Brevet FR2802128A1 — publié le 20010615

DISPOSITIF DE DEPOSE DE COUCHES MINCES DE MATIERE EN POUDRE OU PULVERULENTE ET PROCEDE ADAPTE présente invention concerne un dispositif de dépose couches minces de matière en poudre ou pulvérulente, notamment déposes successives de couches dans les machines de prototypage rapide. L'invention couvre aussi le procédé de mise en couche à l'aide de ce dispositif. connaît par la demande de brevet- PCT FR 99/00357 un procédé de prototypage rapide par frittage laser qui permet d'obtenir pièces en céramique de formes complexes à partir d'une image en trois dimensions, en f rittant couches superposées de poudres à l'aide d'un laser. tel procédé nécessite la réalisation d'étapes dont l'une consiste à étaler sous forme d'une fine couche la poudre ou le mélange poudres et à compactÈr cette poudre pour en augmenter la densité. L'épaisseur de telles couches est de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de microns. moyens de mise en couche décrits dans ce proce comprennent une raclette qui permet de transférer de la poudre contenue dans un premier contenant vers la zone de travail du laser avec une épaisseur adaptée et constante. un tel agencement conduit à des résultats satisfaisants lors de l'utilisation de la plupart des poudres, il convient d'améliorer la mise en couches lorsque les produits sont plus délicats à manier et surtout lorsque la granulométrie des poudres diminue, que le rapport de l'épaisseur de la couche et de la granulométrie varie ou encore que la forme des particules change. Aussi, actuellement, pour permettre la réalisation de telles couches, la poudre est souvent adaptée en fonction des besoins, ce qui est une contrainte car il faut broyer de façon précise et classifier ces poudres par classes de granulométrie. Un tel s'effectue avec des moyens sophistiqués compte tenu des diamètres des grains. Ainsi pour réaliser des couches homogènes, il faut travailler avec des poudres ayant un comportement rhéologique sensiblement identique à celui des liquides, ce qui le cas par exemple des poudres atomisées dont les particules sont sensiblement sphériques et d'un diamètre subissant de faibles écarts. Une telle préparation est d'un prix de revient élevé et surtout engendre des contraintes inacceptables pour des industriels. Lorsque les poudres utilisées sont du type farine, c'est à dire qu'elle foisonne, il devient tres difficile voire impossible de réaliser des couches homogènes. Dans le cas poudres foisonnantes, lorsque les couches sont inférieures à 100,um, raclette entraîne la poudre en totalité, par zones, ce qui crée des défauts inadmissibles pour réaliser des pièces finies de qualité en prototypage rapide. Un tel problème pose dans l'application au prototypage rapide mais il se pose de façon génerale lorsque l'on cherche à mettre en couches minces des poudres foisonnantes. L'objet de la presente invention est de proposer un dispositif de mise en couche simple, efficace compris et surtout pour les poudres foisonnantes, qui peut être monte toutes les machines en ayant besoin et en remplacement de certains dispositifs actuellement en service. A cet effet, selon la présente invention le dispositif de mise en couche mince d'une poudre sur des moyens supports comprenant des moyens de stockage de la poudre, des moyens de raclage avec un racleur comportant un sabot avec une face de travail ainsi que des moyens de guidage en translation suivant un sens de déplacement F, caractérisé en ce que le sabot est mobile en rotation et comprend des moyens de mise en inclinaison pour prendre au moins deux positions, la première dans laquelle la face de travail est parallèle aux moyens supports de couches pour la prise d'un volume déterminé de poudre et la seconde dans laquelle cette face de travail est inclinée d'un angle g par rapport auxdits moyens supports. Selon une autre caractéristique, la face de travail du sabot comprend un obstacle, avec plusieurs indentations. Plus particulièrement, les indentations sont au nombre de trois et présentent une section transversale triangulaire/rectangle avec l'angle droit dans le plan de la face de travail et en arrière par rapport au sens de déplacement F. Ainsi que le prévoient les caractéristiques de l'invention, le nombre de passages est déterminé en fonction de l'épaisseur de la couche et la granulométrie de la poudre par une loi décroissante non linéaire du type (ax+b) / (cx+d). Le dispositif selon la présente invention est maintenant décrit en détail en regard des dessins annexés, sur lesquels les différentes figures représentent : - figure 1, une vue schématique en perspective d'une installation intégrant un dispositif de mise en couches minces selon la présente invention, - figure 2, une vue en coupe longitudinale, suivant l'axe de déplacement, du dispositif selon la présente invention - figures 3A à 3F, des vues en coupe au cours d'un synoptique complet de fonctionnement du dispositif de mise en couches selon la présente invention, et - figures 4A, 4B et 4C des vues respectivement de dessus, de devant et en élévation latérale d'un mode de réalisation préférentiel d'un racleur. Sur la figure 1 , on a représenté une installation qui intègre un dispositif selon la présente invention. Cette installation comprend un bâti 1 des moyens 1 2 de stockage et d'apport de poudre, des moyens 1 4 supports de couches et des moyens 16 de raclage et de mise en couche mince. Les moyens 1 2 de stockage comprennent un puits 18 contenant la poudre et équipée d'un piston 20 interne, mobile en translation verticale, qui permet de remonter le niveau 22 supérieur de la poudre par rapport bâti, ceci avec une très grande précision. Les moyens 14 supports de couches minces de cette installation, donnée à titre d'exemple, comprennent aussi un puits 24 permettant d'escamoter un piston 26, mobile en translation verticale dans ledit puits. Les déplacements doivent aussi être d'une très grande précision. Les moyens 16 de raclage, mobiles en translation sur des moyens 28 de guidage, comprennent un racleur 30 et des moyens 32 de suivi. Les moyens 28 de guidage sont composés de deux rails 34 qui présentent une première hauteur h sur une longueur Llet une hauteur H sur une longueur L2- avec une zone L de transition. La longueur L, est sensiblement au droit du puits de stockage et la longueur L2 est sensiblement au droit du support de couches minces. Les moyens de mise en inclinaison et de guidage qui viennent d'être décrits sont des moyens mécaniques qui présentent l'avantage de pouvoir travailler dans des environnements agressifs ou même en température voire en hautes températures. Le racleur 30 comporte un sabot 36, mobile en rotation, de façon libre, autour d'un axe 38 équipé de galets 40 dans le mode de réalisation présenté. Les galets ont des dimensions telles qu'ils roulent sur le bâti permettant ainsi d'avoir une référence. Ce racleur est mû en translation suivant le sens de déplacement indiqué par la flèche F, qui est parallèle aux rails, grâce à tout moyen adapté, ces moyens n'étant pas représentés pour la clarté du dessin, seule la tige 42 de poussée étant figurée, cette tige prenant appui sur l'axe en sorte de ne pas perturber le pivotement. Les dimensions de ce racleur sont telles qu'il se positionne entre les deux rails dans le sens transversal. Guant à son poids, il doit être suffisant pour assurer un roulage régulier sur le plan de travail. Lateralement, deux ergots 44 font saillie, pour venir immediatement au- dessus rails, en appui glissant sur ceux-ci. racleur est donc suspendu en déport vers l'avant son axe 38 équipé galets 40 reposant sur le bâti et soutenu sur l'avant par les ergots ergots 44 ont avantageusement un profil conjugué celui des rails en sorte suivre au plus juste le profil de ces rails et notamment d'aborder la zone L transition de façon progressive. sabot 36 présente une forme particulière et dans le mode préférentiel retenu, est à section sensiblement triangulaire rectangle, définissant ainsi une paroi 46 frontale qui est sensiblement l'hypoténuse avec un angle vif d'attaque, une face 48 arrière verticale qui est l'un des côtés l'angle droit et une face 50 de travail qui est le dernier côté. L'angle droit se situe à proximite immédiate du bâti et à l'arrière du sabot par rapport au sens de déplacement indiqué par la flèche E. Suivant la présente invention, la face 50 de travail présente aussi des particularités. Cette face comprend au moins un obstacle 52 évite à cette face d'être totalement lisse et plane. Cet obstacle permet une accroche de la poudre et un dépôt voire un compactage, régulier et homogène en diminuant la constante de compression. la vue agrandie de la figure 2, cet obstacle comprend des indentations 54, en l'occurrence au nombre de trois ayant egalement une section transversale triangulaire/rectangle, en homothétie avec sabot 36 du racleur L'angle droit de chaque indentation est dans le plan de la face 50 de travail et en arrière par rapport au sens de déplacement F. fonctionnement du dispositif de mise en couche mince selon la présente invention est maintenant décrit en détail à partir du synoptique des figures 3A à 3F, les références étant identiques à celles des figures 1 et 2. La position initiale est montrée sur la figure 3A. Le sabot est en amont du puits 18 des moyens de stockage 1 2 et de la poudre est poussée par le piston 20 pour venir tel que représenté, au-dessus du plan de travail, sur une hauteur par rapport au plan de travail du bâti, supérieure ' la distance qui sépare la face 50 de travail du sabot de ce même plan de travail. Le sabot est ensuite déplacé suivant la direction F comme montré à l'étape 3B. lors de ce déplacement, la face 50 de travail reste parallèle au plan de travail car les ergots 44 glissent sur les rails, dans la portion L, avec la hauteur h . La face 46 avant pousse la poudre et assure la prise d'un volume donné en fonction de la hauteur de poudre et de la position relative du sabot. Ce volume est transféré jusqu'au droit du puits 24 comportant les moyens 14 supports de couche mince. Il faut alors assurer un l'étalement de cette poudre sur une couche d'épaisseur très faible en évitant tout manque. A cette fin, le sabot est incliné d'un angle par rapport plan de travail. Cette inclinaison est obtenue par les ergots 44 qui, glissant sur les rails 34, soulèvent l'avant du sabot et assurent son pivotement autour de l'axe 38. Ce sabot pivoté, la face de travail se trouve aussi inclinée du même angle cc, ce qui induit plusieurs effets avantageux. Le premier est la prise de la totalité de la poudre car il se forme nécessairement une goulotte qui.facilite le passage de la poudre sous la face de travail. Le fait d'avoir une pente facilite la mise en compression de la couche mince et donc la compression progressive de la poudre. Grâce aux obstacles 52 que constituent les indentations 54, la poudre est comprimée sans glisser entre la face de travail et le plan de travail, car il se produit un effet de -cisaillement. En ce qui concerne la compression, on constate aussi que la face inclinée génère, par décomposition de la force de compression verticale résultant du poids du sabot, une composante dans le sens d'entraînement suivant la flèche F. Cette composante participe à l'entraînement de la poudre, ce qui est également favorable à une mise en couche mince de qualité. On remarque aussi que l'épaisseur de la couche mince est celle qui subsiste après le passage du sabot. Une fois incliné, le sabot libère un espace pus faible que l'espace initial. Le sabot est déplacé suivant F , jusqu'à ce que le support 26 de couche mince soit dépassé, ainsi que montré sur la figure 3D. Le sabot est ensuite ramené dans sa position initiale avec un basculement au passage de la zone de transition pour ramener la face 50 travail parallèle au plan de travail, figure 3E. Dès que le sabot est sorti de zone du support de couches minces, la couche peut être traitée par exemple au moyen d'un laser et cette couche mince traitée est ensuite escamotée pour recevoir si besoin est une nouvelle couche dans les mêmes conditions que précédente. L'escamotage s'effectue en abaissant le support 26, ceci avec précision. On obtient le résultat et le positionnement de la figure 3F. Le mode de réalisation décrit est simplifié en sorte d'en expliquer et montrer les étapes mais il peut être perfectionné. En effet, la variante avec rails et des ergots de guidage présentent l'intérêt d'une application possible même en atmosphère agressive ou délicate comme une enceinte chauffée mais il est possible dans d'autres circonstances d'inclure une motorisation pour pivotement et la mise en inclinaison. Dans ce cas, il est possible de faire varier l'angle d'inclinaison de façon précise et donc de réaliser un dispositif plus adaptable. La mise en oeuvre a été présentée avec un seul passage mais on peut aussi envisager des variations de hauteur avec des passages successifs même racleur muni de moyens de réglage de la hauteur de passage du sabot Dans ce cas, lors du premier passage le volume nécessaire à la mise en couche mince finale est entraînée et la longueur de mise en couche est réduite. Ce n'est -qu'au dernier passage que la couche atteint l'épaisseur recherchée et la surface voulue correspondant au volume initialement entraîné. On peut aussi prévoir un attelage de deux ou plusieurs sabots successifs réglés à des hauteurs différentes, constituant un même racleur. Le procédé de mise en couche selon la présente invention qui utilise dispositif qui vient d'être décrit conduit à la détermination des cycles de mise en couches en fonction de l'épaisseur de la couche à réaliser en fonction de granulométrie de la poudre à mettre en couche mince. Il s'agit en effet, de déposer de manière progressive la poudre sans provoquer de compactage et surtout sans altérer la couche précédente. C'est ainsi que pour réaliser une couche de 100 jim, faut effectuer trois passages avec une poudre de l'ordre de 10 à 20 jum. Pour obtenir ce résultat, une loi décroissante doit être utilisée pref érentiellement non linéaire du type y = (ax + b) / (cx + d). Sur les figures 4A, 4B, 4C et 4D, on a représente un mode de réalisation préférentiel qui comprend un racleur avec les mêmes éléments que représentations schématiques et qui portent les mêmes références. Pour des considérations pratiques industrielles, un contrepoids 54 est disposé sur l'avant du sabot 36. On note aussi un ergot 44 de forme particulière avec une surface 56 de profil arrondi adapté autorise de nombreuses glissement et guidage sans usure prématurée. Dans le cas de cette réalisation du racleur, les angles indentations doivent être mouchés soigneusement pour permettre une excellente regularité de répartition de la poudre. Dans ce cas, les galets ont disparu au profit des surfaces de glissement sur les rails. R E V E N D 1 C A T 1 0 N S 1. Dispositif de mise en couche mince d'une poudre sur des moyens (1 4) supports comprenant des moyens (Il 2) de stockage de la poudre, des moyens 6) de raclage avec un racleur (30) comportant un sabot (36) avec une face (50) de travail ainsi que des moyens (28) de guidage en translation suivant un sens de déplacement F, caractérise en ce que le sabot (36) mobile en rotation et comprend des moyens (32,34) de mise en inclinaison pour prendre au moins deux positions, la première dans laquelle la face (50) travail est parallèle aux moyens (14) supports couches pour la prise volume déterminé de poudre et la seconde dans laquelle cette f ace (50) de travail est inclinée d'un angle a par rapport auxdits moyens supports. Dispositif de mise en couche mince selon revendication 1 , caracterisé ce que la face (50) de travail du sabot (36) comprend un obstacle (52). . Dispositif de mise en couche mince selon revendication 2 caracterisé ce que l'obstacle comprend plusieurs indentations (54). Dispositif de mise en couche mince selon revendication 3 caracterisé ce que les indentations (54) sont au nombre de trois et présentent section transversale triangulaire/rectangle avec l'angle droit dans le plan de la face (50) de travail et en arrière par rapport au sens de déplacement F. 5. Dispositif de mise en couche mince selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mise en inclinaison sont des moyens mécaniques. 6. Dispositif de mise en couche mince selon revendication 5 caractérisé ce que les moyens mécaniques comprennent des rails (34) ayant une hauteur h sur une longueur Ll, une longueur transition L et une hauteur H une longueur L #2 et des ergots (44), en appui glissant sur lesdits rails. Dispositif de mise en couche mince selon l'une quelconque revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de mise en inclinaison sont motorisés. Procédé de mise en couche mince mettant en #uvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce le nombre de passages est déterminé en fonction de l'épaisseur de la couche et de granulométrie de la poudre par une loi décroissante non linéaire type y = (ax + b) / (cx + d).