WO2023094765A1

WO2023094765A1 - Procédé de fabrication d'une bobine d'un filament

Info

Publication number: WO2023094765A1
Application number: PCT/FR2022/052159
Authority: WO
Inventors: Alexis THEZE; Sébastien Jean RICHARD; Alain Guinault; Gilles REGNIER
Original assignee: Safran; Ecole Nationale Superieure D'arts Et Metiers (Ensam); Centre National De La Recherche Scientifique; Conservatoire National Des Arts Et Metiers
Priority date: 2021-11-23
Filing date: 2022-11-23
Publication date: 2023-06-01
Also published as: FR3129316A1; FR3129316B1

Abstract

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

Description

Titre : Procédé de fabrication d’une bobine d’un filament

Domaine technique

[0001 ] Le présent document concerne un procédé de fabrication d’une bobine d’un filament à haut taux de charge en poudre métallique ou céramique. Ce filament est destiné à un dispositif de fabrication additive.

Technique antérieure

[0002] Classiquement, une Fabrication de Filaments Fondus (FFF), aussi appelé « Fused Filament Fabrication » en anglais, est un procédé de dépôt de fil fondu très employé pour mettre en forme des pièces en polymère, chargées en poudre métallique ou pas.

[0003] Comme illustré en figure 1 , ce procédé FFF consiste à construire une pièce couche par couche à l’aide d’une imprimante 5, par dépôt d’un filament de plastique ou composite fondu. Ce filament se solidifie ensuite en refroidissant. Cette imprimante est constituée d’une plateforme 6, un support matériel 7, une tête d’extrusion 8 et une partie de filament 10.

[0004] Les liants plastiques du filament ne servent que de vecteur de mise en forme. Ces liants plastiques sont ensuite ôtés par des opérations dites de déliantage. Une pièce dite « pièce brune » est alors obtenue. Puis après une opération de frittage, une pièce finale frittée est obtenue.

[0005] Ce procédé FFF utilise une bobine de filament dont le diamètre est compris entre 1 ,75 mm et 2,85 mm. Une composition d’un mélange de poudre métallique et de liant plastique est utilisée pour obtenir ledit filament. Cette composition comprend 9% en masse de polyoxymethylène copolymère (POM-C), 1% en masse de polypropylène (PP) et 90% en masse ou 60% en volume d’une poudre métallique.

[0006] Des essais sur une ligne d’extrusion montrent qu’un tel filament extrudé est très cassant à froid. Il en résulte que l’enroulage dudit filament sur une bobine ne peut être réalisé qu’en le maintenant à une température comprise entre 70°C et 90°C pour laquelle le filament reste suffisamment souple.

[0007] Comme illustré en figure 2, cette température de chauffe a un effet sur un module d’élasticité et une ductilité du matériau. La figure 2 comprend deux graphiques : un premier graphique illustrant une contrainte de flexion en MPa 12 en fonction d’un allongement en pourcentage 14 et un second graphique illustrant un rayon de bobine en mm 16 en fonction dudit allongement 18. Dans le premier graphique, un premier type de courbes 20 correspond à des essais de flexion réalisé à une température ambiante alors qu’un second type de courbes 22 correspond à des essais de flexion réalisés à 80°C. On note ainsi qu’à 80°C, un allongement à la rupture du matériau est supérieur à 5% alors qu’à température ambiante, l’allongement à la rupture du matériau n’excède pas 0,5%. Ces deux graphiques démontrent que l’enroulage sur une bobine ayant un rayon interne de 70 mm doit être réalisé à une température comprise entre 70°C et 90°C.

[0008] Ces observations concernant un enroulage de filament sont également valables pour un déroulage de filament. Le déroulage de filament doit donc être réalisé à chaud dans la même gamme de température. Cela est difficile à mettre en œuvre et génère des contraintes notables sur ledit procédé. Comme illustré en figure 3, il faut, en effet, une imprimante permettant un réchauffage 24 de la bobine dans cette même gamme de température.

[0009] La présente invention vise à remédier à cette problématique de façon simple et peu coûteuse.

Résumé

[0010] Le présent document concerne un procédé de fabrication d’une bobine d’un filament, ledit procédé comprenant les étapes :

- extruder un mélange de liants cristallins ou semi-cristallins et d’au moins 90% en masse ou 60% en volume de poudre métallique ou céramique de sorte à obtenir un filament ;

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

- enrouler ledit filament, autour de la bobine, à une température comprise entre 10°C et une température inférieure à la température de trempe.

[0011] Grâce à l’étape de trempe, le taux de cristallinité dans lesdits liants est abaissé, ce qui a pour conséquence de rendre le filament plus souple. En effet, un module d’élasticité est abaissé et une ductilité est augmentée par rapport aux méthodes de l’art antérieur. Ainsi, les risques de casse du filament lors d’une manipulation au cours de l’enroulage ou du déroulage sont évités.

[0012] Grâce au procédé selon l’invention, aucune modification de composition du mélange de liants et de poudre métallique ou céramique n’est nécessaire. En effet, une modification de la composition du mélange obligerait à recommencer les études relatives au déliantage et au frittage qui sont deux étapes intervenant postérieurement à l’obtention dudit filament. Ainsi, une augmentation de la teneur en liant pour rendre le filament plus souple augmente un retrait en frittage. Aucune des étapes actuelles du procédé FFF ne nécessite de réajustement, ce qui facilite la mise en place des nouvelles étapes du procédé de fabrication de la bobine de filament.

[0013] Ce procédé permet d’éviter d’avoir recours au réchauffage dudit filament lors de l’enroulage au cours de la fabrication et/ou lors de son utilisation sur une imprimante au moment du déroulage au cours du procédé FFF. Il évite aussi d’avoir recours à un compartiment chauffé dans lequel le filament est assoupli avant de pénétrer dans la chambre de fabrication et simplifie ainsi la conception de l’imprimante.

[0014] La température de trempe peut être comprise entre 10°C et 80°C.

[0015] Cette température permet de diminuer le taux de cristallinité et ainsi de favoriser une souplesse du filament.

[0016] La trempe peut comprendre un bain de refroidissement à eau ou avec un autre liquide thermostaté ou un flux de gaz à température contrôlée.

[0017] Le liant semi-cristallin peut comprendre un copolymère de polyoxymethylène (POM- C) et du polypropylène (PP).

[0018] Le filament peut avancer dans un bain de trempe avec un débit massique compris entre 100 g/min et 140 g/min.

[0019] Ce débit massique est décidé sur un critère de vitesse de refroidissement dudit filament de façon à assurer l’obtention d’un taux de cristallinité inférieur à une valeur cible, garantissant les propriétés du matériau.

[0020] Une vitesse d’avance du filament dans un bain de trempe peut être comprise entre 7 m/min et 10 m/min.

[0021] Une durée de la trempe peut être comprise entre 2 secondes et 20 secondes.

[0022] Cette durée de trempe favorise la diminution du taux de cristallinité. En effet, plus le refroidissement sera rapide et moins le taux de cristallinité sera élevé.

[0023] Le filament peut avoir un diamètre compris entre 1 ,5 mm et 3 mm, préférablement entre 1 ,75 mm et 2,0 mm.

[0024] La bobine d’enroulage peut comprendre comme dimensions : un diamètre externe compris entre 60 mm et 160 mm, préférentiellement 130 mm et une hauteur comprise entre 20 mm et 80 mm, préférentiellement 52 mm.

Brève description des dessins [0025] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

[0026] [Fig. 1] montre une imprimante utilisée dans un procédé FFF.

Fig. 2

[0027] [Fig. 2] montre un premier graphique illustrant des essais flexions trois points sur un filament à température ambiante et à 80°C, ce premier graphique étant aligné sur un second graphique illustrant un rayon de bobine en mm en fonction d’une déformation en %.

Fig. 3

[0028] [Fig. 3] montre une machine de fabrication additive avec un compartiment chauffé pour une bobine de filament.

Fig. 4

[0029] [Fig. 4] montre un logigramme représentant un procédé de fabrication d’une bobine de filament, selon l’invention.

Fig. 5

[0030] [Fig. 5] montre une ligne d’extrusion d’un filament A.

Fig. 6

[0031] [Fig. 6] montre une ligne d’extrusion d’un filament B.

Fig. 7

[0032] [Fig. 7] montre des essais flexions trois points sous forme d’un graphique ayant en ordonnée une contrainte de flexion en MPa et en abscisse une déformation.

Fig. 8

[0033] [Fig. 8] montre un exemple illustrant une souplesse du filament B.

Fig. 9

[0034] [Fig. 9] montre une analyse calorimétrique différentielle à balayage réalisée sur le filament B.

Fig. 10

[0035] [Fig. 10] montre une analyse calorimétrique différentielle à balayage réalisée sur un mélange de liant cristallin ou semi-cristallin et de poudre métallique ou céramique.

Fig. 11 [0036] [Fig. 11] montre des essais de flexion réalisés sur des filaments B avec et sans recristallisation.

Fig. 12

[0037] [Fig. 12] montre une influence de la trempe sur des propriétés en flexion réalisés sur des éprouvettes.

Description des modes de réalisation

[0038] Comme illustré en figure 4, le présent document concerne un procédé de fabrication d’une bobine d’un filament 1 .

[0039] Ce procédé comprend une première étape d’extrusion 2 d’un mélange de liants cristallins ou semi-cristallins et d’au moins 90% en masse ou 60% en volume de poudre métallique ou céramique de sorte à obtenir un filament. Les liants semi-cristallins comprennent un copolymère polyoxymethylène (POM-C) qui est un copolymère semi- cristallin et du polypropylène (PP).

[0040] Ledit procédé comprend une deuxième étape de réalisation d’une trempe 3 dudit filament. Par trempe, on entend un refroidissement rapide. Par rapide, on entend une durée de la trempe comprise entre 2 secondes et 20 secondes. La trempe est réalisée avec un débit massique compris entre 100 et 140 g/min. Cela revient à une vitesse d’avance du filament dans le bain de trempe comprise entre 7 m/min et 10 m/min. Un diamètre du filament est compris entre 1 ,5 mm et 3 mm et est préférablement compris entre 1 .75 mm et 2.0 mm. Cette étape de trempe est configurée pour diminuer de 5% à 15% un taux de cristallinité dans lesdits liants. Une température de trempe est comprise entre 10°C et 80°C. Cette étape de trempe comprend un bain de refroidissement à eau ou avec un autre liquide thermostaté ou un flux de gaz à température contrôlée.

[0041] Ce procédé comprend une troisième étape d’enroulage dudit filament 4 autour de la bobine. Cet enroulage est réalisé à une température comprise entre 10°C et une température inférieure à la température de trempe. Il est possible, par la suite, de dérouler ladite bobine à une température comprise entre 10°C et une température inférieure à la température de trempe dudit procédé, préférentiellement à température ambiante.

[0042] Des explications sur la modification des propriétés mécaniques à la suite d’une étape de trempe sont données ci-dessous.

[0043] Afin de comparer les effets d’une étape de trempe sur ledit filament, deux filaments sont considérés :

- filament A : extrudé et enroulé selon l’art antérieur, c’est-à-dire avec un enroulage à chaud à 80°C. - filament B : extradé, puis trempé en sortie d’extrudeuse par séjour dans un bac d’eau de température comprise entre 70°C et 80°C avant enroulage.

[0044] Lesdits filaments A et B comportent la même composition : 9% en masse de polyoxymethylène copolymère (POM-C), 1% en masse de polypropylène (PP) et 90% en masse ou 60% en volume d’une poudre métallique.

[0045] Comme illustré en figure 5, le filament A suit une ligne comprenant : une extrudeuse 26 mono-vis, un tapis de tirage 28 configuré pour étirer le filament et réduire un diamètre dudit filament A de 2 mm à 1 ,75 mm, et un enrouleur 30 configuré pour entrainer en rotation ledit filament A et l’enrouler.

[0046] Comme illustré en figure 6, le filament B suit une ligne comprenant : une extrudeuse 26, un bain de refroidissement 32 configuré pour réaliser une trempe, des fours 34, un tapis de tirage 28, des moyens de contrôle d’un diamètre du filament B et un enrouleur configuré pour entrainer en rotation ledit filament B et l’enrouler.

[0047] Une unique différence entre la ligne du filament A et la ligne du filament B est que le filament A est enroulé à chaud alors que le filament B est refroidi lors d’une étape de trempe. La figure 7 illustre un graphique représentant une contrainte de flexion en MPa 36 en fonction d’une déformation 38 lors d’essais de flexion trois points sur le filament A illustrés par des courbes X et sur le filament B illustrés par des courbes Y. Comme illustré sur cette figure 7, il résulte de cette différence que le filament B comporte un module d’élasticité plus faible que le filament A et une ductilité trois fois supérieure au filament A. Cette ductilité du filament B 40 est facilement observable sur la figure 8 par la facilité de manipulation dudit filament B.

[0048] Des essais de calorimétrie à balayage différentiel (DSC) ont été réalisés sur le filament B. Le filament B a subi le protocole suivant :

- un premier cycle où le filament B est chauffé de 20°C à 200°C à une vitesse de 10°C/min puis refroidi à une vitesse de 10°C/min jusqu’à 20°C ;

- un second cycle, identique au premier.

[0049] Le premier cycle est configuré pour analyser pendant la chauffe l’état du filament B de façon analogue à ce qui se passe lors de l’étape d’extrusion. Le refroidissement lent en fin de premier cycle est configuré pour réaliser une cristallisation du liant semi-cristallin POM-C. La mesure d’un pic de fusion lors de la chauffe du second cycle est configurée pour établir les propriétés du filament B ayant subi le refroidissement lent à l’issue du premier cycle et les comparer à celles du filament tel qu’à l’issue de l’étape d’extrusion du procédé de fabrication d’une bobine de filament selon l’invention. [0050] La figure 9 illustre les résultats des essais de DSC sur le filament B sous forme de graphique avec en ordonnée un flux de chaleur en mW 42 et en abscisse une température en °C 44. Le premier cycle et le second cycle sont représentés donnant lieu à deux courbes de chauffe 46, 48 et une unique courbe de refroidissement 50, les refroidissements du premier cycle et du second cycle étant confondus. On constate que le second cycle de chauffe 46 demande plus d’énergie que le premier cycle de chauffe 48 : une enthalpie de fusion est 14% plus élevée sur le second cycle que sur le premier cycle. En effet, pour le premier cycle de chauffe l’enthalpie de fusion est de 12,4 J/g alors que lors du second cycle de chauffe, l’enthalpie de fusion passe à 14,3 J/g. Cette différence d’enthalpie de fusion indique une différence de taux de cristallinité entre la première chauffe et la seconde chauffe, montrant que lorsque le filament B est refroidi lentement, ce filament cristallise plus que lorsqu’il n’est pas refroidi lentement. Comme illustré en figure 10 sur le résultat DSC d’un mélange de liant cristallin ou semi-cristallin et de poudre métallique ou céramique n’ayant donc pas subi d’étape de trempe, l’enthalpie de fusion de ce mélange se situe autour de 14,4 J/g.

[0051] Cette diminution du taux de cristallinité influence directement les propriétés mécaniques du filament. Cela est démontré par comparaison de résultats d’essais de flexion entre le filament A et le filament B. On fait subir, en plus, au filament B un isotherme de recristallisation à 145°C pendant 20 minutes.

[0052] La figure 11 illustre des essais de flexion trois points par une courbe avec en ordonnée une contrainte de flexion 36 et en abscisse une déformation de flexion 38. Deux types de courbe sont représentées : les courbes Z représentent des essais flexions sur un filament B ayant subi un isotherme de recristallisation à 145°C pendant 20 minutes alors que les courbes Z’ représentent le filament B ayant reçu une étape de trempe conformément à l’invention. Cette figure 11 montre qu’après recristallisation, une valeur moyenne de déformation à la rupture est divisée d’environ un tiers par rapport au filament B si l’on compare les courbes Z aux courbes Z’. Cela confirme le lien entre taux de cristallinité et propriété mécaniques.

[0053] Ainsi, en augmentant la température de l’isotherme, il est possible d’augmenter les propriétés mécaniques du filament B pour atteindre celles du filament A qui est rigide et cassant.

[0054] L’effet de la trempe réalisée dans le procédé de fabrication de la bobine de filament selon l’invention a été mis en évidence par des essais de flexion sur des éprouvettes. Ces éprouvettes sont réalisés avec le mélange de poudre de liant cristallin ou semi-cristallin et de la poudre métallique ou céramique selon l’invention. Ces essais de flexion sont illustrés en figure 12 représentant la contrainte de flexion en MPa 36 en fonction de la déformation de flexion 38. T rois types de courbes ont été réalisés : les courbes T pour lesquelles aucune trempe n’a été effectuée, les courbes T’ pour lesquelles une trempe à 20°C a été effectuée et les courbes T” pour lesquelles une trempe à 60°C a été effectuée.

[0055] On constate que la réalisation d’une trempe multiplie en moyenne par 5 la déformation à la rupture. La température de l’eau à laquelle est effectuée la trempe joue un rôle sur les propriétés du mélange des liants ou semi-liants cristallins et de la poudre métallique ou céramique.

[0056] Cette solution, permettant l’enroulage et/ou le déroulage du filament chargé au moins à 90% en masse ou 60% en volume de poudre métallique ou céramique sans casse et consistant à réaliser une trempe, n’est pas évident pour l’homme du métier car rien ne l’inciterait à faire une trempe pour permettre l’enroulement dudit filament puisque la trempe réalisée lors de l’extrusion de thermoplastiques a un but différent. En effet, un bain de refroidissement dans lequel le filament passe après l’extrusion est présente sur les lignes d’extrusion polymères car ces matériaux mettent du temps à se refroidir. Il est alors primordial que ces polymères soient refroidis pour les enrouler autour d’une bobine tout en conservant une section circulaire. En accélérant le refroidissement, on augmente la cadence de production. Mais dans le cas d’un mélange de liants cristallins ou semi- cristallins et de poudre métallique ou céramique hautement chargé extrudé à des vitesses relativement lentes de l’ordre de quelques mètres par minute par rapport à plusieurs dizaines de mètres de filament par minute pour les polymères, un bain de refroidissement ne présente pas un intérêt pour la cadence de production.

[0057] Le taux de cristallinité relatif du mélange de liants et de poudre métallique ou céramique trempé notée x_c peut être calculée à partir de la formule suivante :

[0058] Avec :

- H_meiange, l’enthalpie de fusion mesurée en DSC sur l’échantillon du mélange de liants cristallins ou semi-cristallins et de poudre métallique ou céramique,

- W_P0M, fraction massique de liant POM dans le mélange, H°_POM, I enthalpie de fusion théorique du liant pur,

[0059] Avec H°_P0M= 320J/g selon la littérature, nous obtenons un taux de cristallinité égal à 43% pour le mélange trempé. Pour le mélange non trempé, le taux de cristallinité est proche de 50%. Le taux de cristallinité du liant contenu dans le mélange trempé à 60°C est donc 7% plus faible que celui du mélange non trempé. [0060] Avec H°_P0M= 240 J/g selon la littérature, nous obtenons un taux de cristallinité égal à 57% pour le mélange trempé. Pour le mélange non trempé, le taux de cristallinité est proche de 66%. Le taux de cristallinité du liant contenu dans le mélange trempé à 60°C est donc 10% plus faible que celui du mélange non trempé avec H°_P0M= 240 J/g.

Claims

Revendications

[Revendication 1] Procédé de fabrication d’une bobine d’un filament (1), ledit procédé comprenant les étapes :

- extruder (2) un mélange de liants cristallins ou semi-cristallins et d’au moins 90% en masse ou 60% en volume de poudre métallique ou céramique de sorte à obtenir un filament ;

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

- enrouler ledit filament (4) , autour de la bobine, à une température comprise entre 10°C et une température inférieure à la température de trempe.

[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la température de trempe est comprise entre 10°C et 80°C.

[Revendication 3] Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la trempe comprend un bain de refroidissement à eau ou avec un autre liquide thermostaté ou un flux de gaz à température contrôlée.

[Revendication 4] Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le liant semi-cristallin comprend un copolymère de polyoxymethylène (POM-C) et du polypropylène (PP).

[Revendication 5] Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le filament avance dans un bain de trempe avec un débit massique compris entre 100 g/min et 140 g/min.

[Revendication 6] Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une vitesse d’avance du filament dans un bain de trempe est comprise entre 7 m/min et 10m/rnin.

[Revendication 7] Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une durée de la trempe est comprise entre 2 secondes et 20 secondes.

[Revendication 8] Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le filament a un diamètre compris entre 1 ,5 mm et 3 mm, préférablement compris entre 1.75 mm et 2.0 mm.

[Revendication 9] Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la bobine d’enroulage comprend comme dimensions : un diamètre externe compris entre 60 mm et 160 mm, préférentiellement 130 mm et une hauteur comprise entre 20 mm et 80 mm, préférentiellement 52 mm.