Brevet FR3056437A1 — publié le 20180330

FR Page - 1 - Révision A DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'impression en trois dimensions avec chambre d'impression chauffée et système de déplacement du plateau d'impression par trois points. L'impression tridimensionnelle ou impression 3D est une technique de fabrication additive développée pour le prototypage rapide. L'impression tridimensionnelle permet de produire un objet réel. Le fichier numérique de la pièce à réaliser en trois dimensions est tranché couche par couche puis envoyé vers un dispositif spécifique communément appelé Imprimante 3D qui dépose la matière couche après couche pour obtenir l'objet final. C'est l'empilement de ces couches qui crée un volume. Dans le domaine technique de l'invention, une bobine de fil thermoplastique est fondu puis extrudé par une ou plusieurs têtes d'extrusions. Cette technique est appelée : Fusion de Filament. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'impression tridimensionnelle de matières thermoplastiques techniques par fusion de filament est améliorée par l'emploi d'une chambre d'impression chauffée. Cette configuration permet de limiter les tensions dans les pièces imprimées, d'éviter des déformations des pièces lors de l'impression et d'améliorer l'adhésion des couches de matière déposée. L'impression en trois dimensions par la technologie de fusion de filament de pièces plastiques techniques de taille importante est difficile car des déformations se produisent dans les pièces imprimées. C'est un phénomène physique de retrait matière inhérent à toutes les matières thermoplastiques techniques. Le fait de chauffer la chambre d'impression réduit ces déformations, réduit les contraintes dans la pièce et améliore la précision de l'impression. La réalisation d'une chambre d'impression chauffée a l'inconvénient de nécessiter des composants, par exemple les moteurs, qui supportent les hautes températures de la chambre d'impression. Des dispositifs remédiant à cet inconvénient existent et ont été décrits dans 30 les brevets tels que US 2004/6722872 B1, US7297304 B2, mais ils présentent plusieurs désavantages: - Le premier inconvénient est de comporter un nombre d'éléments important et d'avoir un prix de revient élevé. - Le second inconvénient est d'avoir une tête d'impression mobile, ce qui limite la 3056437 FR Page - 2 - Révision A taille et la technologie embarquée dans la tête. La masse embarquée réduit les vitesses d'impression et nécessite des composants de guidages linéaires plus rigides. 5 L'impression tridimensionnelle de matières thermoplastiques par fusion de filament nécessite des déplacements d'éléments dans le dispositif selon les trois axes communément appelés X, Y et Z et le maintien de ces dit éléments dans un plan qui peut être le plan horizontal communément appelé plan XY. Ces déplacements d'éléments peuvent être réalisés et ces éléments peuvent être 10 maintenus en permanence dans le plan horizontal par un système dérivé du principe communément appelé « Delta » (décrit dans le brevet US 4,976,582). Le principe « Delta » est utilisé dans les dispositifs d'impression en trois dimensions car il permet des vitesses élevés si les masses à déplacer sont faibles. Ce principe a deux inconvénients : 15 -Les principes utilisés dans la technologie « Delta » nécessitent des liaisons rotatives sans jeu aux extrémités des bras, liaisons coûteuses à réaliser avec les méthodes traditionnelles. -Les six bras se connectant à six points sur la partie mobile, il en résulte un phénomène de parallélogrammes déformables dû aux flexions des éléments 20 mobiles, aux flexions des bras et aux jeux inhérents à tout élément en rotation. A cause de ces trois parallélogrammes déformables et à ces dites flexions, le principe « Delta » ne supporte pas le déplacement de masses, ni de forces importantes. 25 PRESENTATION DE L'INVENTION Le dispositif de cette invention permet de remédier à ces inconvénients d'une manière économique. L'invention présente une amélioration significative du principe « Delta » et des technologies « Delta » couramment utilisées. Il comporte en effet selon une première caractéristique, un sous-ensemble composé d'un plateau d'impression mobile chauffant. Ce plateau est mobile dans les trois axes X, Y et Z et est maintenu en permanence dans le plan horizontal par un système dérivé du dit principe « Delta » décrit dans le brevet US 4,976,582. Ce dit plateau d'impression est connecté à des bras mobiles qui sont eux aussi connectés à des chariots se déplaçant sur des guidages linéaires 3056437 FR Page - 3 - Révision A standards orientés selon le même axe vertical Z, ces guidages étant au nombre de trois disposés avec un angle de 120° entre eux. Ces chariots sont déplacés par des moteurs contrôlés par un micro-contrôleur au moyen de courroies ou de vis sans fin ou tout autre moyen de déplacement linéaire standard ou non. Le 5 micro-contrôleur effectuant les calculs de transformation des coordonnées X,Y et Z du plateau d'impression en coordonnées 1, 2, 3 correspondant aux trois axes des chariots du principe « Delta ». Le plateau d'impression comporte en partie inférieure trois sphères métalliques réalisées dans un métal magnétique avec un état de surface de type 10 poli (Ra inférieur à 1.6). Chaque chariot est équipé de deux sphères métalliques identiques, de préférence mais non obligatoire, à celles du plateau d'impression. Les six bras mobiles sont équipés à leur deux extrémités d'embouts réalisés avec une matière anti-friction de type Polytétrafluoroéthylène, 15 Polyoxyméthylène ou tout autre matière anti-friction ou toute autre matière revêtue de matière anti-friction. Chacun des ces dits embouts est équipé d'aimant de forme cylindrique ou autre inséré et fixé dans les dits embouts. Ces embouts équipés d'aimants forment une rotule magnétique lorsqu'ils sont connectés à une sphère par l'attraction 20 magnétique des aimants sur la sphère. Ces embouts sont de taille et de forme autorisant les mouvements simultanés autour des sphères sans entrer en collision entre eux. Chacune des extrémités de ces six bras mobiles est connectée au plateau d'impression par une des trois sphères métalliques du plateau d'impression, les 25 embouts équipé d'aimants réalisant une connexion sans jeu et avec des frictions réduites tout en laissant libre la rotation du bras autour de la sphère. Chacune des trois sphères du plateau d'impression se connecte à deux bras, chacun de ces bras étant connectés aux deux chariots les plus proches de chaque sphère du plateau d'impression. 30 Grâce aux dites rotules magnétiques, la connexion des six bras aux trois sphères du plateau d'impression et aux trois chariots, réalise un assemblage mobile sans jeu dans les trois axes X, Y et Z du plateau en fonction du mouvement des chariots. Habituellement la configuration forme trois parallélogrammes déformables, remplacés dans ce dispositif par trois triangles 35 isocèles. Cette configuration simplifie la réalisation et rends la fabrication plus 3056437 FR Page - 4 - Révision A économique. Le principe « Delta » est fréquemment utilisé pour supporter la tête d'extrusion, à la différence du principe « Delta » fréquemment utilisé, l'ensemble du système est ici inversé. La gravité naturelle et le placement des bras en partie inférieure 5 du plateau d'impression, inversé par rapport au principe « Delta » habituel améliore la tenue des aimants au fur et à mesure que la pièce se construit, que la matière se dépose et que la masse de la pièce augmente. Il comporte selon une deuxième caractéristique, une chambre chauffée 10 isolée contenant uniquement les éléments mobiles indispensables à l'impression en trois dimensions : le plateau d'impression, les six bras, les trois chariots et leur guidages ainsi que les orifices d'extrusion du filament, les orifices de chauffage et de ventilation de la pièce en cours d'impression. Seuls ces dits éléments mobiles doivent résister aux hautes températures de la chambre 15 d'impression chauffée. Les têtes d'impressions, moteurs, électronique et tous les autres composants étant positionnés en dehors de cette dite chambre chauffée. Cette disposition est plus simple à réaliser que celles des techniques antérieures et plus économique à réaliser car ce sont des éléments identiques pour chacun des trois axes : chariots, guidages et bras. 20 Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente un exemple de cinématique de plateau chauffant qui serait réalisé selon les principes « Delta » originels avec un système de plateau à six 25 sphères et triple parallélogramme déformable. La figure 2 représente le dispositif de l'invention du plateau chauffant réalisé avec le plateau à trois sphères et triangles isocèles, objet de l'invention. 30 La figure 3 représente l'ensemble du dispositif d'impression en trois dimensions en vue de face sans capotage La figure 4 représente l'ensemble du dispositif d'impression en trois dimensions en vue perspective sans capotage 3056437 FR Page - 5 - Révision A La figure 5 représente l'ensemble du dispositif d'impression en trois dimensions en vue perspective avec capotage isolant thermiquement La figure 6 représente un schéma en coupe de deux rotules magnétiques 5 connectées à une bille du plateau. En référence à ces dessins. Comme illustré dans la figure 1, le principe « Delta » originel montre un 10 maintien du plateau d'impression(la) par six bras(2a) formant trois parallélogrammes (27) passant par les centres de billes (23) (24) (25) (26), et six billes(3a). La pratique a démontré une précision de déplacement du plateau d'impression, tel que représenté, relativement faible lorsqu'il est soumis à une charge donnée, alors qu'avec le principe du dispositif décrit dans l'invention la 15 précision de déplacement du plateau d'impression est améliorée de manière significative sous une charge identique avec des bras identiques. Comme illustré dans la figure 2, le principe « Delta » objet de l'invention montre un maintien du plateau d'impression(1) par six bras(2) formant trois 20 triangles isocèles(4) passant par les centres des sphères du plateau d'impression (3) et des sphères des chariots (28) et (29) et seulement trois sphères (3) ce qui limite les flexions et rotations au niveau des rotules(5). Le plateau d'impression étant toujours maintenu par six rotules magnétiques mais sur uniquement trois sphères, ce qui représente un isostatisme parfait. Les trois chariots (6) 25 coulissants sur des glissières verticales (7) de manière coordonnée et synchronisée par le micro-contrôleur, réalisent le déplacement du plateau d'impression dans les trois Axes X, Y, et Z. Comme illustré dans la figure 3, seuls les éléments indispensables à 30 l'impression en trois dimensions des pièces sont dans la chambre chauffée (8), les composants principaux sont tous positionnés dans la zone haute (9) ou la zone basse (10) du dispositif. Les moteurs (11), électronique (12), têtes d'extrusions (13), les éléments composant la ventilation (14) et les chauffages (15) sont isolés de la chambre d'impression chauffée. 35 Les zones hautes et basses sont séparée par des éléments en tôle isolées 3056437 FR Page - 6 - Révision A thermiquement (17) et (18) faisant partie de la structure de la machine. Seule l'extrémité de la buse d'extrusion de filament (16) débouche dans la chambre chauffée. Cette buse peut être protégée par un capotage métallique ou composé d'une matière résistante à de hautes températures, 5 Comme illustré dans les figures 4 et 5, la zone haute (9) et la zone basse (10) sont à température ambiante, seuls les éléments indispensables à l'impression des pièces sont disposés dans la chambre chauffée (8). 10 Comme illustré dans la figure 6, les rotules magnétiques sont composées d'embouts (19) positionnés sur des bras tubulaires (20) équipés d'un aimant (21) qui plaque l'embout sur la sphère (22) fixée sur le chariot ou sur le plateau d'impression. Ceci autorise une rotation avec trois degrés de liberté, tout en ayant aucun jeu car l'aimant exerce une force constante sur la dite sphère et 15 compense les jeux. Le dispositif est particulièrement destiné à l'impression tridimensionnelle d'objets par extrusion de fil fondu mais peut s'adapter à d'autre type d'impression tridimensionnelle ou de manipulateurs, robots.