Brevet FR2817493A1 — publié le 20020607

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'objets en trois dimensions par superposition et liaison de différentes sections parallèles de la pièce. Le procédé consiste à fabriquer l'objet à partir des définitions en 2 dimensions des différentes sections qui sont superposées par la répétition du cycle suivant : - coulée à partir d'une buse de coulée adaptée, selon le profil de la section correspondante, d'un matériau fusible en fusion sur une poudre de matériau fusible simple retenu par une enceinte, - recouvrement total ou partiel de cette couche par une épaisseur de poudre de matériau fusible simple qui va accueillir la coulée suivante. La liaison des sections se fait par phénomène de soudure, du liant (le matériau coulé) avec les grains de la poudre et 1 ou des liants de deux couches successives entre eux. Le procédé peut être piloté à l'aide de moyens informatiques, automatiques et robotiques pour la réalisation rapide de pièces de dimensions précises. Le langage actuel permet de qualifier ce procédé de prototypage rapide par coulée de liant. Ces objets par ce procédé sont fabriqués en matériau fusible tels que la paraffine, cire, ou autres matériaux synthétiques fondant à température peu élevée. Les procédés existant aujourd'hui sont : - le modelage par dépôt de matériau fondu ou Fused déposition modeling (FDM), qui fonctionne à partir de 2 buses construisant respectivement, un volume 3D dit structure support et la pièce à construire. Ces deux volumes solides sont en fin de fabrication en contact détachable soit mécaniquement, soit par dissolution de la structure support. On obtient donc la pièce après séparation de ces 2 volumes. - Le frittage sélectif au laser ou Selective laser Sintering (SLS) qui fonctionne à partir d'un laser qui fait fondre et fritte les particules, à la surface d'un volume constitué de grains, selon le profil géométrique de la couche à créer. En fin de fabrication, un solide 3D est constitué à partir des différentes zones des couches qui ont été durcies par le laser. La pièce se sépare d'elle-même par évacuation des grains. Le Topographic Shell Formation (TSF) qui consiste à superposer des couches successives de grains de sable collés entre eux par une pulvérisation de paraffine fondue à différentes hauteurs selon la zone à créer. En fin de fabrication, le solide 3D est constitué à partir des différentes zones des couches qui se sont collés entre elles. - D'autres procédés existent encore. L'intérêt de ce nouveau procédé par rapport à ceux qui existent aujourd'hui, réside d'une part dans la possibilité de le mettre en oeuvre pour des pièces de grandes dimensions (pièce plus grande que 3 m3 par exemple) à des coûts de production et de matière réduits, et d'autre part dans la possibilité d'utilisation de ces pièces dans les métiers utilisant le procédé dit à modèle perdu comme la fonderie. En effet, l'utilisation de la technique du modèle perdu avec un procédé de moulage au sable à résine auto-durcissante, ne permet pas de monter la température au-delà d'à peu près 300OC pour la phase d'évacuation du modèle, car la résine maintenant le sable ne résiste pas aujourd'hui à des températures plus élevées. La fabrication de ces modèles en cire ou paraffine par exemple, permet leur utilisation dans cette configuration. Le procédé consiste donc à générer la pièce en 3 dimensions à partir de la superposition et de la liaison par soudure de sections successives de différents profils. Les sections sont construites à partir de la coulée du matériau 10 fondu sur un lit de grains en matériau 1 fusible qui est reconstitué après chaque couche. Les sections sont formées selon un profil déterminé par la forme de la pièce que l'on veut réaliser. Le matériau 10 (ou liant) qui est coulé, se fixe durant sa solidification aux grains en matériau 1 en contact avec lui par fusion superficielle de ces grains due à la température du matériau 10 (phénomène de soudure). Chacune des sections se lie ainsi à la précédente au travers des grains compris entre le liant coulé sur la couche N et le liant coulé sur la couche N-1, de plus les sections peuvent aussi se lier entre elles directement par la coulée du liant de la couche N sur le liant de la couche N-1. Ce nouveau procédé peut être mis en oeuvre à partir, entre autres, des principales composantes qui sont : - un volume (1) de poudre de grains plus ou moins fins de matériau 1 fusible, - un matériau 10 fondu (10), - une enceinte (2) dont le fond se déplace verticalement qui va contenir le volume de poudre, - un système (3) pour répartir la poudre en surface de l'enceinte, - une buse de coulée (4) se déplaçant dans un plan X Y grâce à un ensemble (7), - un système de fusion (5) du matériau 10 fusible et alimentant la buse de coulée (4), - un système de pilotage informatique (6) pour le guidage de la buse, le déplacement vertical de l'enceinte et la répartition des grains en surface d'enceinte. Les figures 1 à 9 représentent les différentes séquences de fabrication d'une pièce simple en vue de profil et en vue de dessus. Seuls sont représentés, la poudre de grains, la buse de coulée, l'enceinte contenant la poudre et un système de mise à niveau de la poudre : - Fig. 1 : la première couche de grains a été déposée, et la coulée du liant commence - Fig. 2 : la coulée continue lors du déplacement de la buse de coulée - Fig. 3 : la surface à imprégner sur la première couche est atteinte - Fig. 4 : le fond de l'enceinte contenant les grains descend de la hauteur d'une couche - Fig. 5 : le système procède alors au remplissage en grains de la couche suivante - Fig. 6 : la couche suivante est constituée - Fig. 7 : la coulée commence alors sur cette couche par déplacement de la buse - Fig. 8 : la surface à imprégner sur cette seconde couche est atteinte - Fig. 9 : le fond de l'enceinte contenant les grains descend de la hauteur d'une couche La figure 10 représente la pièce en trois dimensions correspondant à cette séquence de fabrication. La figure 11 représente une coupe de la matière de la pièce après solidification, dans le cas où seul les grains font la jonction entre les sections N et N-1, par soudure sur le liant de la couche N et sur le liant de la couche N-1. La figure 12 représente la même coupe dans le cas où le liant de la couche N a coulé jusqu'au liant de la couche N-1. La figure 13 schématise un dispositif mettant en oeuvre ce procédé : - 13. a le système informatique contenant les informations sur la pièce à créer - 13. b le contenant chauffé du liant - 13. c le mécanisme commandé permettant à la buse de suivre le chemin défini et commandant la buse en ouverture /fermeture - 13. d l'enceinte contenant les grains avec son mécanisme de dépôt des couches successives La figure 14 précise les effets des différentes buses sur le dépôt du liant : - fig. 14. a montre le type de dépôt du liant à partir d'une buse à simple orifice rond - fig. 14. b montre le type de dépôt du liant à partir d'une buse à triples orifices et commandée en rotation - fig. 14. c montre le type de dépôt du liant à partir d'une buse à orifice longitudinale commandée en rotation Ce sont les relations entre la densité de grains de matériau 1, la forme des grains, la température de fusion du matériau 1, les viscosité et température du matériau 10 fondu déposé, son temps de solidification et le volume de matériau 10 fondu déposé par unité de longueur qui vont déterminer les épaisseurs des couches pour que la liaison par phénomène de soudure entre couches soit correcte et permettent des manipulations de la pièce après solidification de toutes les couches. En fonction de ces paramètres, une gestion optimale du volume déposé par unité de longueur permet d'obtenir une précision sur les dimensions de la pièce de l'ordre de grandeur du rayon moyen des grains utilisés. Après la fin de solidification de toutes les couches, la pièce peut être dégagée du volume de grains par évacuation de ceux-ci. Il est nécessaire alors de nettoyer les surfaces de la pièce des grains qui s'y seraient collés, et une finition peut être nécessaire si un rendu lisse est souhaité. Une fois coulée, une partie de la pièce qui (en considérant la pièce solidifiée) n'est pas soutenue par une couche inférieure (zone en saillie), ne se déformera pas lors de la fabrication car elle refroidira et durcira sur le lit de poudre stable. La maîtrise des paramètres de coulée permettra aussi à assurer que ces sections solidifiées de couche qui ne sont pas soutenues par une couche inférieure auront néanmoins une épaisseur similaire aux autres sections soutenues, et qu'il ne se créera pas de phénomène de coulures excessives du matériau 10 au travers de la poudre de matériau 1. Des matériaux sont particulièrement adaptés à ce procédé, ce sont les paraffines synthétiques. On pourra en effet utiliser une poudre de paraffine de grains de dimension d'ordre du millimètre, et on pourra couler sur chaque couche la même paraffine à l'état de fusion. La paraffine liquide pourra être à une température bien supérieure à la température de fusion (120 OC par exemple), pour augmenter la fusion superficielle des grains qui seront enrobés de cette paraffine fondue et augmenter ainsi la résistance mécanique de la pièce finie et refroidie. L'utilisation des paraffines permet une finition facile de l'état de surface de la pièce fabriquée. Cette poudre est obtenue par des procédés existant de production de micro sphères de paraffine par exemple. De façon générale, les matériaux utilisés sont des matériaux fusibles (à température de fusion peu élevée) qui permettent d'être fondu avec des moyens simples et peu coûteux, et qui permettent une fusion superficielle des grains lorsque ceux-ci rentrent en contact avec le matériau fondu. Le procédé peut être appliqué à partir de 6 ensembles principaux : Le volume (1) de poudre de grains plus ou moins fins de matériau 1 fusible et le matériau 10 fondu (10) : Ce volume de poudre est réparti mécaniquement dans l'enceinte (2) à l'aide du dispositif (3), à chaque descente du fond de l'enceinte (2). L'épaisseur de couche de poudre ainsi déposée entre deux coulées est toujours égale à la hauteur de descente du fond de l'enceinte (2), de sorte à régler la hauteur de chute du matériau 10 fondu (10) et à régler la distance qui sépare le haut des couches N et N-1. L'enceinte (2) dont le fond se déplace verticalement et qui va contenir le volume de poudre : Cette enceinte a uniquement la particularité d'avoir un fond qui se déplace verticalement et dont ce déplacement est commandé après la fin de dépôt du matériau 10 fondu sur la couche de poudre, afin de libérer la place pour la répartition de la couche de poudre suivante. Elle permet une répartition plane et d'épaisseur constante de chaque couche par l'effet du système (3). Son fond se déplace par pas de hauteur définie et commandée par le système (6). Il reste toujours parallèle à sa position de départ, dans des tolérances telles que la pièce en cours de construction ne subissent pas de distorsions non voulues. Ce fond peut être par exemple, lié à un vérin hydraulique commandé par un distributeur hydraulique et un automate, qui permettent un déplacement vertical et précis du fond. Le système (3) pour répartir la poudre en surface de l'enceinte : Ce système est purement mécanique. A chaque traversée de la surface de l'enceinte, il apporte un volume de poudre suffisant pour créer une couche plane d'épaisseur constante qui accueillera la coulée suivante. Cette couche peut recouvrir totalement toute la surface de la couche précédente, elle peut aussi laisser affleurer localement le haut de la traînée de liant déversé sur la couche précédente, si celui-ci ne s'est pas entièrement infiltré dans les grains et si il crée alors une surépaisseur par rapport à la surface des grains. Dans ce cas la liaison s'effectuera directement entre les 2 coulées de liant successives. Il peut être par exemple constitué d'un rouleau roulant en appui sur deux bords parallèles de l'enceinte et qui va transporter d'un bout à l'autre un surplus de poudre de telle manière à en déposer à coup sûr une épaisseur égale au maximum à la distance qui sépare le haut de la couche précédente et le haut des bords parallèles servant d'appui. Tout autre système qui rempli la fonction est bien sûr utilisable. La buse de coulée (4) se déplaçant dans un plan X Y grâce à un ensemble (7) : La buse de coulée permet juste de canaliser le matériau 10 fondu. Ce matériau s'écoule au travers de la buse et est déposé sur les couches de poudre. La buse de coulée peut comporter un ou plusieurs orifices de sections différentes et 1 ou variables. Le matériau fondu pourra ainsi être déposé en filet simple, ou en plusieurs filets, ou en nappe selon la forme de l'orifice. Ceci permet de recouvrir de larges surfaces en un temps limité. Une version de la buse pourra être une buse à plusieurs orifices commandée en rotation qui permettra de déposer rapidement une largeur constante de matériau fondu, et donc en final permettra l'obtention d'une pièce d'épaisseur matière constante, ce qui est souvent recommandé en fonderie à modèle perdu. Le débit de la buse sera déterminé principalement par l'épaisseur des couches et la grosseur des grains : plus les épaisseurs de couche seront importantes plus le débit de liant devra augmenter. Cette buse est commandée en ouverture/fermeture, et idéalement, son débit pourra être régulé. La forme même de l'orifice pourra être régulée (par exemple : section rectangulaire de plus grande longueur variable) Le système (7) peut être constitué d'une potence articulée en rotation autour de l'axe Z et dont le bras horizontal permet le déplacement sur une grande distance d'un chariot qui contient la buse de coulée (4). Le système de fusion (5) du matériau 10 fusible et alimentant la buse de coulée (4) : Ce système permet de fondre la matière 10 pour l'amener liquide jusqu'à l'orifice de la buse de coulée. Il s'agit dans une version simplifiée d'un récipient chauffé électriquement par exemple, en surplomb de la buse et relié à elle par un tuyau lui-même chauffé. Le système de pilotage informatique (6) pour le guidage de la buse, le déplacement vertical de l'enceinte et la répartition des grains en surface d'enceinte : Ce système est un système de commandes électromécaniques et 1 ou électro-pneumatiques et/ou tout autre type de mécanismes qui est piloté par un système informatique détenant les données sur la pièce à réaliser. Il peut être par exemple constitué d'un ordinateur dont des sorties analogiques et/ou numériques sont connectés à des automates qui commandent eux-mêmes par exemple des vérins pneumatiques, ou des moteurs électriques pas à pas alliés à des pièces et systèmes mécaniques, qui coordonnent les mouvements et ouvertures de la buse selon le chemin demandé par l'ordinateur, qui effectuent le déplacement de l'enceinte en fin de cycle d'une couche et qui réalisent la répartition de la poudre en des couches d'épaisseur définies. Des spécialistes de robotique et automatisme sont, aujourd'hui, tout à fait aptes à mettre au point ce type de système. Les applications principales de ce procédé seront la réalisation de prototype en paraffine qui seront moulés dans du plâtre réfractaire, dans de la céramique, ou dans du sable de fonderie, afin de donner lieu après l'évacuation de la paraffine par fusion à un moule de fonderie. La pièce métallique ainsi coulée dans le moule sera la réplique, au retrait dimensionnel prés, de la pièce fabriquée en paraffine. Cette application concernera particulièrement les pièces de grande taille, châssis de machine outil, carters de grandes dimensions et statues d'art monumentales. Ce nouveau procédé de prototypage particulièrement adapté aux grandes pièces, pourra aussi être appliqué à la réalisation de moule pour fabrication de carapaces en résine telles que coques de bateaux, carrosserie plastique d'automobile et autres. En dernier exemple, ce procédé pourra être utiliser pour la fabrication à faible coût de maquettes esthétiques grandeur nature de prototypes : nouvelle voiture, électroménager, décors etc. La maquette pourra être peinte et décorée. Revendications 1. Système de fabrication de pièces en trois dimensions caractérisé d'une part en ce que la fabrication des pièces se réalise par superposition, liaison et solidification de sections successives obtenues par répétition du cycle suivant : - coulée à partir d'une buse de coulée, selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, d'un matériau fusible en fusion sur une poudre de matériau fusible retenu par une enceinte, - recouvrement total ou partiel de cette couche par une nouvelle épaisseur de poudre de matériau fusible qui va accueillir la coulée suivante, et d'autre part en ce que la liaison des sections se fait par phénomène de soudure, entre les grains de poudre et les deux couches successives de liant ou directement entre les deux couches successives de liant. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte entre autre : - une enceinte (2) dont le fond se déplace verticalement suivant l'axe Z et qui va contenir le volume de poudre (1) fusible, - un système (3) pour répartir la poudre en surface de l'enceinte, - une buse de coulée (4) se déplaçant dans un plan X Y grâce à un ensemble (7) et déposant le matériau (10) fondu, - un système de fusion (5) du matériau coulé fusible et alimentant la buse de coulée (4), - un système de pilotage informatique (6) pour le guidage de la buse, le déplacement vertical de l'enceinte et la répartition des grains en surface d'enceinte. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les deux matières fusibles utilisées pour la poudre (1) et pour le liant coulé (10) sont identiques. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la matière commune pour la poudre (1) et pour le liant coulé (10), est de la paraffine. 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la matière commune pour la poudre (1) et pour le liant coulé (10), est de la cire. 6. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la buse de coulée est à orifices multiples. 7. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la buse de coulée est à orifice à section longitudinale. 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que la section est variable et sa variabilité est pilotée par le système de commande (6). 9. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la buse est pilotée aussi en rotation sur elle-même selon l'axe Z. 10. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le système (7) permettant le déplacement de la buse de coulée (4) dans le plan XY, est constitué d'une potence articulée en rotation autour de l'axe Z et dont le bras horizontal permet le déplacement sur une grande distance d'un chariot qui contient la buse de coulée (4). 11. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le système (3) pour répartir la poudre en surface de l'enceinte est constitué d'un rouleau, roulant en appui sur deux bords parallèles de l'enceinte et qui va transporter d'un bout à l'autre un surplus de poudre de telle manière à en déposer à coup sûr une épaisseur égale au maximum à la distance qui sépare le haut de la couche précédente et le haut des bords parallèles servant d'appui.