WO2022148934A1 - Dispositif d'impression tridimensionnelle à contrôle du refroidissement de matière en fusion - Google Patents

Dispositif d'impression tridimensionnelle à contrôle du refroidissement de matière en fusion Download PDF

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WO2022148934A1
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François MIGEOT
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    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Definitions

  • the present invention relates to the field of three-dimensional printing, also called additive manufacturing.
  • the present invention relates more particularly to a three-dimensional printing device allowing temperature regulation at the level of the stream of molten material, at the outlet of a print head nozzle.
  • the invention also relates to a three-dimensional printing machine comprising the printing device.
  • three-dimensional printing device within the meaning of the present invention, is meant throughout the following description a device comprising a set of means allowing the conveyance and/or the generation of molten material to a nozzle ejecting the material in fusion, for example from a tank or a hopper containing the material to be printed.
  • Such a device comprises for example a heating extraction system comprising a conduit for conveying material connected to the reservoir or to the hopper, a member for moving the material in the conveying conduit, for example an extraction screw, a member for heating the material to bring it to fusion and a printing head provided with the nozzle.
  • a heating extraction system comprising a conduit for conveying material connected to the reservoir or to the hopper, a member for moving the material in the conveying conduit, for example an extraction screw, a member for heating the material to bring it to fusion and a printing head provided with the nozzle.
  • the present invention will thus find many advantageous applications in the field of three-dimensional printing, and in particular in the printing of parts based on materials requiring controlled cooling.
  • the plurality of materials that can be used including resin, thermoplastics, wax, metal (for example aluminum, steel, titanium, platinum, etc.), plaster, ceramics or even glass, participate in the variety of achievable objects.
  • the parts are made by stacking successive layers of material in fusion and progressive cooling.
  • it is known to employ three-dimensional printing installations or machines comprising a platen and a printhead fitted with a nozzle, the printhead and/or the platen being able to move relative to each other in order to deposit on the plate a trickle of molten material extracted from the nozzle, the depositing of the trickle of molten material taking place in layers or strata in order to design a part.
  • three-dimensional printing processes must take into account the cooling rate of the molten material and the change in its physical properties. These parameters may vary not only depending on the material selected but also during printing via changes in external conditions and/or the constant heat input resulting from the supply of molten material.
  • the present invention aims to improve the current situation described above.
  • the present invention aims more particularly to remedy the above drawbacks by proposing a printing device capable of controlling the temperature during printing, that is to say during the depositing of the stream of molten material by layer or stratum, on the plateau.
  • a printing device capable of controlling the temperature during printing, that is to say during the depositing of the stream of molten material by layer or stratum, on the plateau.
  • the object of the present invention relates in a first aspect to a three-dimensional printing device comprising a print head provided with a nozzle through which a stream of molten material emerges.
  • the stream of material is usually deposited vertically, being subject to gravity. It is also possible to conceive of a stream of material being deposited along another trajectory by ejection at a certain speed along a predetermined direction.
  • the printing device can comprise a variety of means allowing the supply of molten material to the print head.
  • the print head comprises for example a body comprising internal heating means of the heating cartridge type, so as to form a hot block surrounding a channel for conveying molten material to the nozzle and allowing the ejection of material in melting at a controlled temperature.
  • the device comprises means for controlling the temperature of the environment of the stream of molten material, the control means comprising at least one system for conveying a gaseous fluid at a controlled temperature in the environment of the nozzle outlet.
  • one or more delivery systems bring one or more gaseous fluids at a controlled temperature to the level of the outlet of the nozzle, the gaseous fluid or the mixture of gaseous fluids making it possible to regulate the temperature in the direct environment. or enlarged stream of molten material as soon as it leaves the nozzle.
  • their temperatures can be the same or different, the mixture of the fluids making it possible to obtain the desired regulated temperature.
  • control means can be used to complete a more global regulation system, the control means allowing precise temperature adjustment at the nozzle outlet.
  • the stream of molten material is in a temperature-controlled environment as soon as it leaves the nozzle, which makes it possible to ensure controlled cooling of each layer of material deposited during three-dimensional printing.
  • This control of the temperature in the environment of the stream of molten material at the nozzle outlet makes it possible to ensure cohesion between the layers of material of the part being manufactured and avoids deformations of the part due to the forces exerted between the layers of material causes one layer of material to cool too quickly or too slowly relative to the next while the part is being printed.
  • the gaseous fluid is air.
  • the routing system comprises for example an outside air inlet coupled to a speed-controlled fan generating an air circulation flow, the air possibly being subjected to subsequent treatments, for example being cooled or heated.
  • gaseous fluids can be selected, for example according to criteria of thermal conductivity or heat capacity.
  • control means comprise a first system for conveying a first gaseous fluid at a first temperature and a second system for conveying a second gaseous fluid at a second temperature, the mixture of the first gaseous fluid and of the second gaseous fluid making it possible to obtain the gaseous fluid at a controlled temperature in the environment of the outlet of the nozzle.
  • the mixing of the first and second gaseous fluids makes it possible to vary the temperature of the environment of the outlet of the nozzle between the first and the second temperature by adjusting their respective flow rates. Depending on the design, the mixing can take place in the nozzle outlet environment or even upstream for the delivery of a temperature-controlled gaseous fluid to the nozzle outlet environment.
  • the gaseous fluid is the temperature-controlled fluid in the environment of the outlet of the nozzle, the first gaseous fluid being conveyed by the first conveying system and having a first temperature, the second gaseous fluid being conveyed by the second conveying system and having a second temperature. It is possible to design first and second gaseous fluids of similar compositions or else of different compositions, the gaseous fluid becoming a proportional mixture of the first and second gaseous fluids.
  • the first gaseous fluid is conveyed according to a first trajectory and the second gaseous fluid is conveyed according to a second trajectory, the first trajectory and the second trajectory meeting in the environment of the outlet of the nozzle where s performs the mixing of the first fluid and the second fluid.
  • the first trajectory defines a first flow axis of the first gaseous fluid perpendicular to the trajectory of the stream of material leaving the nozzle and the second trajectory defines a second flow axis of the second gaseous fluid parallel to the trajectory of the trickle of material leaving the nozzle.
  • first flow axis and the second flow axis are oriented perpendicular to each other so as to facilitate the mixing of the first fluid and the second fluid.
  • the design of the first and second routing systems is also simplified by taking as reference direction the trajectory of the stream of material leaving the nozzle.
  • it is possible to envisage a variety of alternative orientations of the first and of the second axes of flow for example a first and a second axes both oriented at 45° with respect to the trajectory of the stream of material at the outlet. of the nozzle, so as to intersect the thread of material, preferably at the same point close to the outlet of the nozzle.
  • the first and second paths may also be slightly offset with respect to the first and second flow axes as defined while fulfilling the same technical functions.
  • first axis of flow perpendicular to the trajectory of the stream of material results in a first trajectory that can intercept the stream of material as close as possible to the outlet of the nozzle, in particular by positioning the first axis of flow in a plane perpendicular to the trajectory of the stream of material and intersecting the outlet of the nozzle.
  • This advantage is combined with that of the second axis of flow parallel to the trajectory of the stream of material, so that the first trajectory can intercept the second trajectory and that the first and the second gaseous fluid mix as close as possible to the exit of the nozzle.
  • the first routing system comprises a first duct provided with a first extraction orifice and a first fan making it possible to convey the first gaseous fluid along the first duct to the first extraction orifice .
  • the first fan makes it possible to generate a movement of the first gaseous fluid in the first duct in the direction of the first extraction orifice.
  • the first extraction orifice is for example oriented so that the first gaseous fluid comes out of the first duct along the first trajectory.
  • the first extraction orifice can also have a specific shape making it possible to define the shape according to which the first gaseous fluid leaves the first duct or even making it possible to define a specific flow rate, for example in combination with a control of the first fan.
  • the first duct may correspond to a variety of sealed hollow elements whose internal shape defines the circulation of the first gaseous fluid, for example a rigid or semi-rigid pipe or even a hollow metal casing.
  • the first fan can be positioned upstream of the first duct or even inside the latter, the first routing system comprising an inlet allowing the supply of gaseous fluid to the first duct and/or the first fan.
  • the second conveying system comprises a second conduit provided with a second extraction orifice and a second fan making it possible to convey the second gaseous fluid to the second orifice. extraction and a heating system configured to heat the second gaseous fluid during its flow in the second conduit.
  • the system for heating the second gaseous fluid is placed inside the second pipe.
  • the second duct, the second orifice and the second fan can be defined in a manner similar respectively to the first duct, first orifice and first fan as described above.
  • the heating system makes it possible to control the temperature of the second gaseous fluid so that the second gaseous fluid reaches the second temperature before it is mixed with the first gaseous fluid.
  • the second gaseous fluid enters, for example, the second conveying system at an initial temperature corresponding to the first temperature before being heated by the heating system.
  • the first and the second gaseous fluids can thus be conditioned at the same temperature if they have a different composition, come from a single source if they have the same composition or even come from the ambient environment if their composition and the first temperature correspond to those of the surrounding environment.
  • the heating system may include one or more resistors arranged inside or outside the second conduit, powered and optionally controlled together with the printing device.
  • the heating system may also comprise at least one water channel supplied externally to the printing device, for example via two hot and cold water inlets, the heating system being able to be controlled by changing the supply circuit water and the second gaseous fluid being heated by heat exchange with the water channel disposed in or around the second conduit.
  • the printhead is positioned inside the second duct with its nozzle positioned at the second extraction orifice so that the environment of the nozzle outlet matches the environment external to the second extraction orifice.
  • the second gaseous fluid is conveyed in the second duct to the second orifice, which substantially coincides with the nozzle of the print head, so that the stream of material leaving the nozzle is directly surrounded by at least the second gaseous fluid.
  • the positioning of the print head in the second duct makes it easier to design a second duct whose second extraction orifice is as close as possible to the nozzle.
  • This design can be combined with the design of the first and the second path of the first and second gaseous fluids as described above, or in any other way making it possible to ensure a mixing of the first and second gaseous fluids directly at the outlet of the nozzle.
  • the heating system is positioned around the printhead.
  • This design makes it possible to facilitate the arrangement of the heating system and of the printing head inside the second duct, the two elements being able to be assembled together by a variety of assembly means.
  • the second duct can be designed so that the second gaseous fluid circulates along the print head in the direction of the second extraction orifice and interacts at the same time with the heating system. The second gaseous fluid is thus heated just before reaching the second extraction orifice to limit any heat loss.
  • the three-dimensional printing device includes a thermal insulation system for the print head.
  • the thermal insulation of the print head makes it possible to limit any form of heat exchange between the print head and its external environment and to assist a variety of temperature regulations at the time.
  • the printhead can constitute a hot block comprising a channel of material whose objective is to keep said material at a given temperature to keep it molten, the printhead comprising for example heating cartridges surrounding the material channel, the thermal insulation makes it possible to avoid the loss of heat from the hot block and therefore from the material channel while limiting the heating of the environment of the print head, this environment being able to be according to the design l three-dimensional printing environment in general, which must be controlled for the cooling of the part, or even the interior of the second conduit, the heating of the second gaseous fluid also being regulated to reach the second temperature.
  • the three-dimensional printing device comprises a system for measuring the temperature in the environment of the outlet of the nozzle.
  • the measurement system can include one or more sensors arranged in the environment of the outlet of the nozzle and makes it possible to verify that the temperature in said environment is that sought to allow the appropriate cooling rate.
  • the control means are configured to manage the temperature in the environment of the outlet of said nozzle depending on the type of material and the speed of said stream of molten material at the nozzle outlet.
  • Variants are possible without any temperature measurement in the environment of the nozzle outlet and without any servo-control, simply by carrying out regulation by controlling the cold and hot gaseous fluids by means of pre-established equations, in order to obtain a mixture of gaseous fluid at the desired temperature in the environment of the nozzle outlet.
  • control means are configured to adapt their operation according to a plurality of parameters reflecting the desired cooling rate and therefore depending on the printing material, the speed of application or even other parameters, for example the shape of the part and the delay between the removal of two successive layers.
  • the control means comprise for example a plurality of adjustable operating modes, each operating mode being specific to a combination of a material and a deposition speed.
  • the three-dimensional printing device may comprise a programmable or reprogrammable electronic card allowing the control means to be controlled or even communicate with a PLC or an external electronic card controlling the control means, for example an electronic card integrated in a three-dimensional printing machine as described below.
  • the three-dimensional printing device comprises a material storage hopper in granules and a heating extraction system making it possible to convey the material from the hopper to the printing head by melting the matter.
  • the heating extraction system and the storage hopper are suitable for storing and conveying granules so that the print head is supplied with molten material.
  • the material can also be stored in other forms, for example in wire form, the extraction system and the storage means being suitable for storing and supplying the selected form of material.
  • a second aspect of the present invention relates to a three-dimensional printing machine, which comprises a three-dimensional printing device according to the first aspect of the invention. It is understood here that the three-dimensional printing device comprising the control means is integrated into the three-dimensional printing machine so as to allow the depositing of a stream of molten material in the three-dimensional printing machine.
  • the printing machine may comprise a plate for receiving the part during its printing, the receiving plate comprising a plate for receiving the molten material arranged to be placed in the path of the thread of molten material, for example perpendicular to the trajectory of said stream of molten material.
  • the machine may also include a variety of means for moving and/or controlling movement of the platen and/or print head relative to each other, and be configured to transmit power and/or operating information to the three-dimensional printing device and/or the receiving tray.
  • the printing device and the machine can be designed jointly so as to facilitate the integration of the printing device with the machine, or even separately allowing assembly according to standardized characteristics.
  • the Applicant proposes a three-dimensional printing device making it possible to control the environment of the stream of molten material and its cooling.
  • Figure 1 shows a schematic perspective view of a downstream part of a three-dimensional printing device with molten material cooling control according to an exemplary embodiment of the present invention, said downstream part having the head of printing of said device.
  • Figure 2 shows a schematic view according to a first sectional plane of the downstream part of the device according to Figure 1.
  • Figure 3 shows a schematic view according to a second sectional plane of the downstream part of the device according to Figure 1.
  • Figure 4 shows a schematic view according to a third sectional plane of the downstream part of the device according to Figure 1.
  • Figure 5 shows a schematic view according to a fourth section plane of the downstream part of the device according to Figure 1.
  • Figure 6 shows a schematic overall view and profile of a three-dimensional printing device comprising said downstream part according to Figures there 5, a storage hopper and a meltable material heating extraction system.
  • Figure 7 shows a schematic view of a three-dimensional printing machine on which will be implemented a three-dimensional printing device according to Figure 6.
  • the cooling of the molten material must be controlled to allow each layer deposited to adhere to the previous one and to gradually harden during the printing of a part, and this in an appropriate manner. to the printing process, the shape of the part and the printing material selected.
  • One of the objectives of the present invention consists in allowing control of the cooling of the molten material during its deposit on a layer of material previously deposited during the three-dimensional printing of the part.
  • FIG. 6 illustrates a three-dimensional printing device 1000 developed within the framework of the present invention, which will be implemented on a three-dimensional printing machine 2000 illustrated in FIG. 7, for the three-dimensional printing of a part.
  • the three-dimensional printing device and the three-dimensional printing machine are respectively named in the remainder of the description “device 1000” and “machine 2000”.
  • the device 1000 is not represented on the machine 2000 for a better reading of this FIG. 7.
  • the machine 2000 comprises a reception plate 3000 comprising a plate 3010 configured to receive the molten material in layers or strata during the printing of the part.
  • the machine 2000 comprises a carriage 2010 on which the device 1000 will be removably mounted.
  • the reception plate 3000 and/or the plate 3010 and/or carriage 2010 can be articulated so as to be able to be moved inside the machine 2000 or else one vis-à-vis the other according to a plurality of movements, for example according to three axes translation, depending on the shape of the part to be printed in three dimensions.
  • the machine 2000 comprises a first transmission system 2020 making it possible to move the carriage 2010 along the two directions X and Y of the reference X, Y, Z and a second transmission system 2030 making it possible to move the receiving plate 3000 along the direction Z of the X, Y, Z marker.
  • Variants are possible, for example a fixed device 1000, designed specifically and integrated into the machine 2000, or even a removable device 1000 assembled directly on the frame 2040 of the machine 2000.
  • the removable nature of the device 1000 has the advantage of allowing said device 1000 to be replaced by another having or not having the characteristics which are the subject of the invention, for example for an adaptation of the device 1000 to the machine 2000 in depending on the type of part to be printed and the fusible material used for printing this part.
  • this device 1000 comprises a print head 1100 provided with a nozzle 1110 ejecting molten material from a material channel 1130.
  • the fusible material comes from a material storage hopper 1500 in granules and conveyed to the material channel 1130 of the print head 1100 via a heating extraction system 1600 configured to move the fusible material in pellets while melting it.
  • a heating extraction system 1600 comprises for example an endless screw receiving the material coupled to a resistor or any other heating means configured to bring the material to melt.
  • the printhead 1100 also includes internal heating means configured to maintain the molten material inside the material channel 1130 and/or to ensure a precise temperature of the material when it is ejected by the nozzle 1110
  • internal heating means take for example the form of heating cartridges 1120 as illustrated in FIG.
  • the printing device 1000 is in a fixed position as illustrated by FIG. 6 and is configured to eject a stream of material in fusion subjected to the gravity and in a vertical way.
  • the two axes Xi and X2 such that:
  • the first axis Xi is perpendicular to the trajectory of the stream of molten material, i.e. horizontal;
  • the second axis X2 is parallel to the trajectory of the stream of molten material, i.e. vertical.
  • the first axis Xi is more precisely positioned so as to intersect the trajectory of the stream of molten material and is located between 1mm and 5mm below the horizontal plane intersecting the nozzle 1110, while the second axis X2 coincides with the trajectory of the trickle of molten material.
  • the axes Xi and X2, in particular the first axis Xi, can also be slightly offset or inclined with respect to their positions as defined in this description, without departing from the scope of the invention.
  • the printing device 1000 comprises means for controlling the temperature comprising a first and a second systems for conveying a first and a second gaseous fluid in the environment of the outlet of the nozzle 1110.
  • the first routing system comprises a first duct 1210, here a preferably metallic hollow casing, allowing the circulation of a first gaseous fluid as far as a first extraction orifice 1211.
  • the first extraction orifice 1211 is advantageously configured to allow the ejection downstream of the first gaseous fluid along a first trajectory defining the first axis Xi (FIGS. 1 and 5).
  • a first fan 1220 disposed inside the first duct 1210 generates the flow of the first gaseous fluid from a first inlet 1221 (FIG. 4), for example a first inlet 1221 connected to the external environment of the machine 2000.
  • This design makes it possible in particular to generate an air circulation flow at a first temperature corresponding to the temperature of the external environment, but it is of course possible to design a variety of first routing systems allowing the ejecting a first gaseous fluid, air or another gas, along the first trajectory from various upstream sources.
  • the second routing system comprises a second conduit 1310 allowing the circulation of a second gaseous fluid as far as a second extraction orifice 1311 allowing the ejection of the second gaseous fluid according to a second trajectory defining the second axis X2.
  • the second routing system comprises a second fan 1320 disposed inside the second duct 1310 and allowing the circulation of the second gaseous fluid from a second inlet 1321 (FIGS. 2 and 4) connected to the external environment of the machine 2000.
  • the second routing system additionally comprises a heating system 1330 configured to cause the second gaseous fluid to pass from the first temperature to a second temperature. According to the example of FIGS.
  • this heating system 1330 is arranged inside the second duct 1310. Like the first routing system, it is possible to design a variety of second routing systems from various upstream sources, wherein the second gaseous fluid, air or another gas, is conditioned at the first temperature, at the second temperature or at any other temperature, the second delivery system comprising the case where appropriate, the heating system 1330 configured to cause the second fluid to reach the second temperature when it leaves through the second extraction orifice 1311.
  • the mixture of the first gaseous fluid having a first temperature and the second gaseous fluid having a second temperature makes it possible to obtain a gaseous fluid at a controlled temperature lying between the first and the second temperature, according to the flow rate and the respective heat capacity of the first gaseous fluid and the second gaseous fluid.
  • the printing device 1000 can also include a temperature measurement system, for example one or more temperature sensors arranged at the outlet of the nozzle 1110, upstream and/or downstream of the first and/or of the second routing system, making it possible to measure the first temperature of the first gaseous fluid and/or the second temperature of the second gaseous fluid and/or the controlled temperature of the gaseous fluid resulting from the mixing of the first gaseous fluid and the second gaseous fluid.
  • the control means can also be configured, alone or in combination with the temperature measurement system, to manage the temperature of the gaseous fluid.
  • the control means include, for example, an electronic card programmed to control the actuation of the first fan 1220, of the second fan 1320 and of the heating system 1330 according to the three-dimensional printing material used and/or the speed of depositing the thread of molten material by the printhead 1100 and/or information returned by the temperature measurement system.
  • the operation of the printing device 1000 can thus be adapted between two manufactures of parts implementing different three-dimensional printing processes or during the same printing process requiring an adaptation of the temperature in the environment of the output of the nozzle.
  • the printhead 1110 is arranged inside the second duct 1310 so that the second trajectory coincides with the trajectory of the stream of molten material, the nozzle 1110 and the second extraction orifice 1311 being aligned along the axis X2.
  • This design makes it possible to mix the first gaseous fluid and the second gaseous fluid as close as possible to the outlet of the nozzle in order to regulate the temperature of the direct environment of the stream of molten material without loss of heat.
  • the device 1000 also comprises a thermal insulation system of the print head.
  • this insulation system comprises an envelope 1410 partially surrounding the print head 1100.
  • an envelope 1410 is provided made of a metallic material of the aluminum type and making it possible to block the transfers of heat by convection and by radiation between the printhead 1100 and its environment, here the second conduit 1310.
  • an envelope 1410 made of an insulating material making it possible to increase the thermal resistance to the conduction of envelope 1410.
  • This envelope 1410 is divided into an upper portion 1411 completely surrounding the printhead 1100 and a lower portion 1412 partially surrounding the printhead 1100.
  • the upper portion 1411 is designed taking into account possible openings allowing the fixing of the print head 1100 in the device 1000, for example with the second pipe 1310 or with the heating extraction system 1600 (illustrated in FIG. 6), as well as the supply of material from the channel of material 1130 (shown in figure 5).
  • a lower portion 1412 is provided covering the printhead 1100 on the portions most susceptible to heat transfer, in particular to heat transfer by convection.
  • the lower portion 1412 can cover one side (FIG. 2) or several sides (FIG. 4) of the printhead 1100 completely or partially, and has for example a U-shaped cross section.
  • the insulation system can also comprise an insulating material (not shown here), for example a mineral fiber, at least partially surrounding the print head 1100, in addition to and/or replacement of the envelope 1410.
  • the insulating material can be arranged around the print head according to the limits of the envelope 1410, so that the envelope 1410 makes it possible to isolate the insulating material and the head printing convection and radiation effects while defining a receiving volume of the insulating material.
  • the casing 1410 can thus be designed so as to ensure the circulation of the second fluid inside the second duct 1310 without the insulating material, in particular a non-rigid material of the mineral fiber type, obstructing the second duct 1310. insulating material is therefore placed around the print head according to the limits established partly by the envelope 1410 and partly by the second conduit 1310, obviously leaving the nozzle 1110 free.
  • This design thus makes it possible to minimize the heat exchanges between the print head 1100 and its environment, here the second conduit 1310. These exchanges make it possible to stabilize both the internal temperature of the material channel 1130 heated by the heating cartridges 1120 ( FIG. 5) and the second temperature of the second gaseous fluid, by extension the temperature of the gaseous fluid leaving the nozzle 1110. Both heating and cooling of the molten material are therefore facilitated.
  • this thermal insulation system can operate according to a design similar to or adapted to a printhead 1100 not contained in the second duct 1310, and therefore be used independently of the means for controlling the temperature of the environment of the net. of molten material. As illustrated in FIGS.
  • the thermal insulation system makes it possible in particular to arrange the heating system 1330 along the casing 1410, and therefore the print head 1100, so that the second gaseous fluid reaches the second temperature as close as possible to the second extraction orifice 1311 while minimizing the respective impact of the second routing system and the print head 1100.
  • the envelope 1410 comprises for example assembly means 1413 of the heating system 1330 facilitating its positioning.
  • the present invention provides means for controlling the temperature of the environment of the stream of molten material allowing the blowing of a gaseous fluid at controlled temperature at the outlet of the nozzle of the print head, so that the cooling of the stream of molten material is controlled as soon as it is ejected by the nozzle.
  • control means are integrated into a printing device which may include all the means allowing the production and the transport of molten material to the nozzle and compatible with a three-dimensional printing machine, such as the 2000 machine of figure 7.
  • These same control means can additionally have a fixed operation or one that can be adapted to the specific characteristics of a process printing, in order to vary as much as possible the possibilities in terms of material and three-dimensional printing process.
  • the first and second gaseous fluids which, in the example described here in support of FIGS. 1 to 7, are identical and air, could consist of another gas, or even of two other different gases.
  • the machine 2000 will for example, in this case, be equipped with a processing system (not shown) making it possible to ensure recycling and processing of the mixture of the first and second gaseous fluids by possibly making it possible to reinject them respectively upstream of the two fans 1220, 1320.
  • Variants of the device 1000 are also possible by implementing a single delivery system for a single gaseous fluid whose temperature can be modified and regulated either by heating it or by cooling it to reach a desired temperature of said gaseous fluid in the environment of the exit of the nozzle 1110.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (1000) d'impression tridimensionnelle comprenant une tête d'impression (1100) munie d'une buse (1110) par laquelle sort un filet de matière en fusion, ledit dispositif (1000) comprenant des moyens de contrôle de la température de l'environnement dudit filet de matière en fusion par au moins un système d'acheminement d'un fluide gazeux à une température contrôlée dans l'environnement de la sortie de ladite buse (1110).

Description

Description
Titre : Dispositif d’impression tridimensionnelle à contrôle du refroidissement de matière en fusion
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de l’impression tridimensionnelle, aussi appelée fabrication additive.
La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d’impression tridimensionnelle permettant une régulation de la température au niveau du filet de matière en fusion, en sortie d’une buse de tête d’impression. L’invention concerne également une machine d’impression tridimensionnelle comprenant le dispositif d’impression.
Par dispositif d’impression tridimensionnelle au sens de la présente invention, on entend dans toute la description qui suit un dispositif comprenant un ensemble de moyens permettant l’acheminement et/ou la génération de matière en fusion jusqu’à une buse éjectant la matière en fusion, par exemple à partir d’un réservoir ou d’une trémie contenant la matière à imprimer.
Un tel dispositif comprend par exemple un système d’extraction chauffant comprenant un conduit d’acheminement de matière connecté au réservoir ou à la trémie, un organe de déplacement de la matière dans le conduit d’acheminement, par exemple une vis d’extraction, un organe de chauffe de la matière pour l’amener en fusion et une tête d’impression munie de la buse.
La présente invention trouvera ainsi de nombreuses applications avantageuses dans le domaine de l’impression tridimensionnelle, et notamment dans l’impression de pièces à base de matériaux nécessitant un refroidissement contrôlé.
Etat de la technique
Le Demandeur observe que le développement de l’impression tridimensionnelle permet la fabrication d’une variété de pièces, sur des séries de taille limitée mais progressivement croissante au fur et à mesure des progrès technologiques.
La pluralité de matériaux employables, parmi lesquels la résine, les thermoplastiques, la cire, le métal (par exemple l’aluminium, l’acier, le titane, le platine, etc.), le plâtre, les céramiques ou encore le verre, participent de la variété d’objets réalisables.
Les pièces sont réalisées par empilement de couches successives de matière en fusion et refroidissement progressif. Pour réaliser cet empilement, il est connu d’employer des installations ou machines d’impression tridimensionnelle comportant un plateau et une tête d’impression munie d’une buse, la tête d’impression et/ou le plateau étant aptes à se déplacer l’un par rapport à l’autre pour déposer sur le plateau un filet de matière en fusion extrait de la buse, la dépose du filet de matière en fusion se faisant par couches ou strates afin de concevoir une pièce.
L’empilement des couches nécessitant d’une part que la couche précédente reste au moins partiellement en fusion le temps de recevoir une couche successive pour permettre son adhérence, d’autre part que l’ensemble des couches durcisse suffisamment pour assurer l’intégrité de la pièce en cours d’impression soumise à son propre poids et potentiellement à une pluralité de déplacements, les procédés d’impression tridimensionnelle doivent tenir compte de la vitesse de refroidissement de la matière en fusion et du changement de ses propriétés physiques. Ces paramètres peuvent varier non seulement selon le matériau sélectionné mais aussi en cours d’impression via des changements de conditions externes et/ou l’apport de chaleur constant résultant de l’approvisionnement de matière en fusion.
Le Demandeur soumet par conséquent qu’il n’existe à ce jour aucune solution alternative satisfaisante permettant de réguler le refroidissement de la matière en fusion.
Résumé de l’invention
La présente invention vise à améliorer la situation actuelle décrite ci-dessus.
La présente invention vise plus particulièrement à remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un dispositif d’impression apte à contrôler la température en cours d’impression, c’est-à-dire durant la dépose du filet de matière en fusion par couche ou strate, sur le plateau. A cet effet, l’objet de la présente invention concerne dans un premier aspect un dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant une tête d’impression munie d’une buse par laquelle sort un filet de matière en fusion.
On comprend ici que le filet de matière se dépose usuellement de manière verticale, étant sujet à la gravité. On peut également concevoir un filet de matière se déposant selon une autre trajectoire par éjection à une certaine vitesse selon une direction prédéterminée.
On comprend additionnellement que le dispositif d’impression peut comprendre une variété de moyens permettant l’approvisionnement en matière en fusion de la tête d’impression. La tête d’impression comprend par exemple un corps comportant des moyens de chauffe interne de type cartouches de chauffe, de manière à former un bloc chaud entourant un canal d’acheminement de matière en fusion vers la buse et permettant l’éjection de matière en fusion à une température contrôlée. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion, les moyens de contrôle comportant au moins un système d’acheminement d’un fluide gazeux à une température contrôlée dans l’environnement de la sortie de la buse.
En d’autres termes, un ou plusieurs systèmes d’acheminements amènent un ou plusieurs fluides gazeux à température contrôlée au niveau de la sortie de la buse, le fluide gazeux ou le mélange des fluides gazeux permettant de réguler la température dans l’environnement direct ou élargi du filet de matière en fusion dès sa sortie de la buse. Dans le cas de plusieurs fluides gazeux, leurs températures peuvent être identiques ou différents, le mélange des fluides permettant d’obtenir la température régulée souhaitée.
On comprend que ces moyens de contrôle peuvent servir à compléter un système de régulation plus global, les moyens de contrôle permettant un réglage de température précis en sortie de buse.
Grâce à la présente invention, le filet de matière en fusion se trouve dans un environnement à température contrôlée dès sa sortie de la buse, ce qui permet d’assurer un refroidissement contrôlé de chaque couche de matière déposée lors de l’impression tridimensionnelle. Cette maîtrise de la température dans l’environnement du filet de matière en fusion en sortie de buse permet d’assurer une cohésion entre les couches de matière de la pièce en cours de fabrication et évite des déformations de la pièce dues aux forces exercées entre les couches de matière fait d’un refroidissement trop rapide ou trop lent d’une couche de matière par rapport à la suivante en cours d’impression de la pièce.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le fluide gazeux est de l’air.
Cete conception permet de simplifier l’au moins un système d’acheminement sans nécessiter d’apport externe de fluide requérant potentiellement d’en contrôler l’emploi ou le conditionnement, ainsi que son recyclage. Le système d’acheminement comporte par exemple une entrée d’air extérieur couplée à un ventilateur à vitesse contrôlée générant un flux de circulation de l’air, l’air pouvant optionnellement être soumis à des traitements ultérieurs, par exemple être refroidi ou réchauffé.
L’homme du métier comprend également qu’une variété d’autres fluides gazeux peuvent être sélectionnés, par exemple selon des critères de conductivité thermique ou de capacité thermique.
Dans un mode de réalisation particulier, les moyens de contrôle comportent un premier système d’acheminement d’un premier fluide gazeux à une première température et un second système d’acheminement d’un second fluide gazeux à une seconde température, le mélange du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux permettant l’obtention du fluide gazeux à une température contrôlée dans l’environnement de la sortie de la buse.
On comprend ici que le mélange des premier et second fluides gazeux permet de faire varier la température de l’environnement de la sortie de la buse entre la première et la seconde température par ajustement de leurs débits respectifs. Selon la conception, le mélange peut se faire dans l’environnement de sortie de la buse ou encore en amont pour l’acheminement d’un fluide gazeux à température contrôlée jusqu’à l’environnement de la sortie de la buse.
On entend ici et dans toute la description qui suit que le fluide gazeux est le fluide à température contrôlée dans l’environnement de la sortie de la buse, le premier fluide gazeux étant acheminé par le premier système d’acheminement et présentant une première température, le second fluide gazeux étant acheminé par le second système d’acheminement et présentant une seconde température. Il est possible de concevoir des premier et second fluides gazeux de compositions similaires ou encore de compositions différentes, le fluide gazeux devenant un mélange proportionnel des premier et second fluides gazeux.
Dans un mode de réalisation additionnel, le premier fluide gazeux est acheminé selon une première trajectoire et le second fluide gazeux est acheminé selon une seconde trajectoire, la première trajectoire et la seconde trajectoire se rejoignant dans l’environnement de la sortie de la buse où s’effectue le mélange du premier fluide et du second fluide.
Il est également possible de concevoir une variante dans laquelle le premier fluide gazeux et le second fluide gazeux sont mélangés en amont puis acheminés selon une trajectoire unique dans l’environnement de la sortie de la buse.
De préférence, la première trajectoire définit un premier axe d’écoulement du premier fluide gazeux perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière en sortie de la buse et la seconde trajectoire définit un second axe d’écoulement du second fluide gazeux parallèle à la trajectoire du filet de matière en sortie de la buse.
On comprend ici que le premier axe d’écoulement et le second axe d’écoulement sont orientés perpendiculairement l’un par rapport à l’autre de manière à faciliter le mélange du premier fluide et du second fluide. La conception des premier et second systèmes d’acheminement est également simplifiée en prenant pour direction de référence la trajectoire du filet de matière en sortie de la buse. Bien évidemment, il est possible d’envisager une variété d’orientations alternatives du premier et du second axes d’écoulement, par exemple un premier et un second axes tous deux orientés à 45° par rapport à la trajectoire du filet de matière en sortie de la buse, de façon à intersecter le filet de matière, de préférence en un même point à proximité de la sortie de la buse. Les première et seconde trajectoires peuvent également être légèrement désaxées vis-à-vis des premier et second axes d’écoulement tels que définis tout en remplissant les mêmes fonctions techniques.
L’homme du métier comprend également que l’orientation du premier axe d’écoulement perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière résulte en une première trajectoire pouvant intercepter le filet de matière au plus proche de la sortie de la buse, notamment en positionnant le premier axe d’écoulement dans un plan perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière et intersectant la sortie de la buse. Cet avantage est combiné à celui du second axe d’écoulement parallèle à la trajectoire du filet de matière, de sorte que la première trajectoire puisse intercepter la seconde trajectoire et que le premier et le second fluide gazeux se mélangent au plus proche de la sortie de la buse.
Dans un mode de réalisation spécifique, le premier système d’acheminement comprend un premier conduit muni d’un premier orifice d’extraction et un premier ventilateur permettant de véhiculer le premier fluide gazeux le long du premier conduit jusqu’au premier orifice d’extraction.
En d’autres termes, le premier ventilateur permet de générer un mouvement du premier fluide gazeux dans le premier conduit en direction du premier orifice d’extraction. Le premier orifice d’extraction est par exemple orienté de sorte que le premier fluide gazeux sorte du premier conduit selon la première trajectoire. Le premier orifice d’extraction peut également présenter une forme spécifique permettant de définir la forme selon laquelle le premier fluide gazeux sort du premier conduit ou encore permettant de définir un débit spécifique, par exemple en combinaison avec un contrôle du premier ventilateur.
Le premier conduit peut correspondre à une variété d’éléments creux étanches dont la forme interne définit la circulation du premier fluide gazeux, par exemple un tuyau rigide ou semi- rigide ou encore un carter métallique creux. Le premier ventilateur peut être positionné en amont du premier conduit ou encore à l’intérieur de celui-ci, le premier système d’acheminement comprenant une entrée permettant l’approvisionnement en fluide gazeux du premier conduit et/ou du premier ventilateur.
Dans un autre mode de réalisation pouvant être combiné avec le mode précédent, le second système d’acheminement comprend un second conduit muni d’un second orifice d’extraction et un second ventilateur permettant de véhiculer le second fluide gazeux jusqu’au second orifice d’extraction et un système de chauffe configuré pour chauffer le second fluide gazeux durant son écoulement dans le second conduit.
De préférence, le système de chauffe du second fluide gazeux est placé à l’intérieur du second conduit. On comprend ici que le second conduit, le second orifice et le second ventilateur peuvent être définis de manière similaire respectivement au premier conduit, premier orifice et premier ventilateur tels que décrits ci-avant.
On comprend additionnellement que le système de chauffe permet de contrôler la température du second fluide gazeux de sorte que le second fluide gazeux atteigne la seconde température avant son mélange avec le premier fluide gazeux. Le second fluide gazeux entre par exemple dans le second système d’acheminement à une température initiale correspondant à la première température avant d’être chauffé par le système de chauffe. Le premier et le second fluides gazeux peuvent ainsi être conditionnés à la même température s’ils ont une composition différente, provenir d’une source unique s’ils ont la même composition ou même provenir de l’environnement ambiant si leur composition et la première température correspondent à celles de l’environnement ambiant.
Selon la conception, le système de chauffe peut comporter une ou plusieurs résistances disposées à l’intérieur ou à l’extérieur du second conduit, alimentées et optionnellement contrôlées de manière conjointe au dispositif d’impression. Le système de chauffe peut également comporter au moins un canal d’eau alimenté de manière externe au dispositif d’impression, par exemple via deux arrivées d’eau chaude et froide, le système de chauffe pouvant être contrôlé par changement du circuit d’alimentation en eau et le second fluide gazeux étant chauffé par échange de chaleur avec le canal d’eau disposé dans ou autour du second conduit.
Dans un mode de réalisation additionnel, la tête d’impression est positionnée à l’intérieur du second conduit avec sa buse placée au niveau du second orifice d’extraction de sorte que l’environnement de la sortie de la buse corresponde avec l’environnement externe du second orifice d’extraction.
En d’autres termes, le second fluide gazeux est acheminé dans le second conduit jusqu’au second orifice, lequel coïncide sensiblement avec la buse de la tête d’impression, de sorte que le filet de matière en sortie de la buse soit directement environné par au moins le second fluide gazeux. Le positionnement de la tête d’impression dans le second conduit permet de faciliter la conception d’un second conduit dont le second orifice d’extraction soit au plus proche de la buse. Cette conception peut être combinée avec la conception de la première et de la seconde trajectoire des premier et second fluides gazeux telle que décrite ci-avant, ou de toute autre façon permettant d’assurer un mélange des premier et second fluides gazeux directement en sortie de la buse.
De préférence, le système de chauffe est positionné autour de la tête d’impression. Cette conception permet de faciliter la disposition du système de chauffe et de la tête d’impression à l’intérieur du second conduit, les deux éléments pouvant être assemblés entre eux par une variété de moyens d’assemblage.
On comprend additionnellement que le second conduit peut être conçu de sorte que le second fluide gazeux circule le long de la tête d’impression en direction du second orifice d’extraction et interagisse en même temps avec le système de chauffe. Le second fluide gazeux est ainsi chauffé juste avant d’atteindre le second orifice d’extraction pour limiter toute perte de chaleur.
Dans un mode de mise en œuvre, le dispositif d’impression tridimensionnelle comporte un système d’isolation thermique de la tête d’impression.
L’homme du métier comprend ici que l’isolation thermique de la tête d’impression permet de limiter toute forme d’échange de chaleur entre la tête d’impression et son environnement externe et d’assister une variété de régulations de température à la fois. En effet, la tête d’impression pouvant constituer un bloc chaud comprenant un canal de matière dont l’objectif est de conserver ladite matière à une température donnée pour la maintenir en fusion, la tête d’impression comprenant par exemple des cartouches de chauffe environnant le canal de matière, l’isolation thermique permet d’éviter la perte de chaleur du bloc chaud et donc du canal de matière tout en limitant le réchauffement de l’environnement de la tête d’impression, cet environnement pouvant être selon la conception l’environnement d’impression tridimensionnelle en général, lequel doit être contrôlé pour le refroidissement de la pièce, ou encore l’intérieur du second conduit, la chauffe du second fluide gazeux étant elle aussi régulée pour atteindre la seconde température.
On comprend additionnellement qu’un éventuel échange de chaleur dans le sens inverse, du système de chauffe vers le canal de matière et pouvant impacter le contrôle de la température de la matière en fusion avant son impression, est également évité par ce système d’isolation thermique.
Dans un mode de mise en œuvre spécifique, le dispositif d’impression tridimensionnelle comprend un système de mesure de la température dans l’environnement de la sortie de la buse.
On comprend ici que le système de mesure peut comporter un ou plusieurs capteurs disposés dans l’environnement de la sortie de la buse et permet de vérifier que la température dans ledit environnement est celle recherchée pour permettre la vitesse de refroidissement appropriée. Dans encore un mode de mise en œuvre pouvant être combiné avec le précédent, les moyens de contrôle sont configurés pour gérer la température dans l’environnement de la sortie de ladite buse en fonction du type de matière et de la vitesse dudit filet de matière en fusion en sortie de buse.
Des variantes sont possibles sans aucune mesure de température dans l’environnement de la sortie de la buse et sans aucun asservissement, simplement en effectuant de la régulation par un pilotage des fluides gazeux froid et chaud au moyen d’équations préétablies, afin d’obtenir un mélange de fluide gazeux à température désirée dans l’environnement de la sortie de la buse.
On comprend ici que les moyens de contrôle sont configurés pour adapter leur fonctionnement selon une pluralité de paramètres reflétant la vitesse de refroidissement recherchée et dépendant donc du matériau d’impression, de la vitesse de dépose ou encore d’autres paramètres, par exemple la forme de la pièce et le délai entre la dépose de deux couches successives.
Les moyens de contrôle comportent par exemple une pluralité de modes de fonctionnement réglables, chaque mode de fonctionnement étant spécifique à une combinaison d’un matériau et d’une vitesse de dépose.
Selon une conception, le dispositif d’impression tridimensionnelle peut comprendre une carte électronique programmable ou reprogrammable permettant la commande des moyens de contrôle ou encore communiquer avec un automate ou une carte électronique externe commandant les moyens de contrôle, par exemple une carte électronique intégrée dans une machine d’impression tridimensionnelle telle que décrite ci-après.
Dans un mode de mise en œuvre supplémentaire, le dispositif d’impression tridimensionnelle comprend une trémie de stockage de matière en granulés et un système d’extraction chauffant permettant d’acheminer la matière de la trémie à la tête d’impression en faisant fondre la matière.
L’homme du métier comprend ici que le système d’extraction chauffant et la trémie de stockage sont adaptés au stockage et à l’acheminement de granulés de sorte que la tête d’impression soit approvisionnée en matière en fusion.
Bien évidemment, la matière peut également être stockée sous d’autres formes, par exemple sous forme fïlaire, le système d’extraction et les moyens de stockage étant adaptés au stockage et à l’approvisionnement de la forme de matière sélectionnée.
Un second aspect de la présente invention concerne une machine d’impression tridimensionnelle, laquelle comprend un dispositif d’impression tridimensionnelle selon le premier aspect de l’invention. On comprend ici que le dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant les moyens de contrôle est intégré à la machine d’impression tridimensionnelle de manière à permettre la dépose d’un filet de matière en fusion dans la machine d’impression tridimensionnelle.
La machine d’impression peut comprendre un plateau de réception de la pièce durant son impression, le plateau de réception comportant une platine de réception de la matière en fusion agencée pour être placée dans la trajectoire du filet de matière en fusion, par exemple perpendiculairement à la trajectoire dudit filet de matière en fusion. La machine peut également comprendre une variété de moyens permettant le déplacement et/ou la commande du déplacement de la platine et/ou de la tête d’impression l’un par rapport à l’autre, et être configurée pour transmettre de l’énergie et/ou des informations de fonctionnement envers le dispositif d’impression tridimensionnelle et/ou le plateau de réception.
Le dispositif d’impression et la machine peuvent être conçus de manière conjointe de sorte à faciliter l’intégration du dispositif d’impression avec la machine, ou encore de manière séparée permettant un assemblage selon des caractéristiques standardisées.
Ainsi, par les différentes caractéristiques techniques fonctionnelles et structurelles ci-dessus, le Demandeur propose un dispositif d’impression tridimensionnelle permettant de contrôler l’environnement du filet de matière en fusion et son refroidissement.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-dessous en référence aux figures 1 à 7 annexées illustrant un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquelles :
[Fig. 1] La figure 1 représente une vue schématique en perspective d’une partie aval d’un dispositif d’impression tridimensionnelle à contrôle du refroidissement de matière en fusion selon un exemple de réalisation de la présente invention, ladite partie aval disposant de la tête d’impression dudit dispositif.
[Fig. 2] La figure 2 représente une vue schématique selon un premier plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la figure 1.
[Fig. 3] La figure 3 représente une vue schématique selon un second plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la figure 1.
[Fig. 4] La figure 4 représente une vue schématique selon un troisième plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la figure 1.
[Fig. 5] La figure 5 représente une vue schématique selon un quatrième plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la figure 1. [Fig. 6] La figure 6 représente une vue schématique d’ensemble et de profil d’un dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant ladite partie aval conforme aux figures là 5, une trémie de stockage et un système d’extraction chauffant de matière fusible.
[Fig. 7] La figure 7 représente une vue schématique d’une machine d’impression tridimensionnelle sur laquelle sera mis en œuvre un dispositif d’impression tridimensionnelle conforme à la figure 6.
Description détaillée
La présente invention va maintenant être décrite dans ce qui va suivre en référence conjointement aux figures 1 à 7 annexées à la description. Des mêmes éléments sont identifiés avec des mêmes signes de référence tout au long de la description qui va suivre.
Comme indiqué dans le préambule de la description, le refroidissement de la matière en fusion doit être contrôlé pour permettre à chaque couche déposée d’adhérer à la précédente et de durcir progressivement lors de l’impression d’une pièce, et ce de manière adaptée au procédé d’impression, à la forme de la pièce et au matériau d’impression sélectionné.
Un des objectifs de la présente invention consiste à permettre un contrôle du refroidissement de la matière en fusion lors de sa dépose sur une couche de matière précédemment déposée durant l’impression tridimensionnelle de la pièce.
Ceci est rendu possible dans l’exemple décrit ci-après, lequel considère un dispositif d’impression configuré pour réguler la température de l’environnement de sortie de la buse d’impression.
On comprendra ici que cet exemple n’est pas limitatif, d’autres exemples de mise en œuvre restant sous le couvert de l’invention pouvant être envisagés dans le but d’atteindre également cet objectif.
La figure 6 illustre un dispositif d’impression tridimensionnelle 1000 développé dans le cadre de la présente invention, lequel sera mis en œuvre sur une machine d’impression tridimensionnelle 2000 illustrée en figure 7, pour l’impression tridimensionnelle d’une pièce. Le dispositif d’impression tridimensionnelle et la machine d’impression tridimensionnelle sont respectivement nommés dans la suite de la description « dispositif 1000 » et « machine 2000 ». Sur la figure 7, le dispositif 1000 n’est pas représenté sur la machine 2000 pour une meilleure lecture de cette figure 7. La machine 2000 comporte un plateau de réception 3000 comprenant une platine 3010 configurée pour recevoir par couches ou strates la matière en fusion durant l’impression de la pièce. La machine 2000 comporte un chariot 2010 sur lequel sera monté de manière amovible le dispositif 1000. Le plateau de réception 3000 et/ou la platine 3010 et/ou le chariot 2010 peuvent être articulés de manière à pouvoir être déplacés à l’intérieur de la machine 2000 ou encore l’un vis-à-vis de l’autre selon une pluralité de mouvements, par exemple selon trois axes de translation, selon la forme de la pièce à imprimer en tri-dimensions. Sur l’exemple de la figure 7, la machine 2000 comprend un premier système de transmission 2020 permettant de déplacer le chariot 2010 selon les deux directions X et Y du repère X, Y, Z et un second système de transmission 2030 permettant de déplacer le plateau de réception 3000 selon la direction Z du repère X, Y, Z. Des variantes sont envisageables, par exemple un dispositif 1000 fixe, conçu spécifiquement et de manière intégrée à la machine 2000, ou encore un dispositif 1000 amovible et assemblé directement sur le châssis 2040 de la machine 2000. Le caractère amovible du dispositif 1000 présente pour avantage de permettre le remplacement dudit dispositif 1000 par un autre présentant ou non les caractéristiques objets de l’invention, par exemple pour une adaptation du dispositif 1000 sur la machine 2000 en fonction du type de pièce à imprimer et de la matière fusible employé pour l’impression de cette pièce.
Selon l’exemple des figures 1 à 6, ce dispositif 1000 comporte une tête d’impression 1100 munie d’une buse 1110 éjectant de la matière en fusion à partir d’un canal de matière 1130. Comme illustré dans l’exemple de la figure 6, la matière fusible est issue d’une trémie 1500 de stockage de matière en granulés et acheminée jusqu’au canal de matière 1130 de la tête d’impression 1100 via un système d’extraction chauffant 1600 configuré pour déplacer la matière fusible en granulés tout en la faisant fondre. Un tel système d’extraction chauffant 1600 comporte par exemple une vis sans fin recevant la matière couplée à une résistance ou tout autre moyen de chauffe configuré pour amener la matière en fusion. Bien évidemment, il est possible d’envisager une variété de moyens de stockage et d’acheminement de la matière raccordés à la tête d’impression 1100, par exemple spécifiques au matériau considéré nécessitant une chauffe ou un stockage particulier, ou encore spécifiques au conditionnement de la matière, laquelle peut également être obtenue sous forme fïlaire ou sous toute autre forme appropriée à l’impression tridimensionnelle.
Optionnellement, la tête d’impression 1100 comprend également des moyens de chauffe internes configurés pour maintenir la matière en fusion à l’intérieur du canal de matière 1130 et/ou pour assurer une température précise de la matière lors de son éjection par la buse 1110. De tels moyens de chauffe interne prennent par exemple la forme de cartouches de chauffe 1120 telles qu’illustrées dans la figure 5.
On considère dans cette description que le dispositif d’impression 1000 se trouve dans une position fixe telle qu’illustrée par la figure 6 et est configuré pour éjecter un filet de matière en fusion soumis à la gravité et de manière verticale. On définit à partir de cette position les deux axes Xi et X2 tels que :
- le premier axe Xi est perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière en fusion, c’est-à- dire horizontal ; et
- le second axe X2 est parallèle à la trajectoire du filet de matière en fusion, c’est-à-dire vertical.
Optionnellement, le premier axe Xi est plus précisément positionné de manière à intersecter la trajectoire du filet de matière en fusion et se situe entre 1mm et 5mm sous le plan horizontal intersectant la buse 1110, tandis que le second axe X2 est confondu avec la trajectoire du filet de matière en fusion. Les axes Xi et X2, en particulier le premier axe Xi, peuvent également être légèrement désaxés ou inclinés par rapport à leurs positions telles que définies dans cette description, sans sortir du cadre de l’invention.
On remarquera que, le filet de matière étant nécessairement éjecté par la buse 1110 à une certaine vitesse, sa trajectoire initiale à la sortie de la buse 1110 suit tout changement éventuel d’orientation de la tête d’impression 1100. Il est par conséquent possible de définir de manière similaire les axes Xi et X2 vis-à-vis de la trajectoire initiale du filet de matière en fusion en sortie de la buse 1110 de manière adaptée à l’orientation de la buse 1110.
En accord avec le concept sous-jacent de l’invention, le dispositif d’impression 1000 comporte des moyens de contrôle de la température comprenant un premier et un second systèmes d’acheminement d’un premier et d’un second fluide gazeux dans l’environnement de la sortie de la buse 1110. Comme illustré dans les figures 1, 2, 4 et 5, le premier système d’acheminement comporte un premier conduit 1210, ici un carter creux de préférence métallique, permettant la circulation d’un premier fluide gazeux jusqu’à un premier orifice d’extraction 1211. Le premier orifice d’extraction 1211 est avantageusement configuré pour permettre l’éjection en aval du premier fluide gazeux selon une première trajectoire définissant le premier axe Xi (figures 1 et 5). En amont, un premier ventilateur 1220 disposé à l’intérieur du premier conduit 1210 génère le flux du premier fluide gazeux à partir d’une première entrée 1221 (figure 4), par exemple une première entrée 1221 connectée à l’environnement extérieur de la machine 2000. Cette conception permet en particulier de générer un flux de circulation d’air à une première température correspondant à la température de l’environnement extérieur, mais il est bien évidemment possible de concevoir une variété de premiers systèmes d’acheminement permettant l’éjection d’un premier fluide gazeux, de l’air ou un autre gaz, selon la première trajectoire à partir de diverses sources en amont. En complément du premier système d’acheminement, le second système d’acheminement comporte un second conduit 1310 permettant la circulation d’un second fluide gazeux jusqu’à un second orifice d’extraction 1311 permettant l’éjection du second fluide gazeux selon une seconde trajectoire définissant le second axe X2. Dans ce même exemple, le second système d’acheminement comporte un second ventilateur 1320 disposé à l’intérieur du second conduit 1310 et permettant la circulation du second fluide gazeux à partir d’une seconde entrée 1321 (figures 2 et 4) connectée à l’environnement extérieur de la machine 2000. Le second système d’acheminement comporte additionnellement un système de chauffe 1330 configuré pour faire passer le second fluide gazeux de la première température à une seconde température. Selon l’exemple des figures 2 à 5, ce système de chauffe 1330 est disposé à l’intérieur du second conduit 1310. A l’instar du premier système d’acheminement, il est possible de concevoir une variété de seconds systèmes d’acheminement à partir de diverses sources en amont, dans lesquelles le second fluide gazeux, de l’air ou un autre gaz, est conditionné à la première température, à la seconde température ou à toute autre température, le second système d’acheminement comportant le cas échéant le système de chauffe 1330 configuré pour faire atteindre la seconde température au second fluide lors de sa sortie par le second orifice d’extraction 1311.
Ainsi, le mélange du premier fluide gazeux présentant une première température et du second fluide gazeux présentant une seconde température permet d’obtenir un fluide gazeux à température contrôlée se trouvant entre la première et la seconde température, selon le débit et la capacité thermique respective du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux. Optionnellement, le dispositif d’impression 1000 peut également comporter un système de mesure de la température, par exemple un ou plusieurs capteurs de température disposés au niveau de la sortie de la buse 1110, en amont et/ou en aval du premier et/ou du second système d’acheminement, permettant de mesurer la première température du premier fluide gazeux et/ou la seconde température du second fluide gazeux et/ou la température contrôlée du fluide gazeux résultant du mélange du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux. Les moyens de contrôle peuvent également être configurés, seuls ou en combinaison du système de mesure de la température, pour gérer la température du fluide gazeux. Les moyens de contrôle comprennent par exemple une carte électronique programmée pour commander l’actionnement du premier ventilateur 1220, du second ventilateur 1320 et du système de chauffe 1330 en fonction du matériau d’impression tridimensionnelle employé et/ou de la vitesse de dépose du filet de matière en fusion par la tête d’impression 1100 et/ou des informations renvoyées par le système de mesure de la température. Le fonctionnement du dispositif d’impression 1000 peut ainsi être adapté entre deux fabrications de pièces mettant en œuvre des procédés d’impression tridimensionnelle différents ou au cours d’un même procédé d’impression nécessitant une adaptation de la température dans l’environnement de la sortie de la buse.
Dans une conception simplifiée, la tête d’impression 1110 est disposée à l’intérieur du second conduit 1310 de sorte que la seconde trajectoire soit confondue avec la trajectoire du filet de matière en fusion, la buse 1110 et le second orifice d’extraction 1311 étant alignés selon l’axe X2. Cette conception permet d’effectuer le mélange du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux au plus proche de la sortie de la buse afin de réguler la température de l’environnement direct du filet de matière en fusion sans déperdition de chaleur.
Dans une conception conjointe aux moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion, le dispositif 1000 comporte également un système d’isolation thermique de la tête d’impression. Selon l’exemple des figures 2 à 4, ce système d’isolation comprend une enveloppe 1410 entourant partiellement la tête d’impression 1100. On prévoit dans cet exemple une enveloppe 1410 réalisée dans un matériau métallique de type aluminium et permettant de bloquer les transferts de chaleur par convection et par rayonnement entre la tête d’impression 1100 et son environnement, ici le second conduit 1310. Bien évidemment, on peut également concevoir une enveloppe 1410 réalisée dans un matériau isolant permettant d’augmenter la résistance thermique à la conduction de l’enveloppe 1410.
Cette enveloppe 1410 est divisée en une portion supérieure 1411 entourant complètement la tête d’impression 1100 et une portion inférieure 1412 entourant partiellement la tête d’impression 1100. Comme illustré par la figure 4, la portion supérieure 1411 est conçue en tenant compte d’éventuelles ouvertures permettant la fixation de la tête d’impression 1100 dans le dispositif 1000, par exemple avec le second conduit 1310 ou avec le système d’extraction chauffant 1600 (illustré figure 6), ainsi que de l’approvisionnement en matière du canal de matière 1130 (illustré figure 5).
Dans ce même exemple, on prévoit une portion inférieure 1412 recouvrant la tête d’impression 1100 sur les portions les plus susceptibles aux transferts de chaleur, notamment aux transferts de chaleur par convection. La portion inférieure 1412 peut recouvrir un côté (figure 2) ou plusieurs côtés (figure 4) de la tête d’impression 1100 de façon complète ou partielle, et présente par exemple une section transversale en U. Le système d’isolation peut également comporter un matériau isolant (non représenté ici), par exemple une fibre minérale, entourant au moins partiellement la tête d’impression 1100, en complément et/ou en remplacement de l’enveloppe 1410. Il apparaît ainsi que le matériau isolant peut être disposé autour de la tête d’impression selon les limites de l’enveloppe 1410, de sorte que l’enveloppe 1410 permette d’isoler le matériau isolant et la tête d’impression des effets de convection et de rayonnement tout en définissant un volume de réception du matériau isolant. L’enveloppe 1410 peut ainsi être conçue de sorte à assurer la circulation du second fluide à l’intérieur du second conduit 1310 sans que le matériau isolant, notamment un matériau non rigide de type fibre minérale, n’obstrue le second conduit 1310. Le matériau isolant est par conséquent disposé autour de la tête d’impression selon les limites établies en partie par l’enveloppe 1410 et en partie par le second conduit 1310, en laissant bien évidemment libre la buse 1110.
Cette conception permet ainsi de minimiser les échanges thermiques entre la tête d’impression 1100 et son environnement, ici le second conduit 1310. Ces échanges permettent de stabiliser à la fois la température interne du canal de matière 1130 chauffé par les cartouches de chauffe 1120 (figure 5) et la seconde température du second fluide gazeux, par extension la température du fluide gazeux en sortie de la buse 1110. La chauffe comme le refroidissement de la matière en fusion sont par conséquent facilités. Bien évidemment, ce système d’isolation thermique peut fonctionner selon une conception similaire ou adaptée à une tête d’impression 1100 non contenue dans le second conduit 1310, et donc être employé indépendamment des moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion. Comme illustré dans les figures 2 à 5, le système d’isolation thermique permet en particulier de disposer le système de chauffe 1330 le long de l’enveloppe 1410, et donc de la tête d’impression 1100, de sorte que le second fluide gazeux atteigne la seconde température au plus proche du second orifice d’extraction 1311 en minimisant l’impact respectif du second système d’acheminement et de la tête d’impression 1100. Selon l’exemple des figures 3 et 4, l’enveloppe 1410 comporte par exemple des moyens d’assemblage 1413 du système de chauffe 1330 facilitant son positionnement.
Ainsi, on comprendra que la présente invention prévoit des moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion permettant le soufflage d’un fluide gazeux à température contrôlée à la sortie de la buse de la tête d’impression, de sorte que le refroidissement du filet de matière en fusion soit maîtrisé dès son éjection par la buse. Ces moyens de contrôle sont intégrés à un dispositif d’impression pouvant comporter l’ensemble des moyens permettant la production et l’acheminement de matière en fusion jusqu’à la buse et compatible avec une machine d’impression tridimensionnelle, comme la machine 2000 de la figure 7. Ces mêmes moyens de contrôle peuvent additionnellement avoir un fonctionnement fixe ou adaptable aux caractéristiques spécifiques d’un procédé d’impression, afin de varier autant que possible les possibilités en termes de matériau et de procédé d’impression tridimensionnelle.
Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de réalisation particulier de la présente invention, mais qu’en aucun cas cette description ne revêt un quelconque caractère limitatif à l’objet de l’invention ; bien au contraire, elle a pour objectif d’ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des revendications qui suivent.
A titre d’exemple, les premier et second fluides gazeux qui, dans l’exemple décrit ici à l’appui des figures 1 à 7, sont identiques et de l’air, pourraient être constitués d’un autre gaz, voire de deux autres gaz différents. La machine 2000 sera par exemple, dans ce cas, équipée d’un système de traitement (non illustré) permettant d’assurer un recyclage et un traitement du mélange du premier et du second fluides gazeux en permettant éventuellement de les réinjecter respectivement en amont des deux ventilateurs 1220, 1320.
Des variantes du dispositif 1000 sont également possible en mettant en œuvre un seul système d’acheminement d’un seul fluide gazeux dont la température peut être modifiée et régulé soit en le chauffant soit en le refroidissement pour atteindre une température souhaitée dudit fluide gazeux dans l’environnement de la sortie de la buse 1110.
Il devra également être observé que les signes de références mis entre parenthèses dans les revendications qui suivent ne présentent en aucun cas un caractère limitatif ; ces signes ont pour seul but d’améliorer l’intelligibilité et la compréhension des revendications qui suivent ainsi que la portée de la protection recherchée.

Claims

Revendications
1. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle comprenant une tête d’impression (1100) munie d’une buse (1110) par laquelle sort un filet de matière en fusion, ledit dispositif (1000) comprenant des moyens de contrôle de la température de l’environnement dudit filet de matière en fusion, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comportent un premier système d’acheminement d’un premier fluide gazeux à une première température et un second système d’acheminement d’un second fluide gazeux à une seconde température, le mélange dudit premier fluide gazeux et dudit second fluide gazeux permettant l’obtention d’un fluide gazeux à une température contrôlée acheminé dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110).
2. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 1, dans lequel ledit fluide gazeux est de l’air.
3. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit premier fluide gazeux est acheminé selon une première trajectoire et ledit second fluide gazeux est acheminé selon une seconde trajectoire, ladite première trajectoire et ladite seconde trajectoire se rejoignant dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110) où s’effectue ledit mélange dudit premier fluide et dudit second fluide.
4. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 3, dans lequel ladite première trajectoire définit un premier axe (Xi) d’écoulement dudit premier fluide gazeux perpendiculaire à la trajectoire dudit filet de matière en sortie de ladite buse (1110) et ladite seconde trajectoire définit un second axe (X2) d’écoulement dudit second fluide gazeux parallèle à la trajectoire dudit filet de matière en sortie de ladite buse.
5. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit premier système d’acheminement comprend un premier conduit (1210) muni d’un premier orifice d’extraction (1211) et un premier ventilateur (1220) permettant de véhiculer ledit premier fluide gazeux le long dudit premier conduit (1210) jusqu’ audit premier orifice d’extraction (1211).
6. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit second système d’acheminement comprend un second conduit (1310) muni d’un second orifice d’extraction (1311) et un second ventilateur (1320) permettant de véhiculer ledit second fluide gazeux jusqu’ audit second orifice d’extraction (1311) et un système de chauffe (1330) configuré pour chauffer ledit second fluide gazeux durant son écoulement dans ledit second conduit (1310).
7. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 6, dans lequel ledit système de chauffe (1330) dudit second fluide gazeux est placé à l’intérieur dudit second conduit (1310).
8. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel ladite tête d’impression (1100) est positionnée à l’intérieur dudit second conduit (1310) avec sa buse (1110) placée au niveau dudit second orifice d’extraction (1311) de sorte que l’environnement de la sortie de ladite buse (1110) corresponde avec l’environnement externe du second orifice d’extraction (1311).
9. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 8 rattachée à la revendication 7, dans lequel ledit système de chauffe (1330) est positionné autour de ladite tête d’impression (1110).
10. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, lequel comporte un système d’isolation thermique de ladite tête d’impression (1100).
11. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, lequel comprend un système de mesure de la température dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110).
12. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , lequel les moyens de contrôle sont configurés pour gérer la température dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110) en fonction du type de matière et de la vitesse dudit filet de matière en fusion en sortie de buse (1110).
13. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, lequel comprend une trémie (1500) de stockage de matière en granulés et un système d’extraction chauffant (1600) permettant d’acheminer ladite matière de ladite trémie (1500) à ladite tête d’impression (1100) en faisant fondre ladite matière.
14. Machine (2000) d’impression tridimensionnelle, laquelle comprend un dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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