Brevet FR2678532A1 — publié le 19930108

La présente invention concerne la fabrication d'objets par stéréolithographie à partir de poudres ou de granulés. Il est souhaitable de pouvoir disposer de quelques modèles d'une pièces industrielle telle, notamment, qu'une pièce mécanique, avant d'en lancer la fabrication en série. Actuellement, pour réaliser des modèles de telles pièces, il est nécessaire de faire tout d'abord effectuer des plans cotés au bureau d'étude à partir de données chiffrées qui définissent la forme de la pièce. Depuis quelques années, la méthode de "Conception Assistée par Ordinateur" (CAO) est utilisée pour définir la forme de cette pièce. Il a été proposé un procédé et un dispositif de production de modèles de pièces industrielles utilisant les données chiffrées disponibles dans les mémoires de sortie de l'ordinateur, directement pour réaliser les modèles de pièces sans être obligé de passer par l'intermédiaire de plans ou de devoir faire intervenir des machines d'usinage à commandes numériques telles que fraiseuses, tours, etc... Les procédés et dispositifs proposés pour la réalisation de modèles à l'aide de la CAO reposent, en règle générale, sur une polymérisation chimique induite par LASER. Le déplacement asservi d'un ou plusieurs faisceaux laser concentrés en un même point, permet la polymérisation locale d'un monomère polyfonctionnel et, de proche en proche, la réalisation de la pièce. En particulier, le brevet français FR-A-2 567 668 propose un dispositif de réalisation de modèles de pièces industrielles qui comprend - 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 des informations, des signaux représentatifs de la position d'éléments du volume de la pièce dont la réunion forme la totalité du volume de cette pièce, les signaux sont délivrés successivement pour une suite desdits éléments ordonnés suivant un premier balayage de la pièce, - une cuve contenant un liquide monomère, - un générateur de rayonnement laser, - 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 et s'effectuant à partir du fond de la cuve pour solidifier successivement lesdites portions et former le modèle reposant sur le fond de cuve. D'autres dispositifs utilisant un principe proche mais avec des amorçages particuliers ont proposés; c 'est le cas des travaux connus de BATELLE, WP, SCITEX, PSA, 3D SYSTEMS, etc... Dans ce cas, le principe général de réalisation d'une pièce repose sur l'emploi d'un appareil comprenant une cuve qui contient le monomère photo-polymérisable liquide au niveau duquel affleure une plate-forme mobile qui descend pas à pas au cours de l'opération. Le faisceau laser UV trace à la surface du liquide des coupes successives de l'objet à produire, grâce à un jeu de miroirs à déflexion électronique, piloté par la base de données du système de CAO. Le logiciel a préalablement subdivisé le modèle virtuel de l'objet en une multitude de tranches de faible épaisseur. Au fur et à mesure de la solidification de chaque tranche, le modèle "sculpté" plonge lentement dans la cuve : avec un laser de 10 mW, ce système permet de créer une pièce de 30 mm de haut en 50 minutes avec une précision de l'ordre de 1/10sème de mm. Le modèle obtenu, dont la surface serait lisse, pourrait être créé en toutes sortes de matériaux (plastiques), en une grande variété de couleurs avec différentes duretés et toute une gamme de résistances à l'abrasion (SCIENCE ET TECHNOLOGIE nO 2, février 1988/INDUSTRIAL LASER REVIEW, vol. 2, nO 8, janvier 1988, pages 11-37). Ce type de procédé de fabrication de modèles en trois dimensions, qui utilise le principe de l'absorption monophotonique de la lumière par des photoamorceurs de polymérisation ou de réticulation, présente l'inconvénient de nécessiter la superposition des monomères (ou des oligomères ou de leurs mélanges) sur des parties déjà polymérisées; pour obtenir une bonne précision du modèle, il faut superposer un nombre considérable de couches liquides ou pâteuses de monomère, ce qui peut conduire à des temps de réalisation assez longs. De plus, le matériau obtenu après irradiation a, en général, une densité supérieure au matériau initial, ce qui peut conduire à des difficultés de mise en oeuvre du procédé et à des instabilités, des déformations ou des contraintes sur tout ou partie du modèle. Il a été également proposé un procédé permettant la production de modèles de pièces industrielles par action de la lumière, répondant mieux aux nécessités de la pratique que les procédés et dispositifs antérieurs.Dans ce procédé on utilise des matériaux plastiques chargés ou non photoinsolubilisables, ayant la forme de films minces et on réalise une pièce par la superposition d'une pluralité de couches de film solide ou plastique photopolymérisable par phototransformation, rendu soit soluble en présence de lumière, soit insoluble en présence d'une lumière de longueur d'onde adaptée. Ainsi, toutes ces références font état d'une transformation, soit chimique, soit physique, de la matière par l'intervention d'une source de photons qui transforme localement cette matière. L'expérience acquise dans ce domaine de la stéréophotolithographie montre à l'évidence des limitations de la technique du point de vue de la fiabilité des systèmes optiques : sources, miroirs, et du point de vue CAO, impliquant la mise en place de supports pour que la pièce en construction ne se déforme pas ou peu lors des différentes opérations de polymérisation et de post polymérisation connues par l'art antérieur. Certaines technologies ayant fait l'objet de réalisations industrielles, concernent des transformations de matériaux solides ou quasi-solides et permettent d'éviter en principe l'emploi de supports pour réaliser une pièce complexe. Dans le procédé DTM, qui a fait l'objet de la thèse de B. GRISONI en 1986, à Nancy, on dépose sur la pièce en construction des poudres fusibles. On réalise le dépôt d'une couche frittée, on procède à une fusion localisée en surface et selon une profondeur correspondant à la couche déposée, et on continue l'opération pour des couches successives empilées. On réalise ainsi une image latente de l'objet qui est révélée avantageusement en plaçant le système contenant l'objet sur un vibreur qui désagrège la poudre sans détruire l'objet. Il peut également être envisagé d'éliminer la poudre à forte surface spécifique par une attaque chimique. L'intérêt d'un tel procédé réside essentiellement dans les avantages suivants - utilisation de matériaux fusibles pulvérulents ayant des propriétés spécifiques : mécaniques, électriques, etc... - utilisation possible de couches constituées de matériaux différents : métaux, isolants, etc... On conçoit comment une pièce peut être réalisée par ce procédé. Pour une couche de hauteur donnée, on effectue une fusion ou un frittage localisé dans l'espace, permettant d'atteindre une cohésion très satisfaisante des matériaux pulvérulents dans la couche elle-même, mais également entre les couches, permettant ainsi la création effective d'un objet tridimensionnel. Une telle fusion localisée peut être réalisée grâce à une irradiation lumineuse au moyen de lasers infra-rouges type C02 à fort rendement. En effet, dans ce procédé, le seul choix est celui de l'énergie susceptible de conduire à la fusion locale et non à des choix de longueurs d'onde susceptibles d'être absorbées pour une photopolymérisation. Le déplacement des faisceaux lumineux sur les couches peut être effectué par plusieurs méthodes connues dans l'art antérieur : miroirs placés sur des systèmes de déplacements mécaniques, miroirs galvanométriques, etc... Ce procédé permet, comme cela a déjà été expliqué précédemment, une image latente 3D autorisant l'emploi d'un système de conception assistée par ordinateur simplifié. En effet, dans les procédés utilisant des photomatériaux liquides, il est nécessaire d'introduire dans la réalisation de pièces des supports divers permettant à l'objet de se tenir sur la base support de la machine de stéréolithographie. Avec ce procédé, cette nécessité disparait Les différents procédés décrits ci-dessus permettent la réalisation de pièces prototype, dont les usages peuvent être multiples. Pour des utilisations particulières en fonderie, il convient de réaliser à partir de la pièce prototype un moule, pour pouvoir réaliser des répliques utilisables. Dans cet esprit se développent des procédés de CFAO laser permettant par un procédé de cire perdue de réaliser des moulages. La technique de stéréophotolithographie souffre cependant de limitations dues au temps de fabrication d'une pièce, à la complexité de la réalisation d'une pièce par la CAO : supports divers à introduire, etc..., et surtout au retrait. En fait, il existe des applications où la précision n' est pas très importante; c'est le cas de la réalisation de maquettes qui sont terminées par un surfaçage de qualité, c'est le cas également de pièces métalliques ou plastiques qui seront reprises par des usinages traditionnels. Dans ce dernier cas, il est avantageux de disposer d'une pièce proche de la pièces définitive, mais pour laquelle l'élimination de matière est minimale, ce qui autorise un gain significatif de temps. Pour ce faire, il peut être avantageux de disposer de pièces prototypes réalisées simplement, pouvant servir à la réalisation d'une maquette ou d'une pièce "perdue" pour la fonderie. L'industrie fournit des matériaux tout à fait adaptés à cette destination, il s'agit par exemple d u polystyrène expansé, largement utilisé industriellement dans ces domaines, qui existe sous forme de plaques ou de grains sensiblement sphériques. Ces matériaux ont l'avantage d'être très légers tout en présentant des propriétés mécaniques très acceptables. L'objet de la présente invention est de proposer une technique utilisant des matériaux de ce type associés à l'emploi résolu dans l'espace d'un fluide adhésif qui permet la fabrication d'une pièce tridimensionnelle dont la précision locale est définie par la taille des grains utilisés. Selon l'invention il est proposé un procédé de fabrication d'un objet de forme définie à partir d'un matériau granulaire ou pulvérulent caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes a) on dépose et on compacte sur un support formant base mobile dans le sens vertical une couche d'épaisseur constante pour former une plaquette à surfaces planes et parallèles de matériau granulaire ou pulvérulent b) on recouvre au moins une partie de la surface supérieure plane de la couche par un dépôt d'adhésif monomère polymérisable c) on dépose et compacte une nouvelle couche pour obtenir une autre plaquette d) on balaye au moyen d'un faisceau lumineux ou laser suivant une surface définie par un moyen tel que la conception assistée par ordinateur, avec des conditions d'intensité ou de durée convenables pour provoquer la polymérisation du dépôt effectué selon b) e) on répète les étapes b), c) et d) pour les couches suivantes jusqu'à obtention de couches successives solidaires pour former le volume continu de l'objet dont le modèle est obtenu en fonction du balayage prévu selon d) f) on sépare de l'embase l'ensemble résultant de l'empilage des couches successives reliées par l'adhésif polymérisé qu'elles renferment g) on élimine les parties de l'empilage situées à l'extérieur de la partie formant objet en utilisant selon la nature du matériau frangible non polymérisé un traitement mécanique, un traitement par ultrasons, par solvant ou par attaque chimique. L'invention vise également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur se présentant sous la forme d'un cylindre à parois verticales dans lequel coulisse un piston définissant la base précitée, un distributeur de poudres ou de granulés et des moyens de nivellement et de compactage de ladite poudre et desdits granulés, des moyens pour déposer un film de produit polymérisable entre deux couches de poudre ou de granulés ; des moyens d'irradiation commandés par un système CAO pour réaliser une image résolue correspondant à l'objet ; des moyens pour éliminer mécaniquement ou chimiquement les parties de couches superposées qui ne sont pas solidarisées par la polymérisation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique montrant l'évolution d'une plaquette selon le procédé précité - et la figure 2 représente un réacteur constituant le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. On a représenté schématiquement à la figure 1 les diverses étapes du procédé selon l'invention. En haut de la figure 1 on peut remarquer une plaquette A qui a été réalisée par compactage de granulés. La plaquette A est revêtue sur sa face supérieure d'une couche de monomère et d'amorceur designée par SA à la suite de quoi on lui superpose une plaquette B à travers laquelle on fait passer un rayonnement laser piloté par CAO dans le sens x - y et il en résulte entre la plaquette A et la plaquette B une surface résolue sA polymérisée assurant la jonction entre A et B. On continue le procédé en enduisant la plaquette B solidarisée de A au moyen de monomère et amorceur SB. On recouvre l'empilage A, B au moyen d'une plaquette C et on procéde à nouveau à l'irradiation selon une distribution x - y de façon à obtenir une couche polymérisée 5B entre les plaquettes B et C. On a montré à la figure 2 un appareil permettant la réalisation du procédé de la figure 1. Dans un cylindre formant réacteur R se déplace un piston P qui fournit une base pour recevoir tour à tour les couches A, B, C, etc... On a montré la formation de la couche D qui est réalisée par distribution à partir d'une trémie T de poudre ou de granulés avant d'être compactée par un moyen quelconque qui peut être le rouleau O. De nombreux types de matériaux peuvent être utilisés avec le procédé et le dispositif selon l'invention et notamment les matériaux expansés afin de réaliser des pièces volumiques de faible masse utilisables par exemple pour la réalisation de maquettes ou pour des pièces de fonderie. I1 est toutefois possible d'utiliser des polymères, des bois, des métaux ou des oxydes. Une fois la pièce réalisée il est possible évidemment de lui appliquer des traitements complémentaires comme une cuisson. Les matériaux photopolymérisables utilisables peuvent être des acrylates, des époxys, des époxyacrylates et les amorceurs photochimiques utilisables peuvent être des composés cétoniques, des sels organo-minéraux, etc.... REVENDICATIONS 1. - Procédé de fabrication d'un objet de forme définie à partir d'un matériau granulaire ou pulvérulent caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes a) on dépose et on compacte sur un support formant base mobile dans le sens vertical une couche d'épaisseur constante pour former une plaquette à surfaces planes et parallèles de matériau granulaire ou pulvérulent b) on recouvre au moins une partie de la surface supérieure plane de la couche par un dépôt d'adhésif monomère polymérisable c) on dépose et compacte une nouvelle couche pour obtenir une autre plaquette d) on balaye au moyen d'un faisceau lumineux ou laser suivant une surface définie par un moyen tel que la conception assistée par ordinateur, avec des conditions d'intensité ou de durée convenables pour provoquer la polymérisation du dépôt effectué selon b) ; e) on répète les étapes b), c) et d) pour les couches suivantes jusqu'à obtention de couches successives solidaires pour former le volume continu de l'objet dont le modèle est obtenu en fonction du balayage prévu selon d) f) on sépare de l'embase l'ensemble résultant de l'empilage des couches successives reliées par l'adhésif polymérisé qu'elles renferment g) on élimine les parties de l'empilage situées à l'extérieur de la partie formant objet en utilisant selon la nature du matériau frangible non polymérisé un traitement mécanique, un traitement par ultrasons, par solvant ou par attaque chimique. 2. - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface déposée selon c) est plus grande que la surface résolue et renferme totalement cette dernière. 3. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les parties de l'empilage éliminées contiennent un monomère et un amorceur qui sont récupérés par des moyens connus. 4. - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau granulaire ou pulvérulent est renforcé par l'insertion d'un treillis à l'intérieur de la couche formant plaquette lors de sa réalisation. 5. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur se présentant sous la forme d'un cylindre à parois verticales dans lequel coulisse un piston définissant la base précitée, un distributeur de poudres ou de granulés et des moyens de nivellement et de compactage de ladite poudre et desdits granulés, des moyens pour déposer un film de produit polymérisable entre deux couches de poudre ou de granulés ; des moyens d'irradiation commandés par un système CAO pour réaliser une image résolue correspondant à l'objet ; des moyens pour éliminer mécaniquement ou chimiquement les parties de couches superposées qui ne sont pas solidarisées par la polymérisation. 6. - Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que des moyens de traitement sont prévus pour récupérer le monomère et l'amorceur contenus dans les parties de plaquettes éliminées.