Brevet FR3021581A1 — publié le 20151204

La présente invention permet d'imprimer en trois dimensions grâce au procédé de dépôt de filament fondu couche par couche, tous les matériaux possédant une température de fusion supérieure à 400° C avec un apport de gaz inerte ou non. 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 250°C. Afin de faire fondre ces matériaux plastiques il est utilisé des cartouches chauffantes permettant d'atteindre ces températures de fusion. En revanche, il existe des cartouches chauffantes plus performantes utilisant des matériaux particuliers comme du fil résistif dans un alliage nickel-chrome qui permettent d'atteindre des températures de chauffe aux alentours de 1000 °C. Il devient donc possible de faire fusionner à partir de ce principe, l'ensemble des polymères ainsi que des métaux comme l'aluminium, le bronze et l'étain qui ont un point de fusion accessible par ce procédé. Le dispositif selon l'invention permet d'apporter l'impression en trois dimensions accessible de ces matériaux. Il comporte l'utilisation d'une ou plusieurs cartouches chauffantes haute performance, d'un bloc de chauffe isolé thermiquement en surface dans un matériau possédant de très bonne propriétés de conduction thermique, d'un thermocouple permettant le contrôle et la régulation de la température et l'utilisation d'une buse adaptée en fonction des matériaux imprimés ainsi que d'une torche permettant de canaliser l'apport de gaz inerte ou non. De plus un système de mise sous atmosphère contrôlée de l'imprimante trois dimensions ou l'utilisation d'un diffuseur de gaz peut être ajouté si le matériau imprimé le nécessite. Le système de chauffe utilise un principe de chauffage résistif qui diffuse la chaleur par effet Joule. L'atmosphère contrôlée ou le diffuseur de gaz (à base d'argon ou autre gaz ) permet de remédier à la formation d'oxydes lors du refroidissement des métaux ou d'optimiser les soudures couches à couches du procédé en fonction de la matière utilisée. Le gaz peut être injecté directement au sein de la buse par les orifices prévus à cet effet ou directement dans l'enceinte de l'imprimante. L'impression sera donc réalisée sous atmosphère contrôlée. 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 3021581 2 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. 5 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). 10 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. Le dispositif peut être utilisé sur un bras robot articulé. 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 15 matériau mais d'avoir un dispositif adapté par matériau. Cela doit également permettre 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, etc., via l'association 20 d'un système d'extrusion. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 est une vue en perspective trimétrique de la cartouche chauffante (1), du bloc de chauffe (2), de la buse d'impression (3), du thermocouple (4), et de la torche (5). La figure 2 est une vue en perspective trimétrique de la buse (3). 25 La figure 3 est une vue de de face de la buse (3). La figure 4 est une vue de haut de la buse (3). La figure 5 est une vue en perspective trimétrique de la buse (3) et de la torche (5) La figure 6 est une vue de face de l'assemblage de la buse (3) et de la torche (5) Le dispositif selon l'invention est destiné à l'usage industriel, à savoir la fabrication 30 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 avec un apport ou non de gaz caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs cartouches chauffantes (1), un bloc de chauffe recouvert d'un isolant thermique (2), d'une buse (3), d'une torche (5) et d'un thermocouple (4) 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 d'optimiser la soudure couche à couche de tous les matériaux utilisables avec ce dispositif 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fil résistif constituant la cartouche chauffante (1) soit un alliage nickel-chrome, du tungstène ou du carbone. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le thermocouple (4) 15 peut être remplacé par un pyromètre à visée laser ou autre organe de mesure thermique. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau constituant le bloc de chauffe (2) soit en cuivre ou en laiton ou en tungstène ou en molybdène ou dans un matériau réfractaire. 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau constituant 20 la buse (3) soit en tungstène ou alliage de tungstène, en molybdène ou alliage de molybdène, dans n'importe qu'elle alliage d'acier, dans les différents alliages d'inconel ou dans un matériau réfractaire. 6) Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que le thermocouple soit présent directement dans la cartouche chauffante. 25 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la position de la ou les cartouches chauffantes (1) dans le bloc de chauffe (2) puisse être verticale et/ou horizontale, dans toutes les directions du bloc de chauffe. 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la buse (3) permette l'apport en son sein d'un gaz inerte ou non, canalisé par une torche (5) afin d'éradiquer les 30 problèmes d'oxydation lors de la fusion des métaux ou d'optimiser la soudure couche à couche des matériaux utilisables. 3021581 4 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au sein des cartouches chauffantes (1) le fil résistif soit positionné de telle sorte que le centre de la cartouche chauffante soit la zone de chauffe maximale et/ou que cette zone de chauffe soit concentrée aux extrémités de la cartouche et/ou que cette zone de chauffe soit homogène sur toute la 5 longueur de la cartouche chauffante. 10) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'apport de gaz inerte peut se faire par la buse (1) par les deux orifices prévus à cet effet et ou par un injecteur mettant l'enceinte d'impression sous atmosphère contrôlée. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant 10 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). 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'utilisation sur un système d'impression comportant autant d'axe de travail possible ou sur un bras robot agencé de sorte que le démarrage d'une impression en trois dimensions d'une pièce s'effectue à un point fixe. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'utilisation d'une ou plusieurs buses (1) fixé sur le bloc chauffe (2) avec plusieurs matériaux différents pour réaliser des impressions avec plusieurs couleurs différentes et/ou plusieurs matériaux.25