Brevet FR3015922A1 — publié le 20150703

Dispositif d'impression tridimensionnelle 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des jeux créatifs. Plus précisément, l'invention se rapporte à une imprimante tridimensionnelle conçue pour la réalisation/fabrication d'objets tridimensionnels de formes variées, et destinée aux particuliers, notamment aux enfants. 2. Etat de la technique Les imprimantes tridimensionnelles (dont l'abréviation est le terme «3D ») sont utilisées dans l'industrie et permettent de fabriquer (ou d'imprimer), par superposition de fines couches successives de plastique par exemple, un objet (un prototype par exemple) de façon rapide et à moindre coût. Une telle imprimante est classiquement pilotée par un ordinateur qui met en oeuvre un fichier numérique contentant les données en trois dimensions de l'objet à produire. Les imprimantes 3D destinées au grand public restent relativement coûteuses et ne sont pas, ou peu, adaptées aux enfants. Or, la pratique des loisirs créatifs par des enfants participe à leur bon développement. Elle leur permet en effet de cultiver et de développer leur imaginaire et d'acquérir les bases des activités artistiques qui sont très peu enseignées à l'école. Certains loisirs créatifs consistent en des activités de nature manuelle qui peuvent notamment permettre aux enfants qui s'y adonnent de développer leur concentration, leur agilité, et leur notion de volume et d'espace. 3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, un objectif de l'invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir une imprimante tridimensionnelle destinée aux particuliers, et notamment aux enfants, qui permette de confectionner des objets de formes variées/complexes. Un autre objectif de l'invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir un tel moyen qui favorise l'apprentissage de l'enfant, et qui développe sa concentration, son imagination, son agilité, et sa notion de volume et d'espace notamment. L'invention poursuit l'objectif de fournir, dans au moins un mode de réalisation, un tel moyen qui soit simple d'utilisation, sans adresse particulière, et qui soit ludique. Un autre objectif de l'invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir un tel moyen qui soit robuste, sécurisé et de coût réduit. 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront plus clairement par la suite, sont atteints à l'aide d'un dispositif d'impression d'un objet tridimensionnel par dépôt de couches successives de matériau conformément à des données définissant l'objet, ledit dispositif comprenant au moins une tête d'extrusion d'un filament dudit matériau, ladite tête comprenant des moyens de chauffage dudit filament. Selon l'invention, lesdits moyens de chauffage comprennent au moins une résistance PTC (pour « positive temperature coefficient » en anglais, et « CTP » en français pour « coefficient de température positif ») à semi-conducteur. Ainsi, l'invention propose une imprimante tridimensionnelles (ou « 3D ») permettant, à partir d'un fichier numérique, la fabrication de pièces volumiques par dépôt de couches successives de matière. La matière est de préférence du plastique, de l'ABS (pour « Acrylonitrile butadiene styrene ») par exemple. De façon classique, la tête d'extrusion met en oeuvre des moyens de chauffage. La mise en oeuvre d'une résistance PTC comme moyens de chauffage est avantageuse en ce sens qu'une telle résistance s'autorégule et est à puissance constante. En d'autres termes, sa mise en oeuvre ne nécessite pas de dispositif électronique de régulation de la température (de capteur de température notamment). En outre, le temps de chauffage est plus rapide, et le risque de surchauffe est diminué, voire supprimé. Par ailleurs, les diamètre et longueur d'une telle résistance sont réduits en comparaison des résistances traditionnelles, et sa consommation en énergie est faible. Une telle imprimante est destinée à des utilisateurs amateurs souhaitant s'adonner au loisir créatif dans le cadre d'un usage privé. Elle est maniable et relativement facile à utiliser pour un enfant. L'enfant peut ainsi réaliser un grand nombre d'objets, tels que des figurines par exemple. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit filament dudit matériau est stocké dans une cassette destinée à être logée de façon amovible dans un logement de réception dudit dispositif. Selon un aspect particulier de l'invention, ladite cassette comprend des moyens électroniques d'identification. Selon un aspect particulier de l'invention, les moyens électroniques d'identification comprennent une puce RFID (de l'anglais « radio frequency identification », « identification par radio fréquence » en français). Selon un aspect particulier de l'invention, ledit dispositif comprend des moyens de lecture de moyens électroniques d'identification. Selon un aspect particulier de l'invention, ledit dispositif comprend au moins un port USB (de l'anglais « universal serial bus », « bus universel en série » en français). 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : les figures lA et 1B sont deux vues en perspective, de 3/4 face et de 3/4 arrière, d'une imprimante selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre de façon schématique la détection et la reconnaissance d'un consommable mis en oeuvre dans l'imprimante de l'invention ; la figure 3 illustre les dimensions d'un objet tridimensionnel imprimé par l'imprimante de l'invention ; la figure 4 est une vue en perspective, de 3/4 face, de l'imprimante des figures lA et 1B lorsque le couvercle d'accès à l'espace d'impression est ouvert ; la figure 5 illustre un exemple d'architecture de l'imprimante selon l'invention ; les figures 6A et 6B illustrent de façon schématique deux modes de fonctionnement de l'imprimante de l'invention. 6. Description détaillée de l'invention L'architecture et la conception de l'imprimante de l'invention ont été guidées de façon à limiter le nombre de composants électroniques, de connexions filaires et d'interconnexions, et de façon à optimiser la taille de la carte électronique intégrant l'ensemble des fonctions électroniques et électriques de l'imprimante. 6.1 Aspect extérieur de l'imprimante Les figures 1A et 1B sont des vues en perspective, de 3/4 face et de 3/4 arrière respectivement, de l'imprimante de l'invention. L'imprimante 1 est de forme sensiblement parallélépipédique, et comprend une face avant et une face arrière qui sont reliées par deux faces latérales, une face inférieure destinée à reposer sur une surface plane de support (une table ou un bureau par exemple) et une face supérieure. L'imprimante 1 comprend, sur sa face avant, une porte 11 transparente montée pivotante sur des charnières. La figure 1A montre la porte 11 en position fermée, la figure 4 illustrant la porte 11 en position ouverte, une fois l'impression d'un objet 0 réalisée. L'imprimante 1 comprend des moyens de détection de la fermeture de la porte 11, afin d'assurer la sécurité de l'utilisateur. L'imprimante 1 comprend en outre, sur sa face avant, une interface homme/machine 12, qui sera décrite plus en détail par la suite. L'imprimante 1 comprend, sur sa face arrière (figure 1B), un logement pour y loger de façon amovible un consommable, sous la forme d'une cassette 13. La cassette 13 interchangeable comprend une bobine de fil (ou filament) 13 plastique, en ABS dans cet exemple. L'imprimante 1 est alimentée par une tension continue (DC) comprise entre 12 et 24V provenant d'un bloc transformateur AC/DC déporté-extérieur (bloc T sur les figures 6A et 6D). Elle comprend en outre une prise d'alimentation (« socket » en anglais) en courant continu (DC) 14 et un port USB 15. L'imprimante 1 est relativement légère (moins de 8 kg) et compacte (hauteur égale à 300 mm, profondeur égale à 215 mm, et largeur égale à 270 mm dans cet exemple). La puissance totale instantanée de l'imprimante 1 est de l'ordre de 150 W max. Comme illustré sur la figure 3, l'imprimante 1 permet la fabrication de pièces tridimensionnelles 0 de largeur L (selon l'axe X), hauteur H (selon l'axe Z) et profondeur P (selon l'axe Y) égales à 100 mm maximum, avec une précision de l'ordre de +/- 0,3 MM. 6.2 Architecture technique La figure 5 illustre de façon schématique un exemple d"architecture de l'imprimante de l'invention. L'imprimante 1 met en oeuvre une unique carte électronique C qui intègre l'ensemble des fonctions électroniques et électriques (interface homme/machine, prise DC, prises USB, LEDs, pilotes, microcontrôleur, ...) de l'imprimante 1. L'imprimante 1 utilise le procédé d'extrusion thermoplastique. Pour ce faire, l'imprimante met en oeuvre une tête d'impression (ou d'extrusion) 17 qui comprend : une extrudeuse 171 qui entraîne et pousse la matière (en l'occurrence le filament plastique 131 de la cassette 13) dans la buse d'impression chauffante (non représentée) qui fond le filament en plastique. Le chauffage de la buse est mis en oeuvre par un élément chauffant, sous la forme d'une résistance chauffante 1711 (température d'extrusion égale à 200°C, tension d'alimentation 12V continue et puissance variable de 0 à 26W). Il est prévu un capteur de température 1712 de la pièce/objet extrudée (imprimée) ; un ventilateur de refroidissement 173 de la pièce extrudée (tension 5V), et un moteur d'extrusion 172 qui commande l'extrudeuse 171. La résistance chauffante 1711 est une résistance PTC. Une telle résistance s'autorégule et est à puissance constante (en outre le temps de chauffage est plus rapide, pas de risque de surchauffe, diamètre et longueur réduits en comparaison des résistances traditionnelles, faible consommation en énergie). En d'autres termes, sa mise en oeuvre ne nécessite pas de dispositif électronique de régulation de la température (capteur notamment). L'atteinte de la température de consigne est déterminée par la mesure du courant d'alimentation de la résistance chauffante 1711. Le déplacement de la tête d'extrusion 17 est commandé par deux moteurs pas à pas, à savoir un moteur 181 en X et un moteur 182 en Y. En d'autres termes, la tête d'extrusion 17 est apte à se déplacer suivant les axes X et Y par rapport à un plateau (ou plaque de dépôt, ou plateforme de support) 18, sur lequel est imprimé l'objet. Le plateau 18 est apte à se déplacer suivant l'axe Z par rapport à la tête d'extrusion 17 par le biais d'un moteur 183 en Z pas à pas pour former chaque couche successive de l'objet à imprimer. Ces trois moteurs pas à pas 181, 182, 183 sont alimentés en 12V/0.4A, le pas étant de 1,8°. La carte électronique C comprend un microcontrôleur 101 apte à interpréter les instructions en G-code et communiquant avec : le pilote 1810 du moteur 181 de déplacement en X; le pilote 1820 du moteur 182 de déplacement en Y; le pilote 1830 du moteur 183 de déplacement en Z; le pilote 1720 du moteur d'extrusion 172 de la tête d'extrusion 17; le contrôleur 1710 de la buse chauffante de la tête d'extrusion 17; l'interface homme/machine 12; la prise USB 16 avant ; la prise USB 15 arrière, et la prise d'alimentation 14 via un étage de puissance 141. Le contrôleur 1710 de la buse chauffante commande la résistance chauffante 1711 et reçoit des données représentatives de la température mesurées par le capteur de température 1712. L'interface homme/machine 12 comprend : un afficheur LCD 121 (ou GLCD) avec au minimum quatre lignes ; quatre boutons poussoirs 122 monostables « ON/OFF », « UP » (déplace le curseur dans les listes de choix), « DOWN » (déplace le curseur dans els listes de choix), « RETOUR » (retour en arrière dans le menu ou arrêt de la commande en cours), « VALID. » (Validation de la commande sélectionnée) ; un voyant lumineux 123 bicolore (rouge/vert) ; une prise USB 16. Par ailleurs, l'interface homme/machine 12 permet d'accéder aux fonctions de l'imprimante 1 via un menu, et notamment aux fonctions suivantes : sélectionner un fichier de la mémoire USB (fichier stocké dans une clé USB reliée au port USB 16, par exemple) ; initialiser l'imprimante 1; réaliser la purge de la tête d'extrusion 17; - réaliser le changement de cassette 13; - lancer un cycle d'impression. 6.3 Langage de commande Le langage pour commander l'imprimante 1 (de façon à ce que cette dernière puisse imprimer un objet) est le G-code qui, à l'origine, est un langage de commande des machines outils, et qui est défini par la norme RS-274D. Ce langage de commande (ou code machine) définit l'ensemble des instructions séquentielles nécessaire à l'impression tridimensionnelle d'un objet par le biais de l'imprimante 1. Ce G-code est obtenu à partir d'un modèle 3D d'un objet que l'utilisateur souhaite réaliser. Le microcontrôleur 101 reçoit des instructions (G-code) d'un ordinateur personnel, par exemple, relié à l'imprimante 1 (via le port USB 15) ou d'une clé USB reliée à l'imprimante 1 (via le port USB 16), les interprète, puis renvoie des signaux de commande vers les pilotes 1720, 1810, 1820, 1830 et le contrôleur 1710 de la buse chauffante. Le microcontrôleur 101 pilote ainsi les trois moteurs pas à pas 181, 182, 183, et donc le déplacement de la tête d'extrusion 17 (selon les axes X et Y) et du plateau 18 (selon l'axe Z). Les instructions/ordres de déplacement sont par exemple « aller au point X, Y, Z », ou bien « tracer un cercle de rayon R ». A titre d'exemple, la commande « GO Z25 » correspond à un déplacement hors matière de 25 mm selon l'axe Z. 6.4 Modes de fonctionnement 6.4.1 Mode «autonome » (« stand alone mode » en anglais) Dans ce premier mode de fonctionnement, illustré sur la figure 6A, l'imprimante 1 fonctionne sans connexion informatique. Une clé USB C stockant un ou plusieurs fichiers de programmes en « G-Code» (correspondants à un ou plusieurs modèles à imprimer) est insérée dans le port USB 16 situé en face avant de l'imprimante 1. L'utilisateur choisit le modèle qu'il désire imprimer par le biais de l'interface homme/machine 12. 6.4.2 Mode « esclave » (« slave mode » en anglais) Dans ce deuxième mode de fonctionnement, illustré sur la figure 6B, l'imprimante 1 se comporte comme un périphérique d'impression connecté (par une liaison filaire dans cet exemple), par le biais du port USB 15, à un ordinateur personnel PC, ce dernier mettant en oeuvre un logiciel de pilotage de l'imprimante. L'imprimante 1 reçoit par le biais de la liaison USB les commandes « G-Code » envoyées par l'ordinateur PC. On note que sur les figures 6A et 6B, l'imprimante est alimentée en 12, 15 ou 24V par le biais d'un transformateur T AC/DC relié à la prise 14 de l'imprimante 1. 6.5 Pilote (« driver en anglais) de l'imprimante L'imprimante 1 peut se comporter comme un périphérique USB. Elle peut être pilotée depuis un logiciel de CAO (pour « conception assistée par ordinateur ») ou de modélisation, tel les logiciels Solidworks, Sketch Up, Rhinoceros (marques déposées). Le pilote de l'imprimante 1 est dans ce cas installé sur l'ordinateur personnel PC de l'utilisateur. Il est, de préférence, compatible avec les systèmes d'exploitation Windows XP, Vista 7, Vista 8, Mac, Linux (marques déposées). Un tel pilote est configuré pour mettre en oeuvre la conversion du modèle 3D à imprimer vers le langage G-code approprié au pilotage de l'imprimante 1. Le pilote est en outre configuré pour délivrer une estimation du temps de réalisation d'une impression sur la base du langage G-code compilé. Un ou plusieurs paramètres, tels que la finesse, la précision, la densité du corps (corps creux, corps 50% plein ou corps plein) sont ajustables via une fenêtre « Paramètre » depuis le panneau de commande d'impression. 6.6 Autres aspects et variantes L'imprimante de l'invention est apte à imprimer divers types de figurines (être humain, personnage de fiction,...) de tailles variées. Un exemple d'objet imprimé 0 est représenté sur la figure 4 lorsqu'il est disposé sur le support 18. Bien évidemment, la géométrie ou la forme de l'imprimante de l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés précédemment. L'imprimante est apte à extruder d'autres types de fil que de du fil ABS. Elle peut comprendre une ou plusieurs têtes d'extrusion. La cassette 13 est apte à stocker des fils de couleurs variées. Comme illustré sur la figure 2, la cassette 13 de fil 131 peut être munie d'une étiquette RFID 131 (comprenant une puce électronique et une antenne) et l'imprimante 1 peut comprendre un lecteur RFID (antenne) 101 pour la détection et la reconnaissance de la cassette 13. Un tel lecteur 101 permet une lecture sans contact de l'étiquette RFID 131, ce qui permet de s'assurer que la cassette 13 de consommable est compatible avec l'imprimante 1. Une telle approche permet en outre de protéger l'utilisateur contre les consommables de contrefaçon. REVENDICATIONS1. Dispositif d'impression (1) d'un objet tridimensionnel (0) par dépôt de couches successives de matériau conformément à des données définissant l'objet (0), ledit dispositif comprenant au moins une tête (17) d'extrusion d'un filament (131) dudit matériau, ladite tête (17) comprenant des moyens de chauffage dudit filament, caractérisé en que lesdits moyens de chauffage comprennent au moins une résistance PTC à semi-conducteur (1711). 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit filament (131) dudit matériau est stocké dans une cassette (13) destinée à être logée de façon amovible dans un logement de réception dudit dispositif (1). 3. Dispositif (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite cassette (13) comprend des moyens électroniques d'identification (131). 4. Dispositif (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens électroniques d'identification (131) comprennent une puce RFID. 5. Dispositif (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit dispositif (1) comprend des moyens de lecture (101) des moyens électroniques d'identification (131). 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un port USB (15, 16).