding phenomenon. When the second cycle is finished, the bottom of the enclosure 2 descends again to start the third cycle (Figure 9).
Le procédé se poursuit ainsi de façon réitérative.The process thus continues reiteratively.
La dernière étape consiste à dégager la pièce solide des particules 1 non liées. Il est nécessaire alors de nettoyer les surfaces de la pièce des particules qui s'y seraient collées, et une finition peut être nécessaire si un rendu lisse est souhaité. L'utilisation de paraffines permet par exemple une finition facile de l'état de surface de la pièce fabriquée.The last step consists in removing the solid part from unbound particles 1. It is then necessary to clean the surfaces of the part of the particles which would have stuck there, and a finishing may be necessary if a smooth rendering is desired. The use of paraffins allows for example an easy finishing of the surface condition of the manufactured part.
Lors de la fabrication, si une partie d'une section n'est pas soutenue par une autre partie solidifiée, elle ne se déformera pas car elle refroidira et durcira sur un lit stable de particules non liées.During manufacture, if part of a section is not supported by another solidified part, it will not deform because it will cool and harden on a stable bed of unbound particles.
On obtient enfin une pièce telle que celle représentée sur la figure 10, issue de la mise en œuvre du procédé de fabrication illustré sur les figures 1 à 9.Finally, a part such as that shown in FIG. 10 is obtained, resulting from the implementation of the manufacturing process illustrated in FIGS. 1 to 9.
La liaison des différentes sections entre elles est illustrée sur les figures 1 1 et 12. Chacune des sections se lie à la précédente au travers de particules 1 qui sont liées d'une part au liant 1 0 coulé sur la couche N et d'autre part au liant 10 coulé sur la couche N-1 , comme illustré sur la figure 1 1 . De plus les sections peuvent aussi se lier entre elles directement, par endroits, par la liaison du liant 1 0 de la couche N au liant 10 de la couche N-1 . La figure 12 représente le cas particulièrement avantageux où la liaison est réalisée à la fois par ces deux phénomènes. La meilleure solidité mécanique de la pièce est alors atteinte. Ceci est obtenu par un réglage adapté de la température de chauffage du liant 10 et des épaisseurs des couches, en fonction de la densité, de la forme et du point de goutte des particules 1 , du point de solidification et du point de coulée de goutte du liant 10. D'autres conditions peuvent aussi intervenir dans les réglages, comme la température ambiante ou celle de l'enceinte. En fonction de ces paramètres, une gestion optimale du volume de liant 10 déposé par unité de longueur permet également d'obtenir une précision sur les dimensions de la pièce finie de l'ordre de grandeur du rayon moyen des particules 1 utilisées.The connection of the different sections to each other is illustrated in FIGS. 1 1 and 12. Each of the sections binds to the previous one through particles 1 which are linked on the one hand to the binder 1 0 cast on the layer N and on the other share in the binder 10 poured onto the layer N-1, as illustrated in FIG. 1 1. In addition, the sections can also bond together directly, in places, by the binding of the binder 1 0 of the layer N to the binder 10 of the layer N-1. FIG. 12 represents the particularly advantageous case where the connection is made at the same time by these two phenomena. The best mechanical strength of the part is then reached. This is obtained by a suitable adjustment of the heating temperature of the binder 10 and of the thicknesses of the layers, as a function of the density, the shape and the drop point of the particles 1, the solidification point and the drop pour point. of the binder 10. Other conditions may also intervene in the settings, such as the ambient temperature or that of the enclosure. Depending on these parameters, optimal management of the volume of binder 10 deposited per unit of length also makes it possible to obtain precision on the dimensions of the finished part of the order of magnitude of the mean radius of the particles 1 used.
Les différents éléments du dispositif suivant l'invention sont représentés sur les figures 13 et 15.The various elements of the device according to the invention are shown in FIGS. 13 and 15.
L'enceinte 2 reçoit les couches de particules 1 . Elle a uniquement la particularité d'avoir un fond qui se déplace suivant l'axe Z. Ce déplacement, réalisé par pas de hauteur définie et variable, est commandé par un système de pilotage informatique 6 après la fin de la coulée du liant 10 sur la couche de particules 1 , afin de libérer la place nécessaire pour la répartition de la couche suivante.The enclosure 2 receives the layers of particles 1. It only has the particularity of having a bottom which moves along the Z axis. This movement, produced by a defined and variable pitch, is controlled by a computer control system 6 after the end of the casting of the binder 10 on the layer of particles 1, in order to free up the space necessary for the distribution of the next layer.
Le fond de l'enceinte 2 reste toujours parallèle à sa position de départ, dans des tolérances telles que la pièce en cours de construction ne subisse pas de distorsions non voulues. Il peut être, par exemple, lié à un vérin hydraulique commandé par un distributeur hydraulique et un automate, qui permettent son déplacement vertical et précis.The bottom of the enclosure 2 always remains parallel to its starting position, within tolerances such that the part being built is not subjected to unwanted distortions. It can be, for example, linked to a hydraulic cylinder controlled by a hydraulic distributor and an automaton, which allow its vertical and precise movement.
Le système 3 de dépôt et de répartition des particules en surface de l'enceinte 2 est purement mécanique. A chaque traversée de la surface de l'enceinte 2, il apporte un volume de poudre suffisant pour créer une couche plane d'épaisseur constante qui accueillera la coulée suivante.The system 3 for depositing and distributing the particles on the surface of the enclosure 2 is purely mechanical. At each crossing of the surface of the enclosure 2, it provides a sufficient volume of powder to create a flat layer of constant thickness which will accommodate the next pour.
Cette couche peut recouvrir totalement toute la surface de la couche précédente, elle peut aussi laisser affleurer localement le haut de la traînée de liant 10 déversé sur la couche précédente, si celui-ci ne s'est pas entièrement infiltré entre les particules 1 et si il crée alors une surépaisseur par rapport à la surface des particules. Dans ce cas, la liaison entre les sections s'effectuera directement entre les deux coulées de liant 10 successives. Rappelons toutefois ici que l'on préfère faire intervenir des particules non totalement fondues dans la liaison entre deux couches successives afin de favoriser la cohésion de l'ensemble. Le système 3 peut être par exemple constitué d'un rouleau roulant en appui sur deux bords parallèles de l'enceinte 2 et qui va transporter d'un bout à l'autre un surplus de poudre de telle manière à en déposer à coup sûr une épaisseur égale au maximum à la distance qui sépare le haut de la couche précédente et le haut des bords parallèles servant d'appui. Tout autre système qui rempli la fonction est bien sûr utilisable. Ce système 3 est commandé par le système de pilotage informatique 6.This layer can completely cover the entire surface of the previous layer, it can also allow the top of the trail of binder 10 spilled on the previous layer to be exposed locally, if the latter has not completely infiltrated between the particles 1 and if it then creates an additional thickness relative to the surface of the particles. In this case, the connection between the sections will take place directly between the two successive binder flows. However, it should be recalled here that it is preferable to involve particles which are not completely melted in the connection between two successive layers in order to promote the cohesion of the whole. The system 3 may for example consist of a rolling roller resting on two parallel edges of the enclosure 2 and which will transport from one end to the other a surplus of powder so as to deposit one thickness equal to at most the distance between the top of the previous layer and the top of the parallel edges serving as support. Any other system which fulfills the function is of course usable. This system 3 is controlled by the computer control system 6.
La buse de coulée 4 se déplace dans le plan XY grâce à un ensemble 7 et sous commande du système de pilotage informatique 6. Elle permet de canaliser le liant 10 fondu, qui s'écoule à travers elle sur les couches de poudre. La buse de coulée 4 peut comporter un ou plusieurs orifices de sections différentes et/ou variables. Une version préférée de la buse 4 pourra être une buse à plusieurs orifices et commandée en rotation, qui permettra de déposer rapidement une largeur constante de liant 10, et donc en final permettra l'obtention d'une pièce présentant une épaisseur matière constante, ce qui est souvent recommandé en fonderie à modèle perdu.The pouring nozzle 4 moves in the XY plane thanks to an assembly 7 and under the control of the computer control system 6. It makes it possible to channel the molten binder 10, which flows through it onto the layers of powder. The pouring nozzle 4 may include one or more orifices of different and / or variable sections. A preferred version of the nozzle 4 could be a nozzle with several orifices and controlled in rotation, which will make it possible to rapidly deposit a constant width of binder 10, and therefore in the end will make it possible to obtain a part having a constant material thickness, this which is often recommended in lost model foundries.
Le débit de la buse 4 sera déterminé principalement par l'épaisseur des couches et la grosseur des particules 1 : plus les épaisseurs de couche seront importantes et plus le débit de liant 10 devra augmenter. Cette buse 4 est commandée en ouverture/fermeture, et son débit est de préférence régulé par le système de pilotage informatique 6, notamment par réglage de la pression exercée sur le liant 10. Le nombre des orifices en jeu peut être réglé de la même façon, ainsi que la forme et les dimensions de la buse.The flow rate of the nozzle 4 will be determined mainly by the thickness of the layers and the size of the particles 1: the greater the thickness of the layer, the more the flow rate of binder 10 will have to increase. This nozzle 4 is controlled in opening / closing, and its flow rate is preferably regulated by the computer control system 6, in particular by adjusting the pressure exerted on the binder 10. The number of orifices in play can be adjusted in the same way , as well as the shape and dimensions of the nozzle.
L'ensemble 7 qui permet le déplacement de la buse 4 peut être constitué d'une potence articulée en rotation autour de l'axe Z et dont le bras horizontal permet le déplacement sur une, grande distance d'un chariot qui contient la buse de coulée 4.The assembly 7 which allows the displacement of the nozzle 4 may consist of a bracket articulated in rotation about the axis Z and whose horizontal arm allows the movement over a long distance of a carriage which contains the nozzle casting 4.
Le dispositif de chauffage 5 du liant 10 alimente la buse de coulée 4. Il permet de fondre le liant 1 0 par chauffage à une température supérieure à son point de coulée de goutte. Il s'agit, dans une version simplifiée, d'un récipient chauffé électriquement par exemple, en surplomb de la buse 4 et relié à elle par un tuyau lui-même chauffé. Il est contrôlé par le système de pilotage informatique 6.The heater 5 of the binder 10 feeds the pouring nozzle 4. It melts the binder 1 0 by heating to a temperature above its drop pour point. It's about, in a simplified version, of an electrically heated container for example, overhanging the nozzle 4 and connected to it by a pipe itself heated. It is controlled by the computer control system 6.
Le système de pilotage informatique 6 assure la commande de tous les éléments du dispositif. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, il s'agit d'un système de commandes électromécaniques et/ou électro-pneumatiques et/ou tout autre type de mécanismes, qui est piloté par un système informatique détenant les données sur la pièce à réaliser. Il peut être par exemple constitué d'un ordinateur dont des sorties analogiques et/ou numériques sont connectés à des automates qui commandent eux- mêmes par exemple des vérins pneumatiques, ou des moteurs électriques pas à pas alliés à des pièces et systèmes mécaniques, qui coordonnent les mouvements et ouvertures de la buse 4 selon le chemin demandé par l'ordinateur, qui effectuent le déplacement du fond de l'enceinte 2 en fin de cycle, qui réalisent la répartition de la poudre en des couches d'épaisseur définies et qui contrôlent le chauffage du liant 10.The computer control system 6 controls all the elements of the device. In a preferred embodiment of the invention, it is an electromechanical and / or electro-pneumatic control system and / or any other type of mechanism, which is controlled by a computer system holding the data on the part. to achieve. It can for example be made up of a computer whose analog and / or digital outputs are connected to automata which themselves control, for example pneumatic cylinders, or electric stepper motors combined with mechanical parts and systems, which coordinate the movements and openings of the nozzle 4 according to the path requested by the computer, which move the bottom of the enclosure 2 at the end of the cycle, which distribute the powder into layers of defined thickness and which control the heating of the binder 10.
Le dépôt du liant 10 peut prendre plusieurs formes en fonction de l'orifice de la buse 4. Les figures 14. a, 14. b et 14. c illustrent plusieurs types de dépôts suivant des modes de réalisation préférés du dispositif suivant l'invention, obtenus respectivement à partir d'une buse à simple orifice rond, d'une buse à triple orifice et commandée en rotation et d'une buse à orifice longitudinal commandée en rotation.The deposition of the binder 10 can take several forms depending on the orifice of the nozzle 4. Figures 14. a, 14. b and 14. c illustrate several types of deposition according to preferred embodiments of the device according to the invention , obtained respectively from a nozzle with a single round orifice, a nozzle with a triple orifice and controlled in rotation and a nozzle with a longitudinal orifice controlled in rotation.
Le liant 10 peut ainsi, suivant les cas, être déposé en filet simple, ou en plusieurs filets, ou en nappe, selon la forme de l'orifice. Ceci permet de recouvrir de larges surfaces en un temps limité. Forme et dimensions peuvent être réglées en conjonction avec le débit de liant et la vitesse de déplacement de la buse de manière à toujours respecter les conditions de température à imposer au liant déposé sur le lit de particules.The binder 10 can thus, depending on the case, be deposited in a simple net, or in several nets, or in a sheet, depending on the shape of the orifice. This allows large areas to be covered in a limited time. Shape and dimensions can be adjusted in conjunction with the binder flow and the nozzle displacement speed so as to always comply with the temperature conditions to be imposed on the binder deposited on the particle bed.
La buse 4 possède de préférence un orifice à section variable, par exemple à section rectangulaire de plus grande longueur variable. Ce moyen de réglage des conditions de coulée du liant est particulièrement utile dans le procédé suivant l'invention. Il peut en effet suffire de jouer sur ce paramètre pour recouvrir des surfaces de couches variables tout en conservant les mêmes conditions de débit ponctuel de liant tel qu'il peut être nécessaire, pour une couche de particules déterminée, afin d'assurer de manière régulière un taux de remplissage correct de l'espace entre particules et l'efficacité de liaison désirée.The nozzle 4 preferably has a variable section orifice, for example with a larger rectangular section. variable length. This means of adjusting the binder pouring conditions is particularly useful in the process according to the invention. It may indeed be sufficient to play on this parameter to cover surfaces with variable layers while maintaining the same conditions of punctual flow of binder as may be necessary, for a determined layer of particles, in order to ensure in a regular manner. a correct filling rate of the space between particles and the desired binding efficiency.
La description qui précède explique clairement comment l'invention permet d'atteindre les objectifs qu'elle s'est fixés. En particulier, elle fournit un procédé et un dispositif pour la fabrication précise de pièces tridimensionnelles de bonne résistance mécanique, constituées à partir de matériaux thermoplastiques fusibles tels les cires et les paraffines.The foregoing description clearly explains how the invention achieves the objectives it has set for itself. In particular, it provides a method and a device for the precise manufacture of three-dimensional parts of good mechanical strength, made from fusible thermoplastic materials such as waxes and paraffins.
Les applications principales de l'invention sont la réalisation de prototypes en paraffine qui seront moulés dans du plâtre réfractaire, dans de la céramique, ou dans du sable de fonderie, afin de donner lieu après l'évacuation de la paraffine par fusion à un moule de fonderie. La pièce métallique ainsi coulée dans le moule sera la réplique, au retrait dimensionnel prés, de la pièce fabriquée en paraffine. Cette application concernera particulièrement les pièces de grande taille, châssis de machine- outil, carters de grandes dimensions et statues d'art monumentales.The main applications of the invention are the production of paraffin prototypes which will be molded in refractory plaster, in ceramic, or in foundry sand, in order to give rise after the paraffin is removed by fusion to a mold. foundry. The metal part thus cast in the mold will be the replica, near dimensional shrinkage, of the part made of paraffin. This application will particularly concern large parts, machine tool chassis, large casings and monumental art statues.
Ce nouveau procédé de prototypage particulièrement adapté aux grandes pièces pourra aussi être appliqué à la réalisation de moules pour la fabrication de carapaces en résine telles que des coques de bateaux, des carrosseries plastique d'automobiles et autres.This new prototyping process, particularly suited to large parts, can also be applied to the production of molds for the manufacture of resin shells such as boat hulls, plastic bodywork for cars and others.
En dernier exemple, le procédé suivant l'invention pourra être utilisé pour la fabrication à faible coût de maquettes esthétiques en grandeur nature de prototypes tels qu'une nouvelle voiture, de l'électroménager, des décors, etc. Les maquettes pourront être peintes et décorées. As a final example, the process according to the invention could be used for the low-cost manufacture of full-scale aesthetic models of prototypes such as a new car, household appliances, decorations, etc. The models can be painted and decorated.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 . Procédé de fabrication de pièces tridimensionnelles par liaison et solidification de sections successives superposées,1. Method for manufacturing three-dimensional parts by bonding and solidifying successive superposed sections,
comportant : la réalisation d'un cycle répétitif comprenant : - le dépôt d'une couche de poudre d'un matériau sous forme d'un lit de particules (1 ) d'épaisseur déterminée,comprising: carrying out a repetitive cycle comprising: - depositing a layer of powder of a material in the form of a bed of particles (1) of determined thickness,
- et la coulée, sur ladite couche de particules (1 ), selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, d'un matériau liant ( 10) sous forme liquide, pour produire, après migration dudit liant (1 0) à travers ladite couche et solidification dudit liant (10), une section constituée d'une couche de particules (1 ) liées, sur laquelle est déposée la couche de particules ( 1 ) suivante, puis l'évacuation desdites particules (1 ) non liées de façon à ' dégager ladite pièce formée,- And the casting, on said layer of particles (1), along a path predetermined by the shape of the part to be obtained, of a binder material (10) in liquid form, to produce, after migration of said binder (1 0) through said layer and solidification of said binder (10), a section consisting of a layer of linked particles (1), on which the next layer of particles (1) is deposited, then the removal of said unbound particles (1) so as to 'disengage said formed piece,
procédé caractérisé en ce que lesdites particules (1 ) et ledit liant (10) sont constitués de matériaux thermoplastiques fusibles chimiquement compatibles et en ce que ledit matériau liant (10) est chauffé avant la coulée à une température qui est supérieure à son point de coulée de goutte et suffisamment élevée pour provoquer la fusion superficielle des particules (1 ) avec lesquelles il entre en contact, de façon à réaliser sa liaison avec celles-ci après solidification, et en ce que la liaison de deux sections successives est réalisée, par le même processus de fusion superficielle et solidification, entre des particules (1 ) situées à l'interface des deux sections et chacune des deux couches successives de liant, ou directement entre les deux couches successives de liant (10).process characterized in that said particles (1) and said binder (10) consist of chemically compatible fusible thermoplastic materials and in that said binder material (10) is heated before casting to a temperature which is higher than its casting point drop and high enough to cause the surface fusion of the particles (1) with which it comes into contact, so as to achieve its connection with them after solidification, and in that the connection of two successive sections is achieved, by same process of surface fusion and solidification, between particles (1) located at the interface of the two sections and each of the two successive layers of binder, or directly between the two successive layers of binder (10).
2. Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que la température de chauffage dudit liant ( 1 0) avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température dudit liant (10), lorsqu'il est en contact avec ledit matériau en poudre (1 ), est supérieure au point de goutte de ce dernier.2. Method according to claim 1, characterized in that the heating temperature of said binder (1 0) before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen such that the temperature of said binder (10), when it is in contact with said powder material (1), is higher than the drop point of the latter.
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la température de chauffage dudit liant (1 0) avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies, en liaison avec la taille desdites particules (1 ), de telle façon que la fusion desdites particules (1 ) ne se fasse pas jusqu'à cœur.3. Method according to claim 2, characterized in that the heating temperature of said binder (1 0) before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen, in conjunction with the size of said particles (1), such so that the fusion of said particles (1) does not take place to the core.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de chacune desdites couches de particules ( 1 ) est choisie de façon à être comprise entre 1 et 10 fois, de préférence entre 2 et 5 fois, la taille des plus grosses particules, et suffisamment faible pour assurer une bonne précision dimensionnelle.4. Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the thickness of each of said layers of particles (1) is chosen so as to be between 1 and 10 times, preferably between 2 and 5 times , the size of the largest particles, and small enough to ensure good dimensional accuracy.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse de déplacement de la coulée et le débit de coulée dudit liant (10) sont régulés de telle sorte que le volume dudit liant (10) coulé sur ladite couche soit au moins égal à 80 % du volume d'air présent entre lesdites particules (1 ) sur la surface de ladite couche recevant ladite coulée et sur une épaisseur égale à celle de ladite couche.5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the speed of displacement of the casting and the rate of casting of said binder (10) are regulated so that the volume of said binder (10) poured onto said layer is at least equal to 80% of the volume of air present between said particles (1) on the surface of said layer receiving said flow and over a thickness equal to that of said layer.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température de chauffage dudit l iant (1 0) avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température dudit matériau liant (10) est supérieure à son point de coulée de goutte lorsqu'il entre en contact avec ladite poudre (1 ), et qu'elle atteint son point de solidification immédiatement après le moment où ledit liant (1 0) atteint la section précédente. 6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the heating temperature of said l iant (1 0) before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen so that the temperature of said binder material (10) is greater than its drop pour point when it comes into contact with said powder (1), and that it reaches its solidification point immediately after the moment when said binder (1 0) reaches the section previous.
7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau liant (10) est choisi de telle sorte que son point de solidification soit proche de son point de coulée de goutte, et la température de chauffage dudit liant (10) avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température dudit matériau liant (10) lorsqu'il entre en contact avec ladite poudre (1 ) soit juste supérieure à son point de coulée de goutte, de façon à ce que sa migration dans ladite couche de poudre (1 ) soit bloquée suffisamment vite pour obtenir une bonne précision dimensionnelle.7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that said binder material (10) is chosen so that its solidification point is close to its drop pour point, and the heating temperature of said binder (10) before casting, the casting height and the ambient temperature are chosen so that the temperature of said binder material (10) when it comes into contact with said powder (1) is just above its pour point drop, so that its migration into said powder layer (1) is blocked quickly enough to obtain good dimensional accuracy.
8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la température de chauffage et le volume dudit liant (10) coulé sur ladite couche de particules (1 ) sont choisis, en liaison avec la taille desdites particules (1 ) et l'épaisseur de ladite couche de particules (1 ), de telle sorte que des particules (1 ) dépassent en partie de ladite section après solidification, et que le liant (10) coulé sur la couche suivante entre en contact avec ces particules (1 ) à une température supérieure au point de goutte du matériau les constituant, de telle manière que la liaison de deux sections successives est réalisée, par fusion superficielle et solidification, entre lesdites particules (1 ) et chacune des deux couches successives (N-1 et N) de liant (10).8. Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the heating temperature and the volume of said binder (10) poured onto said layer of particles (1) are chosen, in connection with the size of said particles ( 1) and the thickness of said layer of particles (1), so that particles (1) partly protrude from said section after solidification, and so that the binder (10) poured onto the next layer comes into contact with these particles (1) at a temperature higher than the drop point of the material constituting them, in such a way that the connection of two successive sections is achieved, by surface fusion and solidification, between said particles (1) and each of the two successive layers (N -1 and N) of binder (10).
9. Procédé suivant la revendications 8, caractérisé en ce que les conditions de coulée, notamment la température de chauffage et le volume dudit liant (10) coulé sur ladite couche de particules (1 ), sont telles que ledit liant (10) coulé sur une couche entre également en contact avec le matériau liant (1 0) solidifié de la section précédente, à une température supérieure à son point de goutte, de telle manière que la liaison de deux sections successives soit également réalisée, par fusion superficielle et solidification, directement entre les deux couches successives (N- 1 et N) de liant (10). 9. Method according to claim 8, characterized in that the casting conditions, in particular the heating temperature and the volume of said binder (10) cast on said layer of particles (1), are such that said binder (10) cast on a layer also comes into contact with the binder material (1 0) solidified from the previous section, at a temperature above its drop point, so that the connection of two successive sections is also achieved, by surface fusion and solidification, directly between the two successive layers (N- 1 and N) of binder (10).
10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdites particules (1 ) et ledit liant (1 0) sont constitués de matériaux de même nature.10. Method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that said particles (1) and said binder (1 0) are made of materials of the same kind.
11 . Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites particules (1 ) et ledit liant (10) sont constitués de cire, notamment de paraffine.11. Method according to Claim 10, characterized in that the said particles (1) and the said binder (10) consist of wax, in particular paraffin.
12. Dispositif pour la fabrication de pièces tridimensionnelles, par liaison et solidification de sections successives superposées, caractérisé en ce qu'il comporte :12. Device for manufacturing three-dimensional parts, by bonding and solidifying successive superposed sections, characterized in that it comprises:
- une enceinte (2) pour recevoir des couches successives de poudre d'un matériau thermoplastique fusible sous forme de particules (1 ), dont le fond est mobile verticalement suivant l'axe Z d'un repère trirectangle XYZ entre chaque dépôt d'une desdites couches, d'une distance égale à l'épaisseur de la couche de particules (1 ) suivante,- An enclosure (2) for receiving successive layers of powder of a fusible thermoplastic material in the form of particles (1), the bottom of which is movable vertically along the Z axis of a XYZ cross-reference frame between each deposit of a said layers, by a distance equal to the thickness of the next layer of particles (1),
- un système (3) de dépôt et de répartition de ladite poudre (1 ) en surface de ladite enceinte (2), permettant d'obtenir des couches d'épaisseur régulière,a system (3) for depositing and distributing said powder (1) on the surface of said enclosure (2), making it possible to obtain layers of regular thickness,
- une buse de coulée (4) se déplaçant au moins dans un plan XY et déposant un liant (10), constitué d'un matériau thermoplastique fusible chimiquement compatible avec le matériau constituant ladite poudre (1 ), et sous forme liquide, sur ladite couche de particules (1 ), selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, ladite buse de coulée (4) comportant au moins un orifice de section variable,- a pouring nozzle (4) moving at least in an XY plane and depositing a binder (10), made of a fusible thermoplastic material chemically compatible with the material constituting said powder (1), and in liquid form, on said layer of particles (1), along a path predetermined by the shape of the part to be obtained, said pouring nozzle (4) comprising at least one orifice of variable section,
- un dispositif de chauffage (5) dudit liant (10) alimentant ladite buse de coulée (4),- a heating device (5) of said binder (10) supplying said pouring nozzle (4),
- un système de pilotage informatique (6) pour le contrôle du déplacement de ladite buse (4) et du fond de ladite enceinte (2), dudit système de dépôt et de répartition (3), de la température dudit dispositif de chauffage (5) et de la variabilité de ladite section variable,- a computer control system (6) for controlling the movement of said nozzle (4) and of the bottom of said enclosure (2), of said deposition and distribution system (3), of the temperature of said heating device (5) and the variability of said variable section,
ledit système de pilotage (6) étant configuré, en fonction des paramètres que sont notamment la forme de la pièce à fabriquer et le degré de précision nécessaire, la taille desdites particules (1 ), le point de goutte dudit matériau sous forme de particules ( 1 ), le point de coulée de goutte et le point de solidification du matériau liant (10), la température ambiante et la hauteur de coulée,said control system (6) being configured, according to parameters such as the shape of the part to be manufactured and the degree of precision required, the size of said particles (1), the drop point of said material in the form of particles ( 1), the drop pour point and the solidification point of the binder material (10), the ambient temperature and the casting height,
pour contrôler les conditions de coulée et notamment l'épaisseur desdites couches de particules (1 ), la température de chauffage dudit liant (10), le trajet et la vitesse de déplacement ainsi que le débit de ladite buse (4), et la largeur de ladite section variable,to control the casting conditions and in particular the thickness of said layers of particles (1), the heating temperature of said binder (10), the path and the speed of movement as well as the flow rate of said nozzle (4), and the width of said variable section,
de manière à assurer que :so as to ensure that:
- ledit matériau liant ( 10) se trouve dans ladite buse (4) à une température supérieure à son point de coulée de goutte,- said binder material (10) is located in said nozzle (4) at a temperature above its drop pour point,
- il se produise une fusion superficielle et non à cœur des particules (1 ) sur lesquelles ledit liant (10) est coulé, sans toutefois que la température desdites particules (1 ) n'atteigne leur point de coulée de goutte,- there is a surface fusion and not at the heart of the particles (1) on which said binder (10) is poured, without however the temperature of said particles (1) reaching their drop pour point,
- la migration dudit liant (10) soit réalisée à travers toute l'épaisseur de ladite couche de particules (1 ), mais n'excède pas cette épaisseur,the migration of said binder (10) is carried out through the entire thickness of said layer of particles (1), but does not exceed this thickness,
- des particules relativement grosses dépassent en partie de chacune desdites sections et leur fusion superficielle est provoquée par l'entrée en contact avec le liant (10) coulé sur la couche suivante après migration de celui-ci à travers cette couche, de telle sorte que la liaison entre deux sections successives est réalisée, après solidification, entre lesdites particules relativement grosses et chacune des deux couches successives (N-1 et N) de liant, - ledit liant (10) coulé sur une couche de particules (1 ) atteigne au moins par endroits le liant (10) solidifié de la section précédente et provoque sa fusion superficielle, de telle sorte que liaison entre deux sections successives est également réalisée, après solidification, directement entre les deux couches successives (N-1 et N) de liant (10). - relatively large particles partly protrude from each of said sections and their surface melting is caused by coming into contact with the binder (10) cast on the next layer after migration of the latter through this layer, so that the connection between two successive sections is carried out, after solidification, between said relatively large particles and each of the two successive layers (N-1 and N) of binder, - Said binder (10) cast on a layer of particles (1) reaches at least in places the binder (10) solidified from the previous section and causes its surface fusion, so that connection between two successive sections is also carried out, after solidification, directly between the two successive layers (N-1 and N) of binder (10).
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