Brevet FR3022826A1 — publié le 20160101

Domaine technique Le domaine de l'invention est celui de l'impression d'objets en trois dimensions. L'invention porte plus particulièrement sur un mécanisme de guidage d'un filament pour une utilisation dans un système de modélisation tridimensionnelle par dépôt, conçu pour recevoir le filament et guider son déplacement en direction d'une buse d'extrusion. Technique antérieure Généralement, les systèmes de modélisation tridimensionnelle par dépôt utilisent un filament en polymère thermoplastique comme matériau de fabrication. Ce filament est guidé vers une buse d'extrusion mobile en translation verticale et horizontale pour être liquéfié et déposé sur une plate-forme de construction. Le filament se durcit par la suite en refroidissant sur la plate-forme de construction. Plusieurs couches peuvent ainsi être déposées par la buse d'extrusion dans des zones définies à partir d'un modèle CAO afin de créer un objet solide tridimensionnel. Habituellement, le filament est entrainé par un rouleau dont la surface extérieure est en forme de canal semi-circulaire ou en forme de V de dimension proche du diamètre du filament. Ce type de canal en V permet d'augmenter le contact du filament avec le rouleau et d'améliorer son guidage, comme cela est décrit dans le brevet US 2007/0003656. De plus, US 2007/0003656 précise également que la 30 surface du canal peut être munie d'une denture de manière à mieux pénétrer le filament et éviter les glissements de celui-ci sur le rouleau. La quantité de filament extrudé 3022 826 2 est ainsi mieux contrôlée. US 2007/0003656 décrit également un contre-rouleau, notamment une roue folle, se trouvant en opposition avec le rouleau, afin d'exercer une pression de contact contre 5 le filament en direction du rouleau d'entraînement. La précision du débit du filament extrudé dépend notamment de la vitesse à laquelle le filament est déplacé par l'ensemble rouleau d'entraînement/contre rouleau. On comprend donc qu'un mauvais entraînement du 10 filament entre ceux-ci peut affecter le débit et donc la qualité de l'impression 3D. Exposé de l'invention Le but de l'invention est d'améliorer un mécanisme 15 de guidage de filament pour système de modélisation tridimensionnelle par dépôt. A cet effet, l'invention a pour objet un mécanisme d'entraînement et de guidage d'un filament pour un système de modélisation tridimensionnelle par dépôt, 20 conçu pour recevoir ledit filament et provoquer son déplacement en direction d'une buse d'extrusion, ledit mécanisme comprenant un arbre d'entrainement motorisé sur lequel est monté un premier rouleau d'entrainement du filament, et un second rouleau monté en opposition par 25 rapport au premier rouleau de telle sorte que le filament est déplacé entre lesdits premier et second rouleaux, caractérisé en ce que lesdits rouleaux sont engrenés en rotation l'un avec l'autre de telle sorte à réaliser un entraînement symétrique à la même vitesse du filament. Avec ce mécanisme, on peut obtenir un débit d'extrusion du filament relativement constant pendant la fabrication de l'objet en trois dimensions. De plus avec cet entraînement symétrique du filament, on réduit les risques de cassure du filament. Les deux rouleaux d'entraînement peuvent être entrainés en rotation par un seul moteur électrique. Les deux rouleaux opposés ont ici des axes de rotation parallèles et inclus dans un plan perpendiculaire au mouvement de translation du filament. Le mécanisme de guidage selon l'invention peut encore présenter les particularités suivantes : - lesdits premier et second rouleaux sont dotés 10 chacun d'une denture qui s'enfonce dans le filament au fur et à mesure de l'avance de celui-ci en direction de la buse d'extraction; - un canal tubulaire du filament est prévu en amont et en aval desdits rouleaux d'entraînement suivant ladite 15 direction de déplacement du filament. L'invention s'étend à un système de modélisation tridimensionnelle par extrusion comprenant un mécanisme de guidage d'un filament comme indiqué plus haut. 20 Description sommaire des dessins La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée du mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, 25 dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une vue de profil d'une partie du mécanisme d'entrainement etd e guidage selon l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement une vue en 30 perspective du mécanisme d'entrainement et de guidage selon l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement une vue de 3022 826 4 face du mécanisme d'entrainement et de guidage selon l'invention ; - et la figure 4 représente schématiquement de façon plus visible la denture en vue de face des deux rouleaux 5 d'entrainement du filament. Description des modes de réalisation Le mécanisme de guidage selon l'invention peut avantageusement être utilisé dans un système de modélisation tridimensionnelle par extrusion appelée également "Imprimante 3D", que se soit pour des dispositifs à application industrielle ou pour des dispositifs destinés au grand public. Avec ce type de système il est possible de créer des 15 objets ou solides en trois dimensions. Le matériau utilisé ici pour la fabrication du solide est un filament de polymère thermoplastique. Le filament est passé à travers une buse d'extrusion de l'imprimante afin d'être liquéfié sur un socle de construction 20 horizontal. Le filament se durcit rapidement afin de créer une couche de polymère solide. La buse se déplace ensuite à l'horizontale et/ou à la verticale selon un modèle défini par un logiciel CAO afin de créer la forme désirée du 25 solide. Le filament doit être amené vers la buse d'extrusion pour être déposé sur le socle conformément aux besoins définis par le modèle dans le logiciel CAO. Le filament est donc déplacé vers la buse d'extrusion 30 à l'aide d'un moyen mécanique, ici un mécanisme d'entrainement et de guidage motorisé placé au dessus de la buse d'extrusion. Sur les figures 1 à 3, le mécanisme de guidage selon l'invention comprend un premier rouleau ou galet d'entrainement primaire 1 qui est monté sur un arbre motorisé 2 entrainé en rotation par le moteur 3. Le rouleau 1 est solidaire en rotation d'un pignon primaire 4 lequel entraîne en rotation par engrenage un second pignon secondaire 5 monté sur un axe de rotation 6 parallèle à l'arbre 2. Un second rouleau ou galet d'entrainement secondaire 10 7 est monté sur l'axe 6 en opposition au rouleau primaire 1. Le rouleau 7 est solidaire en rotation avec le pignon 5 de sorte que les deux rouleaux 1 et 7 tournent en sens contraire quand l'arbre 2 est entraîné en rotation par le moteur 3. 15 Le filament 8 est entrainé entre les deux rouleaux 1 et 7, ici suivant une direction perpendiculaire au plan contenant l'arbre 2 et l'axe 6. Selon l'invention, les rouleaux 1 et 7 sont engrenés en rotation l'un avec l'autre de telle sorte à réaliser 20 un entraînement symétrique à la même vitesse du filament 8. Plus particulièrement, les deux rouleaux 1 et 7 sont couplés l'un avec l'autre en rotation pour exercer une même vitesse tangentielle en deux zones diamétralement opposés du filament. 25 Comme visible sur la figure 1, les deux rouleaux 1 et 7 sont espacés l'un de l'autre pour laisser un canal de passage pour le filament. Le moteur 3 peut tourner à des vitesses différentes afin de faire varier la vitesse de rotation des rouleaux 30 1 et 7 et donc la vitesse de déplacement du filament. La variation de la vitesse de rotation du moteur peut être calculée et contrôlée par une unité de contrôle/commande en lien avec le logiciel de CAO non représentée ici. Comme visible sur la figure 4, les rouleaux 1 et 7 sont dotés sur leur périphérie annulaire chacun d'une denture pointue 11,12 qui s'enfonce dans le filament 8 au fur et à mesure de l'avance de celui-ci en direction de la buse d'extraction (non représentée). Contrairement à l'état de l'art ou la denture des galets a une section approximativement triangulaire, la denture des rouleaux 1 et 7 est celle d'une roue d'engrenage droit dont le profil des dents est en développante de cercle ne présente pas de canal en V pour le passage du filament. Chacun des deux rouleaux 1 et 7 peut ainsi modeler une crémaillère dans le filament 8 au fur et à mesure de l'avance de celui-ci. Le profil de la denture des galets peut éventuellement être prolongée par rapport à un profil de dent normalisé, afin de rendre l'extrémité des dents des galets plus pointue que celle des dents d'une roue d'engrenage normalisé de même module, ce qui favorise la pénétration des dents des galets dans le filament et réduit ainsi l'effort du moteur pour obtenir une même force de poussée sur le filament. Cela correspond à un déport de denture. Normalement, la denture d'une roue d'engrenage dépasse d'une fois la valeur du module en dehors du cercle primitif. La denture déportée peut dépasser d'environ 1,25 fois la valeur du module. Comme visible sur les figures 2 à 4, un guidage tubulaire est prévu en amont (tuyau 9) et en aval (tuyau 10) des rouleaux d'entraînement 1 et 7 suivant la direction de déplacement du filament, ici la direction D sur la figure 2. Les tuyaux 9 et 10 sont ici des tuyaux cylindriques d'un diamètre légèrement supérieur à celui du filament 8. Ils ont une extrémité placée au plus près du passage entre les deux rouleaux 1 et 7 pour guider le mieux 5 possible le filament 8 dans son mouvement de translation, aussi bien en amont qu'en aval du système d'entrainement. Grâce à la disposition de ces tuyaux 9 et 10, les rouleaux 1 et 7 n'ont plus besoin de guider latéralement le filament. 10 Les modules et les diamètres primitifs des rouleaux 1 et 7 et des pignons 4 et 5, ainsi que l'écartement entre les axes parallèles 2 et 4 portant les rouleaux et les pignons peuvent être calculés par exemple en utilisant la méthode décrite ci-après : 15 Pour le module des rouleaux ou galets d'entrainement 1 et 7, on prend la valeur normalisée la plus proche de 1/10 du diamètre du filament. Soit un module de 0,2 pour un filament de 1,75 mm, valeur de diamètre de filament couramment employé dans le procédé d'impression 3D par 20 fusion de filament. Cette règle donne expérimentalement de bon résultat. La raison pour laquelle le module des rouleaux ou galets doit être proportionnel au diamètre du filament est, qu'en première approximation, la poussée à appliquer au filament est proportionnelle à la section de 25 celui-ci et donc au carré de son diamètre, toutes choses égales par ailleurs. Cela est dû au fait que la pression d'extrusion ne dépend que de la section extrudée (qui a une valeur généralement constante pour le procédé d'impression 3D 30 par extrusion) et du débit extrudé (dont dépend la vitesse du procédé d'impression 3D). Comme l'effort que peut transmettre une roue dentée est limité par la pression de contact admissible des matériaux en jeu, l'effort admissible est donc proportionnel à la surface de contact et donc à la largeur des dents, mais aussi à leur hauteur. Or, en supposant un rouleau ou galet 5 suffisamment large, la largeur de dent en prise sur le filament est proportionnelle au diamètre du filament seulement. Donc il faut augmenter la hauteur de dent proportionnellement au diamètre du filament pour être en mesure d'obtenir la même pression d'extrusion quand on 10 utilise un filament de diamètre plus important. Le diamètre du cercle primitif du rouleau ou galet primaire 1 doit être choisi le plus petit possible. En effet, un des facteurs qui limite la vitesse d'impression du procédé d'impression est le couple du moteur 15 d'extrusion. Pour un couple moteur donné, l'effort que le rouleau ou galet 1 exerce sur le filament est inversement proportionnel au diamètre du cercle primitif du rouleau ou galet. On choisit donc la plus petite valeur qui en fonction du diamètre interne du rouleau ou galet, qui est 20 égal à celui de l'axe qui le porte, conserve l'épaisseur de matière la plus petite acceptable au niveau du pied des dents du rouleau ou galet. Pour un rouleau ou galet 1 en acier, une épaisseur minimale au pied des dents d'environ 0,5 mm est 25 suffisante et donc pour un axe de 5 mm et un module de 0,2, la valeur approchée du diamètre du cercle primitif optimal sera de 5 + 2 x 0.5 + 2 x 1,25 x 0 ,2 = 6.5 mm. On procède de même pour calculer la valeur approchée du diamètre du cercle primitif du rouleau ou galet 7 30 secondaire, sachant que le diamètre interne du galet secondaire doit être suffisant pour servir de surface de roulement à des éléments roulants qui réduisent les frottements, préférentiellement une cage à aiguilles dont le diamètre interne est égal à celui de l'axe qui porte le galet secondaire. Pour une épaisseur minimale au pied des dents d'environ 0,5 mm, pour une cage à aiguille de diamètre externe de 8 mm et un module de 0,2, la valeur approchée du diamètre du cercle primitif optimal sera de 8 + 2 x 0.5 + 2 x 1,25 x 0 ,2 = 9.5 mm. On cherche un rapport simple entre les diamètres 10 primitifs des rouleaux ou galets primaire et secondaire 1 et 7 afin de calculer le nombre exact de dents des galets et des poignons. Dans l'exemple donné 9,5 / 6,5 est proche de 3/2, qui est la valeur exacte du rapport du nombre de dents 15 que l'on retient entre les galets secondaire et primaire 1 et 7. On retient aussi cette valeur pour le rapport du nombre de dents entre les pignons secondaire et primaire 4 et 5, puisque le rapport doit être le même. Il faut ensuite choisir le nombre exact de dents des 20 galets 1 et 7 qui respecte ce rapport de démultiplication, soit dans l'exemple donné 34 dents pour le galet primaire 1 et 51 dents pour le galet secondaire 7. Pour estimer la distance entre les axes des galets 25 primaire et secondaire 1 et 7, il faut spécifier une valeur approchée de la profondeur de pénétration des dents 11,12 des galets dans le filament. Cette valeur doit être celle qui permet aux galets 1,7 de modeler les dents d'une crémaillère de chaque côté 30 du filament au fur et à mesure de son avance entre les deux galets. Dans l'exemple donné, on retient la valeur de 0,275 mm. La valeur de la distance entre les axes des galets 1 et 7 peut alors être calculée à partir de la profondeur de pénétration des dents des galets dans le filament, du diamètre du filament (on peut retenir la plus petite valeur admissible compte tenu des tolérances de fabrication, soit 1,65 mm), ainsi que du module et des diamètres primitifs des galets. Dans l'exemple, le calcul donne 10 mm. Le rapport de nombre de dents entre les pignons 1,7 et la distance des axes 2,4 des galets impose une valeur aux diamètres des cercles primitifs des pignons primaire et secondaire 4,5. Dans l'exemple donné, le diamètre du cercle primitif du pignon primaire 4 doit être de 8 mm et celui du pignon secondaire 5 doit être de 12 mm. Pour le module des pignons de transmission, on prend la plus petite valeur compatible, au niveau du jeu de fonctionnement de l'engrenage, avec la tolérance sur la valeur de la distance entre les axes parallèles des pignons primaire et secondaire. Soit un module de 0,4 pour des procédés industriels de précision courants. Un petit module présente à la fois l'avantage de réduire le jeu dans l'engrenage, de garantir un nombre de dents suffisant pour le pignon primaire et de faciliter la détermination d'un nombre de dents entier pour les pignons qui respecte toutes les contraintes données ci-avant. Dans l'exemple, on aboutit finalement à 20 dents pour le pignon primaire et 30 dents pour le pignon secondaire. Si le calcul ne donnait pas un nombre de dents entier pour les deux pignons, il faudrait prendre les valeurs immédiatement inférieures ou supérieures pour le nombre de dents des galets qui respecte le rapport de démultiplication et itérer les calculs. Si la somme des valeurs des diamètres primitifs des deux pignons divisée par 2 n'était pas exactement égale à la distance entre les axes des galets précédemment calculée, il faudrait légèrement modifier la valeur de la pénétration des dents des galets dans le filament et itérer les calculs ou bien utiliser une denture déportée pour les pignons. REVENDICATIONS1. Mécanisme d'entrainement et de guidage d'un filament (8) pour un système de modélisation tridimensionnelle par dépôt, conçu pour recevoir ledit filament et provoquer son déplacement en direction d'une buse d'extrusion, ledit mécanisme comprenant un arbre d'entrainement motorisé (2) sur lequel est monté un premier rouleau d'entrainement (1) du filament, et un second rouleau (7) monté en opposition par rapport au premier rouleau de telle sorte que le filament est déplacé entre lesdits premier et second rouleaux, caractérisé en ce que lesdits rouleaux sont engrenés en rotation l'un avec l'autre de telle sorte à réaliser un entraînement symétrique à la même vitesse du filament. 2. Mécanisme de guidage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et second rouleaux (1,7) sont dotés chacun d'une denture (11,12) qui s'enfonce dans le filament au fur et à mesure de l'avance de celui-ci en direction de la buse d'extraction. 3. Mécanisme de guidage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un canal tubulaire (9,10) du filament est prévu en amont et en aval desdits rouleaux d'entraînement suivant ladite direction de déplacement du filament. 4. Système de modélisation tridimensionnelle par 30 extrusion, caractérisé en ce qu'il comprend un mécanismede guidage d'un filament selon l'une des revendications 1 à 3.