Brevet FR3043933A1 — publié le 20170526

BUSE D'EXTRUSION DE MULTI MATIERES NON METALLIQUES FONDUES POUR FABRICATION ADDITIVE. La présente invention concerne une buse d'extrusion de 5 matières non métalliques en fusion comportant en combinaison un émetteur ultrasonique et une tuyère de projection de Gaz ionisé, sous forme plasma. Le procède de fabrication par dépôt de fil en fusion dénommé imprimante 3D, est connu depuis plusieurs décennies. 10 Parmi les applications, on connaît l'apport de matières plastiques fondues comme ABS, ou PLA, polyamide. Ce procédé présente l'inconvénient de par son principe de soudure de réduire entre les couches de matières les propriétés mécaniques, en particulier le module d'élasticité, 15 dans des proportions dépassant la moitié des performances obtenues par injection. Cet inconvénient limite l'application pour des pièces techniques, même avec des matériaux renforcés tels que les PBT fibre de verre, PLA fibre de carbone. 20 Les principales causes de cet effondrement des propriétés mécaniques sont pour les polymères semi cristallins la température de l'interface trop basse, donc une recristallisation partielle de chaque face avant diffusion moléculaire et d'autre part une insuffisance de pression sur 25 les parties en contact. Le renforcement avec des fibres, l'incompatibilité de polymères, la pollution superficielle des couches contribue à l'insuffisance de la tension de surface. La présente invention a pour but de remédier à ces 30 inconvénients en combinant des technologies connues de traitement de surface, par PLASMA ou effet CORONA et un de soudage par ultrason. Cette combinaison permet de préparer la matière fondue à l'instant de son dépôt sur la couche précédente. Le gaz ionisé active les couches moléculaires de 35 surface, et l'action mécanique du champ ultra sonore échauffe localement l'interface, le brevet W02015126431 décrit l'application d'une torche plasma juxtaposé à la buse 3043933 2 d'extrusion du polymère fondu, mais du fait de ce positionnement l'efficacité du traitement ne peut se faire que sur une direction. D'autre part la faible pénétration des espèces actives limite l'efficacité du traitement. La présente invention remédie à ces inconvénients en combinant l'action du plasma sur 360° et l'action de la buse d'extrusion résonnante soumise à un champ ultra sonore, la friction moléculaire produite par le champ ultrasonore échauffe l'interface des deux couches traitées, simultanément par le gaz ionisé et permet la fusion et la cristallisation simultanée. D'autre part la déformation de la surface du polymère produite par la vibration mécanique permet une meilleure pénétration des espèces actives du gaz ionisé dans le matériau. Contrairement à un simple traitement de surface comme cité dans le brevet W02015126431, la synergie de la combinaison objet de l'invention apporte une amélioration du traitement dans la masse des matières fondues sur plusieurs centaines de couches moléculaires. L'invention a donc pour objet une buse d'extrusion de 20 matières fondues non métalliques pour fabrication Additive comprenant, en combinaison, un ensemble ultrasonore et une chambre d'ionisation coopérant simultanément, ladite chambre d'ionisation étant coaxiale à l'axe de la buse, l'extrémité de la buse étant munie d'un disque de distribution terminé 25 par une filière, les matières fondues étant traitées à son embouchure par le champ ultrasonore et le gaz ionisé. Selon une particularité de l'invention, la buse est percée de deux canaux de part et d'autre de l'axe de la buse jusqu'au disque de distribution avant la filière de dépôt. 30 Selon une autre particularité de l'invention, l'ensemble ultra sonore est composé d'un convertisseur piézoélectrique ou magnétostrictif résonnant à une fréquence comprise entre 15 et 80 KHz, de préférence 25 KHz. Selon encore une autre particularité, la chambre 35 d'ionisation est alimentée tangentiellement en gaz de manière à obtenir un vortex. 3043933 3 Selon une autre particularité, la chambre d'ionisation comporte une électrode annulaire portée à un potentiel positif et entourant un tube diélectrique distante de la buse reliée à la masse et formant ainsi une décharge à barrière 5 diélectrique (DBD). Selon une autre particularité, les raccords des tuyaux flexibles sont situés sur le point nodale de résonance de la buse. Selon une autre particularité, un joint torique en 10 caoutchouc ou élastomère d'une dureté comprise entre 65 et 80 Shore A isole mécaniquement la buse de la chambre d'ionisation. Selon encore une autre particularité, la buse comporte une jupe coaxiale mise en dépression pour capter les gaz 15 corrodants comme l'ozone. Selon encore une autre particularité, la production de gaz ionisé est créée autour de la buse, formant ainsi une couronne sur le plan de dépôt de la matière d'apport et de la couche précédente. La figure 1 représente l'ensemble de la buse d'extrusion pour fabrication additive. La buse d'extrusion (1) comprend, deux arrivées de matières fondues (2A) et (2 B) alimentées par exemple par deux extrudeuses conventionnelles, (non représentées) par l'intermédiaire de deux tuyaux flexibles (3 25 A) et (3B). La buse d'extrusion (1) est percée de deux canaux (4A) et ((4B) de part et d'autre de l'axe de la buse, jusqu'au disque de distribution (18) avant la filière de dépôt (5). Les raccords des tuyaux flexibles sur (2A) et (2B) sont situés sur le point nodale de résonance de la buse. 30 La buse d'extrusion est excitée par un ensemble composé d'un convertisseur d'oscillations électriques en vibrations mécaniques (6), d'un amplificateur d'amplitude ou booster (7). L'ensemble oscille à une fréquence comprise entre 15 et 80 KHz, de préférence 25 KHz. Il est relié à un générateur 35 non représenté. La figure 2 représente le réacteur Plasma, la virole 8 en matériau isolant par exemple PTFE ou PEEK est alimentée en 3043933 4 gaz sous pression avec une admission tangentielle 9 sur la buse 1 donnant un effet vortex au flux de gaz 10 Une électrode annulaire 11 reliée à un générateur (non représenté) portée à un potentiel positif entoure le tube 5 diélectrique 12 par exemple en Quartz, Alumine, Nitrure de Bore, distante de la buse 1 reliée à la masse, formant une décharge à barrière diélectrique (DBD) en volume . Le champ électrique entre les deux électrodes disposées sur le trajet transverse oblique du flux de gaz 10, l'excite sous forme 10 annulaire 13 il est projeté sur 360° en partie sur la couche en formation 14 et sur la couche précédente 15. Une jupe 16 est mise en dépression pour évacuer les gaz corrodants comme l'ozone. Un joint torique 17 en caoutchouc ou élastomère d'une dureté comprise entre 65 et 80 Shore A, isole 15 mécaniquement la buse 1 de l'ensemble du réacteur plasma. La figure 3 représente la distribution des matières sur la pièce en construction 20. Entre la filière 5 et la buse 1 se trouve un disque à perforation décalée 18 permettant par rotation au moyen de l'actionneur 19 d'obturer soit le canal 20 4A et laisser ouvert le canal 4B et inversement, ou dans la position intermédiaire de fermer les deux canaux. REVENDICATIONS1. Buse (1) d'extrusion de matières fondues non métalliques pour fabrication Additive, caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison un ensemble ultrasonore (1,6, 5 7) et une chambre d'ionisation (13) coopérant simultanément, ladite chambre d'ionisation (13) étant coaxiale à l'axe de la buse (1), l'extrémité de la buse étant munie d'un disque de distribution (18) terminé par une filière (5), les matières fondues étant traitées à son embouchure par le champ 10 ultrasonore et le gaz ionisé. 2. Buse (1) d'extrusion selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est percée de deux canaux (4A, 4B) de part et d'autre de l'axe de la buse jusqu'au disque de distribution (18) avant la filière de dépôt (5). 15 3. Buse (1) d'extrusion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ensemble ultra sonore (1,6, 7) est composé d'un convertisseur piézoélectrique ou magnétostrictif résonnant à une fréquence comprise entre 15 et 80 KHz, de préférence 25 KHz. 20 4. Buse (1) d'extrusion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la chambre d'ionisation (13) est alimentée tangentiellement en gaz de manière à obtenir un vortex. 5. Buse (1) d'extrusion selon l'une des revendications 1 25 à 4, caractérisée en ce que la chambre d'ionisation (13) comporte une électrode annulaire (11) portée à un potentiel positif et recouvrant un tube diélectrique (12) et formant ainsi une décharge à barrière diélectrique (DBD). 6. Buse (1) d'extrusion suivant la revendication 3, 30 caractérisée en ce qu'elle comporte des raccords (2A, 2B) de tuyaux flexibles (3A, 3B), lesdits raccords étant situés sur le point nodale de résonance de la buse. 7. Buse (1) d'extrusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle 35 comporte un joint torique (17) en caoutchouc ou élastomère d'une dureté comprise entre 65 et 80 Shore A isolant mécaniquement la buse de la chambre d'ionisation (13). 3043933 6 8. Buse (1) d'extrusion suivant les revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une jupe coaxiale (16) mise en dépression pour capter les gaz corrodants comme l'ozone. 9. Buse (1) d'extrusion suivant les revendications précédentes, caractérisée en ce que la production de gaz ionisé est créée autour de la buse, formant ainsi une couronne sur le plan de dépôt de la matière d'apport et de la couche précédente.