Brevet FR2717734A1 — publié le 19950929

Procédé de production d'objets tridimensionnels par empilage successif de tranches. La présente invention concerne un procédé pour produire à partir d'un modèle réalisé en CAO des objets tridimensionnels dans un matériau solide tel que par exemple le polystyrène expansé, le polystyrêne extrudé, qui est tranché, découpé et assemblé, de façon rapide, économique et simple. A ce jour, il existe un certain nombre de procédés permettant de réaliser directement des objets tridimensionnels par superposition successive des couches représentatives des différentes sections constitutives de cet objet. Tous utilisent le même principe de base: - création du modèle 3D sur un poste CAO; - "tranchage" de ce volume à l'aide de la CAO afin d'obtenir les sections représentatives de l'objet; - réalisation des couches par divers procédés tels que., la photo polymérisation de résine par un laser U.V., découpage laser, découpage par jet d'eau, découpe laser de feuilles de papier, dépôt d'un filament extrudé, etc. - assemblage. Le procédé le plus répandu à ce jour est connu sous le nom de stéréolithographie. De nombreux brevets ont été déposés à ce sujet, les plus anciens étant ceux de J.C. ANDRE, k LE MEHAUTE, O. DE WITTE, brevet français N" 85 09 054 du 14.06.1984 et C.W. HULL, U.S. patent 4575330 du 08.08.1984. Le principe est en soi fort simple : polymériser à l'aide d'un laser U.V. couche après couche, les sections obtenues par le système CAO. La première couche est réalisée sur un support. Une fois la section balayée par le faisceau laser, celle-ci plonge d'une épaisseur de couche dans un bac de résine liquide qui vient recouvrir la couche précédente. Et la procédure redémarre. Une fois la dernière couche réalisée, la pièce est extraite du bac de résine, nettoyée, post polymérisée, poncée. L'avantage de cette technique est de pouvoir obtenir des pièces complexes, souvent non usinables avec des procédés conventionnels, ou alors dans de très mauvaises conditions en terme de délais et de coûts. Un des inconvénients, qui est commun à tous les procédés utilisant la technique de couche par couche, est le très mauvais état de surface obtenu. Ceci nécessite souvent une finition manuelle génératrice d'erreurs et de coûts supplémentaires. En outre, ce procédé ne permet pas d'obtenir des pièces en une autre matière que le plastique, ce qui est incompatible avec la notion de prototypes bonne matière autre que le plastique. La précision également de ce procédé n'est pas encore suffisante par rapport aux coûts de mise en oeuvre très importants. Et, c'est là un inconvénient, les coûts d'obtention de pièces sont très importants car l'investissement machine est important et l'utilisation d'un laser pour polymériser les résines entraîne des coûts de fonctionnement élevés. Un autre procédé consiste à déposer un filament extrudé de matière plastique le long des contours de la pièce à réaliser. Ce procédé appelé F.D.M (Fused Deposition Modeling) est particulièrement intéressant pour les pièces de révolution ne nécessitant pas une grande précision. Il est également plus économique que la stéréo lithographie mais moins précis En matière d'obtention d'objets 3D à l'aide de sections découpées dans des matériaux solides, un autre procédé utilise la découpe laser pour réaliser les sections représentatives de l'objet dans des feuilles de papier qui sont superposées et collées les unes aux autres. Cette technique connue sous le nom de L.O.M. (Laminated Object Manufacturing) permet d'obtenir des pièces ayant l'aspect du bois qui sont bien plus précises et résistantes que celles obtenues par les procédés cités ci-dessus. Dans les procédés utilisant le laser, une solution intéressante est celle dite du S.L.S (Selective Laser Sintering), c'est-à-dire le frittage sélectif par laser d'une poudre. Le principe est toujours le même : une couche de poudre est déposée, le laser CO2 réalise le balayage de la section considérée qui est solidifiée. Une nouvelle couche de poudre est déposée et le processus recommence. Un des avantages majeur de ce procédé est de pouvoir réaliser des pièces complexes sans support, tout comme L.O.M., contrairement à la stéréolithographie. La précision est bonne, ainsi que ses caractéristiques mécaniques. En synthèse, tous ces procédés produisent des objets tridimensionnels plus ou moins précis dans un délai plus ou moins important. Hormis le procédé FDM, la mise en oeuvre et l'exploitation sont onéreuses car les technologies sont basées sur l'utilisation d'un laser U.V. ou CO2. Or, en analysant les besoins des concepteurs en matière de pièces 3D prototypes, deux tendances se détachent nettement - nécessité de prototypes "bonne matière" autre que le plastique afin de pouvoir réaliser les tests mécaniques. La précision devra également être suffisante pour être proche de celle des pièces de série; - possibilité de disposer très rapidement des objets 3D permettant de matérialiser les formes et volumes. En cas de besoin, les concepteurs pourront ainsi corriger immédiatement les défauts et produire une nouvelle pièce. Dans ce cas la technologie se doit d'être souple, économique et adaptable à un environnement de bureau d'étude. L'objet de la présente invention est d'apporter un compromis entre coûts, vitesse et précision et de répondre aux besoins exprimés ci-dessus. L'étape préliminaire est d'obtenir la représentation CAO des différentes sections constitutives de l'objet réaliser. Le procédé comprend les phases suivantes: - Génération d'une tranche brute de matière solide de type polystyrène expansé ou extrudé, par exemple. Cette tranche possède une épaisseur équivalente à celle du modèle CAO correspondant. Elle pourra être obtenue grâce à l'utilisation directe de feuilles de matière ayant la bonne épaisseur. Dans le cas où ces feuilles ne sont pas disponibles telles quelles, une unité de tranchage comprise dans le dispositif réalisera les tranches à la bonne épaisseur. Le tranchage pourra se faire de différentes façons, selon l'état actuel de la technique : fil chaud, jet d'eau, découpe laser, usinage chimique, tranchage mécanique à l'aide d'une lame. - Marquage de la surface supérieure du volume de matériau à supprimer à l'aide d'une substance dont la nature (composition, couleur) est telle qu'elle aidera la source de radiation à supprimer le volume de matière situé sous le marquage et sur une certaine profondeur. Le marquage de la surface pourra se faire de différentes façons selon l'état actuel de la technique imprimante à jet d'encre, imprimante à bulles d'encre, imprimante laser, imprimante magnéto graphique, table traçante. - Suppression du volume de matière correspondant à la surface marquée à l'aide de la substance en utilisant une source de radiation. La suppression du volume de matière pourra être obtenue grâce à une fusion, une sublimation, une pyrolyse, une oxydation, une réaction chimique. Cette source de radiation qui peut par exemple être une lampe halogène de forte puissance dégageant une énergie suffisante, qui aidée de la substance déposée, brûlera ou sublimera une partie ou la totalité du volume de matière à supprimer. Cette lampe composée d'une parabole et d'une ampoule pourra être unique, dans ce cas un déplacement relatif de la lampe par rapport à la matière à supprimer permettra d'exposer toute la surface. Dans le cas où l'on désire exposer toute la surface en une seule fois, plusieurs lampes composées d'une parabole et d'une ampoule seront placées côte à côte. La source d'énergie pourra également être une ampoule à infrarouge, une ampoule au mercure, une ampoule à incandescence ou encore un laser infrarouge réalisant un balayage longitudinal, par exemple. Dans ce dernier cas, la matière supprimée traversera perpendiculairement ce balayage laser. - La fixation de la section à la section antérieure se fera dans l'unité de fixation. Cette fixation pourra se faire de différentes façons, selon l'état actuel de la technique : assemblage mécanique, soudage par ultrasons, soudage chimique, collage à l'aide d'un produit adapté, fusion superficielle de chaque tranche puis assemblage par cohésion (soudage thermique), par exemple. Les dessins annexés illustrent l'invention: Fig. 1: schéma décrivant les différentes fonctions apparaissant dans le procédé. Fig. 2 : Face supérieure d'un bloc de ou d'une feuille de matière brute (1). Cette matière peut par exemple être du polystyrène. Fig. 3 : Face supérieure d'un bloc ou d'une feuille de matière brute (1) recouverte d'une substance (2) qui aidera le procédé dans sa fonction. Cette substance (2) représente le négatif de la section considérée. Fig. 4 : tranche de matière (3) obtenue après une exposition à la source de radiation (7). Tout le volume de matière correspondant à la surface marquée par la substance (2) a été supprimée thermiquement. Fig. 5 schéma représentant les différentes fonctions nécessaires au procédé. L'ordre de présentation n'est pas lié à la façon de faire du procédé. L' unité de tranchage (4), dans le cas où du matériau en bloc est utilisé, permet de couper ce dernier à l'épaisseur de tranche souhaitée. L'unité de marquage (5) est chargée de déposer la substance (2) sur la face supérieure d'un bloc de ou d'une feuille de matière brute (1). La source de radiation (7) est l'élément qui "supprimera" le volume de matière situé sous la surface marquée. L'unité de fixation (6) aura pour charge d'assembler les différentes sections (3) les unes aux autres pour réaliser l'objet tridimensionnel. Fig. 6 : exemple de source de radiation: ampoule halogène (8) de forte puissance surmontée d'un miroir parabolique (9) longitudinal permettant de canaliser l'énergie. En référence à ces dessins et figures, et selon des modes particuliers de réalisation, le procédé peut, par exemple, être mis en oeuvre de la manière suivante: Considérons une section représentative issue du modèle C.A.O. tranché. La matière utilisée sera sous forme de blocs de matière (1) massifs. L'unité de marquage (5) dépose sur la face supérieure d'un bloc de matière (1), une substance (2) qui représente le négatif de la section représentative correspondante à celle du modèle informatique tranché. Ce bloc de matière (1), recouvert en partie par la substance (2) est exposé à la source de radiations (7), ce qui aura pour effet de 'supprimer' le volume de matière situé sous la surface représentée par la substance (2). Cette source de radiation peut être une ampoule halogène (8) surmontée d'un miroir parabolique longitudinal (9). La profondeur de cette suppression est fonction de l'intensité de la source de radiations (7) et du temps d'exposition. Cette profondeur correspond à au moins une fois l'épaisseur désirée de la section représentative. Le résultat de cette exposition est la section (3) . Cette section (3), toujours solidaire du bloc de matière (1), est ensuite fixée grâce à l'unité de fixation (6) à la section (3) antérieure. une fois solidaire de la section (3) antérieure, la section (3) courante est désolidarisée de ce bloc à l'aide de l'unité de tranchage (4). Ces actions se répètent tranche par tranche jusqu'à la dernière. Selon un autre mode de réalisation, le procédé peut également être mis en oeuvre de la a manière suivante Considérons une section représentative issue du modèle C.kO. tranché. La matière utilisée sera sous forme de feuilles. L'unité de marquage (5) dépose sur la face supérieure de la feuille de matière (1), une substance (2) qui représente le négatif de la section représentative correspondante à celle du modèle informatique tranché. Cette feuille de matière (1), recouverte en partie par la substance (2) est exposée à la source de radiation (7), ce qui aura pour effet de 'supprimer' le volume de matière situé sous la surface représentée par la substance (2). Cette source de radiation peut être une ampoule halogène (8) surmontée d'un miroir parabolique longitudinal (9). La profondeur de cette suppression est fonction de l'intensité de la source de radiation (7) et du temps d'exposition. Cette profondeur correspond à l'épaisseur de la feuille de matière (1). Le résultat de cette exposition est la section (3) . Cette section (3) est ensuite fixée grâce à l'unité de fixation (6) à la section (3j antérieure. Dans ce mode particulier de réalisation, L'unité de tranchage (4) n'est pas utilisée. Ces actions se répètent tranche par tranche jusqu'à la dernière. Selon un autre mode de réalisation, le procédé peut également être mis en oeuvre de la manière suivante Considérons une section représentative issue du modèle C.A. O. tranché. La matière utilisée sera sous forme de blocs de matière (I) massifs. L'unité de tranchage réalise les feuilles de matière (1) à la bonne épaisseur. L'unité de marquage (5) dépose sur la face supérieure de la feuille de matière (1), une substance (2) qui représente le négatif de la section représentative correspondante à celle du modèle informatique tranché. Cette feuille de matière (1), recouvert en partie par la substance (2) est exposé à la source de radiation (7), ce qui aura pour effet de 'supprimer' le volume de matière situé sous la surface représentée par la substance (2). Cette source de radiation peut être une ampoule halogène (8) surmontée d'un miroir parabolique longitudinal (9). La profondeur de cette suppression est fonction de l'intensité de la source de radiation (7) et du temps d'exposition. Cette profondeur correspond à l'épaisseur de la feuille de matière (1). Le résultat de cette exposition est la section (3) . Cette section (3) est ensuite fixée grâce à l'unité de fixation (6) à la section (3) antérieure. Ces actions se répètent tranche par tranche jusqu'à la dernière. Le procédé selon l'invention pourra répondre aux besoins des concepteurs en matière de prototypage rapide de différentes façons: - Les objets obtenus par ce procédé pourront être utilisés par la technologie de moulage dite du "Lost-foam", c'est à dire le procédé de moulage à polystyrène perdu. En effet, les pièces obtenues par cette invention pourront être en polystyrène, matière dont sont composés les modèles servant au moulage. Son principe est simple : la pièce désirée est réalisée dans du polystyrène expansé à l'aide d'un moule, qui selon la pièce à obtenir, peut être très compliqué, donc très cher. Pour le rentabiliser, il faut alors produire un nombre important de modèles. Grâce à cette invention, le recours au moule pour obtenir les modèles n'est plus nécessaire. Il devient alors possible d'utiliser la technologie du lost foam pour produire des pièces unitaires complexes et disposer de prototypes 'bonne matière' facilement et rapidement. - Une seconde application est l'utilisation directe par les designers de cet objet produit par l'invention. Ces personnes ont souvent recours aux maquettes tridimensionnelles pour visualiser et valider des formes et des concepts. Cet objet en polystyrène, qui est obtenu facilement, proprement et économiquement, répond parfaitement à leurs exigences. - Dans le domaine de l'emballage, les objets à protéger sont fréquemment calés par des pièces en polystyrène. Rentabiliser les outillages pour obtenir ces cales nécessite â nouveau de grandes séries. Les pièces obtenues par cette invention peuvent parfaitement remplir ce rôle. Le nom industriel de cette invention sera soit - photocopieur 3D - U.R.P.I.D. : Ultra Rapid Prototyping for Industrial Design REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'objets tridimensionnels par empilage successif de tranches, caractérisé en ce qu'il consiste à: - représenter, dans l'unité de marquage (5), le négatif des sections représentatives de l'objet sur la face supérieure d'un bloc ou d'une feuille de matière (1) à l'aide d'une substance (2) dont la nature (couleur, composition) pourra aider le procédé. - supprimer le volume de matière correspondant à la surface du négatif pour chaque nouveau marquage afin d'obtenir la section (3) recherchée à l'aide d'une source de radiations (7). - rendre solidaire les dites sections (3) les unes par rapport aux autres grâce à une unité de fixation (6) afin de reproduire le dit objet. - générer des tranches solides individuelles à partir d'un bloc ou d'une feuille de matière (1). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser - un matériau à la bonne épaisseur ou à trancher un bloc de matière à l'aide d'une unité de tranchage (4) pour obtenir l'épaisseur de la section (3). 3. Procédé selon la revendication I caractérisé en ce qu'il consiste à déposer sur la face supérieure d'un bloc ou d'une feuille de matière (1) une substance (2) indiquant les surfaces correspondantes au volume de matière à supprimer, substance (2) qui pourra aider le procédé dans cette tâche. 4. Procédé selon la revendication 1 et 3 caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une source de radiation (7) pour supprimer le matériau correspondant au négatif de la section (3) en exposant à cette source de radiation (7) la face supérieure d'un bloc ou d'une,feuille de matière (I) marqué par la substance (2). Cette suppression de matière aboutissant à la section (3). 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser soit une fusion, soit une pyrolyse, soit une sublimation, soit une oxydation, soit une réaction chimique, pour supprimer la matière non utile à l'obtention de la pièce. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisée en ce que la dite source de radiation (7) peut être soit une ampoule à incandescence, soit un laser, soit une ampoule halogène, soit une ampoule à mercure, soit une ampoule à infrarouge. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'assemblage des différentes sections (3) représentatives de l'objet est obtenu par adhésion. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser soit le collage, soit le soudage par ultrasons, soit le soudage thermique, soit le soudage chimique, soit un assemblage mécanique pour assembler les différentes sections (3) 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ordre de réalisation des opérations peut être le suivant: - marquage de la face supérieure d'un bloc ou d'une feuille de matière (1) à l'aide d'une substance (2) - suppression de l'excès de matière à l'aide d'une source de radiation (7) - fixation de la section (3) immédiatement obtenue par le procédé à la section antérieure - désolidarisation du bloc de matière de la section (3) immédiatement fixée, ceci dans le cas où des blocs de matières (i) sont utilisés. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que l'ordre de réalisation des opérations peut être le suivant - tranchage à l'aide de l'unité de tranchage (4) du bloc de matière (1) en une feuille de matière (1) ayant la bonne épaisseur. Ceci dans le cas où des blocs de matière (1) sont utilisés. - marquage de la face supérieure de la feuille de matière (1) à l'aide d'une substance (2) - suppression de l'excès de matière à l'aide d'une source de radiation (7) - fixation de la section (3) immédiatement obtenue par le procédé à la section antérieure