Brevet FR2567668A1 — publié le 19860117

Dispositif pour réaliser un modèle de pièce industrielle La présente invention concerne un dispositif pour réaliser un modèle de pièce industrielle. Il peut être utile de disposer de quelques modèles d'une pièce industrielle, par exemple d'une pièce mécanique, avant de lancer une fabrication en série d'une telle pièce. Ces modèles peuvent etre en général réalises en un matériau différent de celui de la pièce définitive. Ils peuvent servir à réaliser des essais préliminaires tels que des études hydrodynamiques ou en souf- flerie. Ils peuvent être nécessaires aussi pour effectuer des études commerciales de marché. Ils peuvent être utiles enfin pour réaliser des moules de fabrication. Or, on sait que l'étude et la mise au point de nouvelles pièces industrielles sont actuellement facilitées et accélérées par l'emploi de la méthode dite de "conception assitée par ordinateurs (C.A.O.). Lorsqu'on utilise cette méthode, la forme de la pièce est déterminée à l'aide d'un ordinateur, de sorte que les données chiffrées définissant la forme de la pièce sont disponibles dans les mémoires de sortie de cet ordinateur. Pour réaliser actuellement des modèles de telles pièces, il est nécessaire d'abord de faire effectuer des plans cotés au bureau d'étude à partir de ces données chiffrées, puis de réaliser des maquettes dans un atelier mécanique, de façon artisanale. Cette méthode de réalisation de modèles présente l'inconvénient d'être longue et coûteuse. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif pour fabriquer rapidement et à un moindre coût des modèles de pièces industrielles à partir de données chiffrées définissant la forme de ces pièces. La présente invention a pour objet un dispositif pour réaliser un modèle de pièce industrielle, caractérisé en ce qu'il comporte - un système de mémoires contenant des informations représentatives de la forme de la pièce industrielle, - un circuit de traitement, relié au système de mémoires et capable de délivrer, à partir de ces informations, des signaux représentatifs de la position d'éléments du volume de la pièce, ces éléments réunis formant tout le volume de la pièce, les signaux étant délivrés successivement pour une suite desdits éléments ordonnés suivant un premier balayage du volume de la pièce, - une cuve contenant un liquide monomère, - un générateur d'un rayonnement laser, relié à la sortie du circuit de traitement, ce rayonnement étant apte à provoquer, par polymérisation, la solidification du liquide monomère lorsqu'il reçoit le rayonnement - et des moyens de commande, reliés au circuit de traitement, pour diriger le rayonnement laser, en réponse auxdits signaux, successivement vers des portions du liquide monomère de la cuve suivant un deuxième balayage identique au premier balayage, le deuxième balayage steffec- tuant à partir du fond de la cuve afin de solidifier successivement lesdites portions et former ledit modèle reposant sur le fond de la cuve. Selon un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, le générateur comporte un émetteur laser capable d'émettre ledit rayonnement et une fibre optique apte à transmettre ce rayonnement, une extrémité de cette fibre étant couplée à la sortie de l'émetteur laser, et le circuit de commande comporte des moyens reliés au circuit de traitement pour déplacer dans la cuvre l'autre extrémité de la fibre optique suivant ledit deuxième balayage en regard desdites portions du liquide monomère. Selon un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, le deuxième balayage s'effectue par plans successifs horizontaux, le niveau de ces plans au dessus du fond de la cuve augmentant progressivement au cours du balayage, le dispositif comporte des moyens d'alimentation de la cuve en liquide monomère et des moyens d'asservissement reliés aux moyens d'alimentation et au circuit de traitement pour régler au cours du deuxième balayage le niveau du liquide monomère dans la cuve à une valeur égale à celle desdits plans successifs, le générateur comporte un émetteur laser capable d'émettre ledit rayonnement et un réflecteur disposé pour renvoyer verticalement le rayonnement de l'émet teur laser vers la surface d'équilibre du liquide monomère dans la cuve, et le circuit de commande comporte des moyens de déplacement horizontaux du réflecteur par rapport à la cuve de façon qu'à chaque instant lesdites portions du volume du liquide monomère soient illuminées par ledit rayonnement suivant le deuxième balayage. Des formes particulières d'exéeution de l t obJet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue dans l'espace d'une partie du dispositif Illustré par la figure 1, - la figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention - et la figure 4 est une vue dans l'espace d'une partie du dispositif illustré par la figure 3. Sur la figure 1, est représenté un système de mémoires I, disposé å la sortie d'un ordinateur non représenté qui a été utilisé pour deter- miner par la méthode C##.O, les caractéristiques d'une pièce telle qu'une bielle. Un générateur laser 2 est connecté à la sortie du sys tème 1 à travers un circuit de traitement 3. Ce générateur laser peut azure par exemple du type à excimères. A la sortie du laser 2 est fixée une extrémité d'une fibre optique 4 Un tube rigide rectiligne 5 entoure une partie de la surface cylindrique de la fibre 4, cette partie étant située du coté de l'autre extrémité de la fibre 4. Le tube 5 peut coulisser verticalement dans un manchon 6 à l'aide d'une crémaillère accouplée à un moteur 7 connecté électriquement à la sortie du circuit de traitement 34 La face plane de l'extrémité libre de la fibre 4 plonge dans un liquide 8 contenu dans une cuve parallélépipédique 9 représentée en coupe .Le liquide s est formé d'un matériau monomère mélangé avec un matériau sensibilisateur. Le dispositif illustré par la figure 1 comporte des moyens de déplacement du manchon 6 dans un plan 10 disposé parallèlement au-dessus du fond horizontal de la cuve. Ces moyens comportent des moteurs elee- triques 11 connectés à la sortie du circuit 3. La figure 2 permet de mieux se rendre compte comment peuvent etre réalisés les moyens de dêplacement du manchon 6 e deux moteurs électriques 11 et 12 respectivement solidaires de deux rails 14 et 15 sont fixés longitudinalement sur deux bords supérieurs #parallèles de la cuve 9. Deux vis sans fin sont fixées respectivement au bout des arbres des deux moteurs 11 et 12 et entraient deux pignons dentés dont les axes sont fixés sur deux chariots mobiles 16 et 17 coulissant le long des rails 14 et 15. Un troisième rail 18 est fixé transversalement sur les chariots 16 et 17. Un moteur 13 fixé à une extrémité du rail 18 entrain, par l'intermédiaire d'une autre vis sans fin et d'un autre pignon denté, un chariot 19 coulissant le long du rail 18. Le manchon 6 et le moteur 7 sont fixés sur le chariot 19. Le dispositif illustré par les figures 1 et 2 fonctionne de la manière suivante. Les mémoires du système 1 contiennent des informations par exemple digitales, représentatives de la formé de la pièce dont les caractéristiques ont été déterminées à l'aide de l'ordinateur suivant la méthode C.A.O. Le volume de la pièce est divisé en un certain nombre d'éléments et les informations déterminent la position des différents éléments de la pièce par rapport à un système de référence tel qu'un système d'axes trirectangles. Le circuit de traitement 3 permet de classer ces informations dans l'ordre d'un balayage du volume de la pièce et de délivrer des signaux de positionnement correspondants.Ces signaux sont transmis aux moteurs 11 et i2 qui fonctionnent en synchronisme de façon à maintenir le rail 18 perpendiculaire aux rails 14 et 15 et à régler dans le plan 10 la position longitudinale du manchon 6 par rapport à la cuve 9, le moteur 13 permettant de régler la position transversale du manchon 6, tandis que le moteur 7 permet de régler la position verticale de la face extrême de la fibre optique immergée dans le liquide 8.Chaque fois que le circuit de traitement délivre un signal représentatif de la position d'un élément du volume de la pièce, les moteurs 7, 11, 12 et 13 dirigent l'extrémité 20 de la fibre optique 4 en regard d'une portion du liquide de la cuve 9, suivant un balayage identique à celui des éléments du volume de la pièce. Ces portions sont disposées entre elles de manière identique à celle des éléments du volume de la pièce. Le générateur laser 2 émet une ou plusieurs impulsions chaque fois que l'extrémité 20 est disposée, sous l'action des moteurs, en regard d'une portion du liquide de la cuve. Ces impulsions sont conduites par la fibre 4 vers l'extrémité 20, ce qui provoque par polymérisation du liquide monomère contenu dans la cuve, la solidification de ladite portion. En effet, la longueur d'onde d'émission du générateur laser 2 est telle que le rayonnement laser provoque une telle polymérisation, la solidification du liquide n'étant réalisée qu'au voisinage de l'entrée du rayonnement dans le liquide. Les liquides monomères qui peuvent être utilisés dans le dispositif selon la présente invention peuvent être classés en deux catégories principales : les monomères unifonotionnels et les monomères poly fonctionnels. Les monomères unifonctionnels se polymérisent par réactions en channe droite sous l'effet du rayonnement laser, tandis que les monomères polyfonctionnels se polymérisent par réactions avec branehea ment, ou par réticulation.Avec un monomère polyfonctionnel, plus l'in- tensité du rayonnement est importante, plus la dureté du matériau solin difié est élevée : dans le cas d'un laser fonctionnant par impulsions, le nombre d'impulsions délivrées en regard de chaque portion du volume de la cuve permet ainsi de régler la dureté du matériau du modèle de la pièce. ss titre indicatif, on peut utiliser une résine acrilique styrène comme monomère unifonctionnel, tandis que le diméthylacrilate de triéthylène-glycol est un monomère polyfonctionnel Il est préférable d'ajouter au liquide monomère une petite quantité d'un produit sensibis lisateur tel que le méthyléther de benzoine de façon à augmenter la vitesse de polymérisation. L'emploi d'un sensibilisateur peut permettre aussi d'employer une source laser émettant en lumière visible, alors qu'il est généralement nécessaire d'utiliser un générateur laser émettant dans la gamme ultraviolette lorsque le liquide contenu dans la cuve ne comporte pas de sensibilisateur. Bien entendu, le début du balayage du volume de la cuve par ltex- trémité 20 de la fibre optique doit impérativement s'effectuer suivant le fond horizontal de la cuve, de façon à solidifier d'abord une partie du modèle reposant de manière stable sur le fond de la cuve. Ce balayage se poursuit ensuite de proche en proche de façon à solidifier successivement toutes les portions du modèle. Pour éviter l'encrassement de l'extrémité 20 de la fibre optique 4 par collage du liquide polymérisé, on peut soit interposer un solvant, tel que liteau, entre la face extrême de la fibre et le liquide monomère, soit ajouter au liquide monomère une petite quantité d'un produit retardateur de polymérisation tel que l'hydroquinone pour que cette polymérisation n'ait lieu que lorsque la fibre a quitté la zone illuminée par le rayonnement laser. La figure 3 représente schématiquement un dispositif selon l'invention capable d'éviter les difficultés de mise en oeuvre provoquées par cet encrassement de l'extrémité de la fibre optique. Le dispositif visible sur la figure 3 comporte un système de mémoires 1 dont la sortie est reliée à un circuit de traitement 3. Un générateur laser relié au circuit 3 émet un rayonnement 21 qui est concentré sur une portion 22 du volume d'une cuve 9 par un système optique convergent 23. Un système de commande 24 branché entre la sortie du circuit 3 et le système optique 23 permet de régler la distance de focalisation du système optique 23. Le dispositif comporte des moyens de déplacement du système optique 23 dans un plan horizontal 25 parallèle au fond de la cuve 9. Ces moyens comportent des moteurs 11 reliés à la sortie du circuit 3. Un système d'alimentation de la cuve 9 en liquide monomère comporte une canalisation 26 reliant un réservoir 27 de ce liquide à l'intérieur de la cuve 9. Une pompe électrique 28, commandée par un système d'asservissement 29 du niveau 30 du liquide monomère dans la cuve 9, est placée en série sur la canalisation 26. L'entrée du système 29 est reliée électriquement à la sortie du circuit de traitement 3. La figure 4 représente un mode de réalisation des moyens de déplacement du système optique 23 au dessus de la cuve 9. Ces moyens comprennent, comme le dispositif faisant l'objet des figures 1 et 2, deux moteurs 11 et 12 solidaires de deux rails 14 et 15 fixés longitudinalement sur deux bords supérieurs parallèles de la cuve 9. Les arbres de sortie des moteurs 11 et 12 sont reliés, par des systèmes d'engrenage à vis sans fin, à deux chariots mobiles 16 et 17 coulissant le long des rails 14 et 15. Un troisième rail 18 est fixé transversalement sur les chariots 16 et 17. Un moteur 13 fixé à une extrémité du rail 18 est relié, par un système d'engrenage à vis sans fin, à un chariot 19 coulissant le long du rail 18.Un générateur laser 2 est disposé de manière à délivrer un faIsceau 31 parallèle au rail 15 vers un réflecteur 32 fixé sur le chariot 17. Le faisceau 31 est réfléchi horizontalement par le réflecteur 32 parallèlement au rail 18 vers un autre réflecteur 33 finé sur le chariot 19. Le réflecteur 33 réfléchit verticalement le faisceau qu'il reçoit vers le système optique 23 à axe optique vertical. Le systerme optique concentre l'énergie laser dans une portion 22 du liquide de la cuve, cette portion étant située sur la surface d'équilibre 30 du liquide monomère disposé dans la cuve.La figure 4 montre égalcsent le réservoir 27 de liquide monomère relié par une canalisation 26 au volume intérieur de la cuve, la pompe 28 disposée sur la canalisation 26 et le système d'asservissement 29 du niveau 30 du liquide dans la cuve, ce système 29 étant relié à la pompe 28 Lc dispositif Illustré par les figures 3 et 4 fonctionne de la manière suivante. Comme dans le dispositif précédent, les signaux de positionnemen'# des éléments de la pièce à reproduire sont transmis par le circuit 3 aux moteurs 11 et 12 qui déplacent les chariots 16 et 17 de façon a régler dans le plan 25 la position longitudinale du système optique 23 par rapport à la cuve 9. Ces signaux sont également transmis au moteur 13 qui règle la position transversale du système optique 23 Par ailleurs, le circuit de commande 24 qui reçoit aussi les signaux du circuit 3 agit sur la position verticale d'une lentille du système optique 23 de façon à régler sa distance de focalisation. Les signaux émis par le circuit 3 sont rangés dans l'ordre diun balayage des éléments de la pièce,# ce balayage s'effectuant par plans successifs horizontaux. Donc chaque fois que le circuit 3 émet un signal représentatif d'un élément du volume de la pièce, la zone de concentra- tion du faisceau laser est réglée sur une portion 22 du volume de la cuve, ces portions étant balayées suivant un balayage identique à celui des volumes de la pièce, les plans de balayage se déplaçant du bas en haut de la cuve. Le système 29 qui comporte un capteur du niveau 30 du liquide dans la cuve9 commande la pompe 28 à partir des signaux du circuit 3 de façon à régler le niveau 30 de la cuve à une hauteur qui correspond sensiblement à celui des plans successifs de balayage. Par conséquent les portions 22 sont toujours situées sur la surface d'équilibre 30 du liquide dans la cuve. Les impulsions laser solidifient ainsi successivement des couches successives du matériau de la cuve ayant la forme de la pièce à reproduire, la première couche solidifiée reposant sur le fond horizontal de la cuve 9. En général lesdites portions du liquide de la cuve se présentent sous la forme d'un petit volume quasiment sphérique qui correspond au volume de concentration du système optique 23, la précision avec laquelle est réalisée le modèle étant dwautant plus grande que ce volume est petit. Il est possible de réaliser des systèmes optiques cylindriques qui procurent des volumes de concentration linéaires filiformes, ce qui peut etre avantageux dans certains cas. Un petit objet de surface 0,2 em et d'épaisseur 0,5 mm a été réalisé à l'aide d'un dispositif analogue à celui représenté sur les figures 3 et 4. Dans ce dispositif le laser était un générateur à chlorure de Xénon émettant un rayonnement de longueur d'on#e 308 nm. Le liquide était composé d'un mélange de dlméthylacrylate de triéthylène-glycol et de méthyléther de benzotne La réalisation de cet objet a nécessité 300 impulsions laser de 10 m J. Ces impulsions ont été émises à une cadence de 1 tir par seconde :la durée de réalisation de l'objet était donc de 5 minutes. Bien entendu l'énergie des impulsions laser et la cadence de tir peuvent etre largement augmentées. Bien que les dispositifs décrits ei-dessus utilIsent un générateur laser à impulsions, Il est possible de réaliser des dispositifs selon l'invention fonctionnant à laide d'un générateur laser émettant un faisceau de rayonnement continu. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour réaliser un modèle de pièce industrielle, caractérisé en ce qu'il comporte - un système (1) de mémoires contenant des informations représentatives de la forme de la pièce industrielle, - un circuit (3) de traitement, relié au système (1) de mémoires et capable de délivrer, à partir de ces informations, des signaux représentatifs de la position d'éléments du volume de la pièce, ces éléments réunis formant tout le volume de la pièce, les signaux étant délivrés successivement pour une suite desdits éléments ordonnés suivant un pre mier balayage du volume de la pièce, - une cuve (9) contenant un liquide monomère (8), - un générateur (2) d'un rayonnement laser, relié à la sortie du circuit (3) de traitement, ce rayonnement étant apte à provoquer, par polymérisation, la solidification du liquide monomère (8) lorsqu'il reçoit le rayonnement - et des moyens (7, 11) de commande, reliés au circuit (3) de traitement, pour diriger le rayonnement laser, en réponse auxdits signaux, successifs vement vers des portions du liquide monomère de la cuve suivant un deuxième balayage identique au premier balayage, le deuxième balayage s'effectuant à partir du fond de la cuve (9) afin de solidifier successivement lesdites portions et former ledit modèle reposant sur le fond de la cuve 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement émis par le générateur (2) comporte une suite d'impulsions. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que - ledit générateur comporte un émetteur laser (2) et une fibre optique (4) apte à transmettre le rayonnement de l'émetteur laser, une extrémité de cette fibre étant couplée à la sortie de l'émetteur laser - et que le circuit de commande comporte des moyens (7, 17 à 13) reliés au circuit (3) de traitement pour déplacer dans la cuve (9) l'autre extrémité (20) de la fibre optique (4) suivant ledit deuxième balayage en regard desdites portions du liquide monomère (8). 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que - le deuxième balayage s'effectue par plans successifs horizontaux, le niveau de ces plans au dessus du fond de la cuve augmentant progressivement au cours du balayage, - il comporte . des moyens d'alimentation (26, 27, 28) de la cuve (9) en liquide monomère (8) . et des moyens d'asservissement (29) reliés aux moyens d'alimen tation et au circuit de traitement pour régler, au cours du deuxième balayage, le niveau (30) du liquide monomère dans la cuve à une valeur égale à celle desdits plans successifs, - le générateur comporte un émetteur laser (2) et un système optique (23) disposé pour renvoyer verticalement le rayonnement (31) de l'émetteur laser vers la surface d'équilibre (30) du liquide monomère dans la cuve (9) - et le circuit de commande comporte des moyens (11 à 13) de déplacement horizontal du système optique (23) par rapport à la cuve (9) de façon qu'à chaque instant lesdites portions du volume du liquide monomère soient illuminées par ledit rayonnement suivant le deuxième balayage et des moyens (24) reliés au circuit (3) de traitement pour régler la distance de focalisation du système optique (23). 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide monomère (8) comporte un sensibilisateur apte à accélérer la vitesse de polymérisation. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide monomère (8) comporte un retardateur de polymérisation. 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide monomère (8) est du type unifonctionnel. 8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide monomère (8) est du type polyfonctionnel.