Brevet FR3016548A1 — publié le 20150724

La présente invention concerne un dispositif permettant de faire fondre des matériaux, grâce à une machine de chauffe par induction, afin de les imprimer en trois dimensions par le procédé de dépôt de filament fondu. La plupart des imprimantes 3D utilisant le procédé de dépôt de filament fondu sont commercialisées et développée pour le prototypage rapide. De ce fait elles n'utilisent qu'une panoplie très restreinte de matériaux. Elles utilisent finalement que des matériaux plastiques simples d'utilisation tels que le PLA et l'ABS par exemple. Ces matériaux fondent à des températures comprises entre 200°C et 400°C. Afin de faire fondre ces matériaux plastiques il est utilisé des cartouches chauffantes. Une cartouche chauffante de haute performance peut chauffer jusqu'à 750°C. Or la température de fusion des métaux varie entre 700°C et 1500°C. Il est donc impossible d'atteindre la température de fusion de l'aluminium (700°C) en utilisant ce système lorsque l'on prend en compte les pertes énergétiques. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Il comporte l'utilisation d'un système de chauffe par induction, l'utilisation d'une buse adaptée à la chauffe par induction et la mise sous atmosphère contrôlée de l'imprimante trois dimensions ou l'utilisation d'un diffuseur de gaz si le matériau imprimé le nécessite. Le système de chauffe par induction utilise un champ magnétique inductif et/ou plasma inductif pour faire monter en température les pièces souhaitées. L'atmosphère contrôlée ou le diffuseur de gaz (à base d'argon ou autre) permet de remédier à la formation d'oxydes lors du refroidissement des métaux ou autre matière. Ce dispositif permet d'imprimer tous les matériaux, c' est-àdire d'atteindre la température de fusion de tous les matériaux. Le dispositif est paramétrable en fonction des spécifications du matériau à imprimer. Tout d'abord, si le matériau s'oxyde lors de son refroidissement au contact de l'air ambiant, on utilise une atmosphère contrôlée dans l'enceinte de l'imprimante trois dimensions ou un diffuseur de gaz. La mise sous environnement contrôlée peut également être nécessaire dans le cas où l'on utilise une buse dans un matériau qui s'oxyde facilement au contact de l'air ambiant (tungstène par exemple). Ensuite, nous pouvons utiliser plusieurs configurations en fonction du type de matériau et de sa température de fusion. Pour les matériaux non- ferromagnétiques et les métaux ayant une température de fusion inférieure à 1200°C, nous pouvons utiliser : - une buse en matériau non-ferromagnétique comprenant une ou plusieurs bagues en matériau ferromagnétique à l'intérieur ; - et une bobine d'induction permettant de diriger le champ magnétique inductif et/ou M plasma inductif uniquement sur la ou les bagues en matériau ferromagnétique. Pour les métaux et les matériaux conducteurs, nous pouvons utiliser : - une buse entièrement en matériau non-ferromagnétique. Plus précisément, on remplace 5 la ou les bagues en matériau ferromagnétique, évoqués dans le cas précédent, par une ou plusieurs bagues en matériau non-ferromagnétique. Le matériau non-ferromagnétique peut être, par exemple, du nitrure de silicium, du carbure de bore, du molybdène ou du tungstène; - Et une bobine d'induction permettant de diriger le champ magnétique inductif et/ou plasma inductif directement sur une partie de la matière traversant la buse en matériau non-10 ferromagnétique. Il est également possible d'atteindre la température de fusion du matériau que l'on souhaite imprimer en utilisant une buse ferromagnétique et une bobine d'induction permettant de diriger le champ magnétique inductif et/ou plasma inductif sur la buse ferromagnétique (en acier par exemple). 15 Le dispositif peut être utilisé avec les différentes imprimantes 3 axes existantes. C'est-à-dire, soit une imprimante déplaçant la buse sur les axes x et y, et le plateau sur l'axe z (dit vertical) ; soit une imprimante déplaçant la buse sur l'axe z (dit vertical), et le plateau sur les axes x et y ; soit le plateau est fixe, et la buse se déplace sur les trois axes (x, y et z) ; soit la buse est fixe, et le plateau se déplace sur les trois axes (x, y et z). 20 Le dispositif peut également être utilisé sur autant d'axe de travail que possible à partir du moment où le démarrage de la pièce a un point fixe. Il est aussi prévu d'installer plusieurs dispositifs simultanément sur une même imprimante afin de ne pas avoir besoin d'adapté le dispositif à chaque changement de matériau mais d'avoir un dispositif adapté par matériau. Cela doit également permettre 25 d'imprimer des pièces en multi-matériaux. Par exemple, un thermos avec des parties en plastique et d'autres en aluminium. Les matériaux injectés peuvent se présenter de différentes manières : déjà mis en forme (fil par exemple), en poudre, en granulés, en fibres... Les dessins annexés illustrent l'invention : 30 La figure 1 est une vue en perspective trimétrique de la buse (1), de la bobine d'induction (5), du coffret/tête de chauffe (6), du fil de matière (7), du générateur (8), du refroidisseur à eau (9), du diffuseur de gaz (10), de la bouteille de gaz (11) et d'une plaque support (12). La figure 2 est une vue en perspective trimétrique de la buse (1), du fil de matière (7), de la bobine d'induction (5) et du coffret/tête de chauffe (6). On peut également apercevoir une partie d'une bague en matériau non-ferromagnétique (4). La figure 3 est une vue de côté de la buse (1), du fil de matière (7), de la bobine d'induction (5) et du coffret (6). La figure 4 est une vue en perspective trimétrique de la buse (1). La figure 5 est une vue de face de la buse (1). La figure 6 est une vue en coupe de la buse (1). La figure 7 est une vue éclatée en transparence d'un exemple d'assemblage de la buse (1) avec une bague entonnoir (2), une bague en matériau ferromagnétique (3), 3 bagues en matériau non-ferromagnétique (4) et le fil de matière (7). La figure 8 est une vue éclatée de d'un exemple d'assemblage de la buse (1) avec une bague entonnoir (2), une bague en matériau ferromagnétique (3), 3 bagues en matériau non- ferromagnétique (4) et le fil de matière (7). La figure 9 est une vue en perspective trimétrique de la bague entonnoir (2). La figure 10 est une vue de face de la bague entonnoir (2). La figure 11 est une vue en coupe de la bague entonnoir (2). La figure 12 est une vue en perspective trimétrique de la bague en matériau ferromagnétique (3). La figure 13 est une vue de face de la bague en matériau ferromagnétique (3). La figure 14 est une vue en coupe de la bague en matériau ferromagnétique (3). La figure 15 est une vue en perspective trimétrique de la bague en matériau non- ferromagnétique (4). La figure 16 est une vue de face de la bague en matériau non-ferromagnétique (4). La figure 17 est une vue en coupe de la bague en matériau non-ferromagnétique (4). En référence à ces dessins, le dispositif fait appel à une machine de chauffe par induction constitué d'un bloc d'alimentation aussi appelé générateur (8) qui permet d'augmenter la fréquence du réseau entre 1 et 400 kHz, d'une bobine d'induction aussi appelé inducteur (5) permettant de générer un champ magnétique inductif et/ou plasma inductif, et d'une tête de travail aussi appelé tête de chauffe ou coffret (6) qui permet d'accoupler le générateur à la bobine d'induction (5) grâce à une combinaison de condensateurs et transformateurs. La machine de chauffe peut nécessiter l'utilisation d'un refroidisseur à eau (9), branché sur la tête de chauffe (6), pour refroidir la bobine d'induction (5). La tête de chauffe (6) peut, comme le refroidisseur à eau (9), ne pas être utile dans certains cas de figure. Le dispositif est complété par une buse (1) contenant différent éléments enfilés en fonction de la configuration souhaitée, et plus particulièrement, du matériau que l'on souhaite imprimer. La bague entonnoir (2) est toujours la première partie enfilée dans la buse (1) si l'on souhaite en utiliser une. Son matériau peut varier. Les parties suivantes sont des bagues de divers matériaux. Il peut s'agir soit uniquement de bagues en matériau non-ferromagnétique (4), soit d'une ou plusieurs bagues en matériau ferromagnétique (3) complétées par des bagues en matériau non-ferromagnétique (4). Par exemple, si la buse (1) peut contenir 6 bagues, on peut avoir une configuration constituée d'une bague entonnoir (2), d'une bague en matériau ferromagnétique (3) et de trois bagues en matériau non-ferromagnétique (4). D'autre part, en fonction de la configuration de la buse (1) choisit, il faut adapter la bobine d'induction (5) à celle-ci. Il y a deux configurations possibles. Soit on souhaite chauffer directement le fil de matière (7) traversant la buse (1), soit on souhaite chauffer une ou plusieurs bagues en matériau ferromagnétique (3) qui joue le rôle d'intermédiaire pour chauffer le fil de matière (7). L'adaptation ou le changement de la bobine d'induction (5) permet de régler l'orientation du champ magnétique inductif et/ou plasma inductif sur le fil de matière (7) ou alors sur la ou les bagues en matériau ferromagnétique (3) situées à l'intérieur de la buse (1). Le dispositif comprend également la mise sous atmosphère contrôlée de l'imprimante trois dimensions ou l'utilisation d'un diffuseur de gaz (10) si le matériau à imprimer le nécessite, c'est-à-dire si le matériau s'oxyde au contact de l'air ambiant lors du refroidissement. La mise sous environnement contrôlée peut également être nécessaire dans le cas où l'on utilise une buse dans un matériau qui s'oxyde facilement au contact de l'air ambiant (tungstène par exemple). Dans les deux cas de figure l'alimentation en gaz peut être faite par une bouteille de gaz (11). Lors de la mise en application de notre dispositif sur une imprimante trois dimensions, le coffret (6) et le diffuseur de gaz (10) sont systématiquement fixés sur l'axe de mise en mouvement de la buse. Il est possible de fixer le coffret (6) et le diffuseur de gaz (10) à une plaque support (12) qui est elle-même fixée à l' axe de mise en mouvement. La buse (1) est soit fixé directement sur l'axe d'impression, soit fixé à un dissipateur qui lui est fixé sur l'axe d'impression. Il faut, dans tous les cas de figure, que la buse (1) soit positionnée au centre de la bobine d'induction (5) et que le montage soit le plus fixe possible pour résister aux nombreuses vibrations lors de la mise en fonctionnement de l'imprimante trois dimensions. Le dispositif selon l'invention est destiné à l'usage industriel, à savoir la fabrication de prototypes mais aussi de pièces finies et à l'usage particulier pour la fabrication de pièces finies. REVENDICATIONS1) Dispositif pour imprimer en trois dimensions tous les matériaux par un procédé de dépôt de filament fondu caractérisé en ce qu'il comporte une machine de chauffe par induction et une buse d'impression (1) adaptées à une imprimante trois dimensions qui peut être utilisée sous une atmosphère contrôlée ou peut utiliser un diffuseur de gaz (à base d'argon ou autre) pour remédier à la formation d'oxyde lors du refroidissement de certains métaux et/ou autres matières. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le générateur (8), le coffret (6) et la bobine d'induction (5) constituent la machine de chauffe par induction. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comprend un refroidisseur à eau (9) pour refroidir la machine de chauffe. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la buse (1) comporte des bagues en matériau ferromagnétique (3) et/ou des bagues en matériau non- ferromagnétique (4). 5) Dispositif selon les revendications 1 et 4 caractérisés en ce que le matériau non-ferromagnétique de la buse et des bagues est du nitrure de silicium, ou du carbure de bore, ou du molybdène, ou du tungstène. 6) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la machine de chauffe par induction utilise un champ magnétique inductif et/ou plasma inductif afin de faire fondre les métaux dans une buse d'impression non ferromagnétique (1). 7) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la machine de chauffe par induction utilise un champ magnétique inductif et/ou plasma inductif afin de chauffer une bague ferromagnétique à l'intérieur de la buse d'impression non-ferromagnétique (1). 8) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la machine de chauffe par induction utilise un champ magnétique inductif et/ou plasma inductif afin de chauffer une buse d'impression construite en matériaux ferromagnétique (1). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'utilisation sur les imprimantes 3 axes existantes : - Soit le déplacement de la buse se fait en x et y, et le plateau peut monter ou descendre sur l'axe z (dit vertical) ; - Soit le plateau se déplace en x et y, et la buse peut monter ou descendre sur l'axe z (dit vertical) ; - Soit le plateau est fixe, et la buse se déplace sur les trois axes (x, y et z) ; - Soit la buse est fixe, et le plateau se déplace sur les trois axes (x, y et z). 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'utilisation sur un système d'impression comportant autant d'axe de travail possible agencé de sorte que le démarrage d'une impression en trois dimensions d'une pièce s'effectue à un point fixe. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 comprenant l'utilisation d'une ou plusieurs buses (1) avec plusieurs matériaux différents. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les techniques permettant l'association de plusieurs matériaux lors de l'impression d'une pièce via l'utilisation de plusieurs buses (1) et champs magnétique 20 inductif et/ou plasma inductif. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant la multiplication des buses (1) sur la même tête d'impression en utilisant un ou plusieurs champs magnétique inductif et/ou plasma inductif et en utilisant ou non 25 les propriétés de diffusion thermique des matériaux ferromagnétiques dans les buses d'impression (1). 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'utilisation de matériaux déjà en forme ou des poudres de ces mêmes matériaux lors de l'injection de matières. 10