Brevet FR3066717A1 — publié le 20181130

SYSTEME COMPORTANT UNE IMPRIMANTE 3D ET UN SOUS-SYSTEME ROBOTISE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de l'impression 3D, également connue sous le nom de prototypage rapide ou fabrication additive. La présente invention concerne plus particulièrement une imprimante 3D et son utilisation pour la fabrication industrielle d'objets. Elle s'applique tout particulièrement à l'impression 3D d'objets en céramiques par FDM (« Fused Deposition Modelling »). Par imprimante 3D, on entend un dispositif qui permet de fabriquer un objet tridimensionnel par un apport de matière et à partir d'un fichier numérique sans qu'il y ait besoin d'avoir recours à un moule ou un autre outillage. L'impression 3D consiste généralement à réaliser l'objet par une construction couche par couche pilotée par ordinateur. Etat de la technique Parmi les sept classes de procédés connus de fabrication additive, le procédé d'impression 3D par extrusion de matériau usuellement appelé FDM (« Fused Deposition Modelling » en terminologie anglo-saxonne) et inventé par S Scott Crump en 1992 (on se référera au brevet américain N° US 5 121 329) utilise le pilotage d'une buse qui dépose un filament continu de matière. L'imprimante est généralement constituée d'un système d'extrusion (vis ou piston ou moteur d'entraînement d'un fil) montée sur un système de déplacement dans les trois directions de l'espace lui-même piloté par FAO. Cette technologie a été largement diffusée et exploitée sous des appellations différentes au cours des vingt-cinq dernières années : Fused deposition modeling, FDM, Filament free forming, FFF, et dans le cas spécifique des céramiques sous les appelations Fused Deposition Ceramic (FDC), 3066 717 2 Robocasting, Ceramic free forming, micropen, FEF. Le lecteur pourra se référer à un état de l'art récent sur les technologies de fabrication additive des céramiques, présenté dans le document suivant : Additive Manufacturing of Ceramics : a review, J. Deckers et al., J. Ceram. Sci. Tech., 05 [04] 245-260 5 (2014). A défaut de terme générique pour décrire ce procédé d'impression, le terme FDM sera utilisé dans la suite du texte. L'avantage du procédé FDM par rapport aux autres procédés d'impression 3D est la simplicité du procédé et l'étendue des matériaux qui 10 peuvent être imprimés. Son inconvénient est la faible vitesse de construction. Dans le cas de l'utilisation du procédé FDM pour les céramiques décrite dans l'état de l'art antérieur et notamment divulguée dans le brevet américain N° US 6 027 326 [Cesarano - 28 oct. 1997] ainsi que dans les articles 15 suivants : « Recent developments in freeform fabrication of dense ceramics from slurry deposition », Cesareno et al. ; Conference: 8. solid freeform fabrication conference, Austin, TX (United States), 11-13 Aug 1997; Other Information: PBD: (1997)], « Direct extrusion freeforming of ceramic pastes », Jan 2006 - Rapid Prototyping Journal, Xiaopeng ChiXiaopeng et al., et 20 « Solvent-based paste extrusion solid freeforming », Xuesong Lu et al. ; Journal of the European Ceramic Society 30 (2010) 1-10, l'extrusion de matière céramique est avantageusement réalisée par l'emploi d'une pâte incorporant un solvant de façon à ce que la transition liquide-solide s'effectue par évaporation de ce solvant. Ce type de formulation a en effet l'avantage de ne pas utiliser de 25 polymères thermoplastiques coûteux. L'évaporation du solvant permet (1) en cours d'impression : que la couche inférieure ait une consistance suffisante pour soutenir la couche supérieure, (2) après impression : que la pièce se raffermisse suffisamment pour être manipulable. Ainsi, ce temps de séchage peut être plus ou moins long selon le volume de la pièce et la teneur en solvant. 30 De plus, dans le cas d'une production en série, il se rajoute au temps de fabrication, puisque cette étape immobilise l'imprimante 3D qui ne peut pas être utilisée pour la fabrication d'une nouvelle pièce. 3066717 3 L'avantage de l'imprimante 3D est de permettre un déplacement rapide et précis de la tête d'impression avec seulement trois petits moteurs ainsi qu'un coût très réduit. La pièce est cependant fabriquée sur le plateau de la machine et doit être manipulée pour l'extraire avant de procéder à l'impression suivante. 5 L'utilisation directe d'un bras robotisé à trois voire à six axes incorporant le procédé FDM pourrait être envisagée en lieu et place de l'imprimante 3D. Dans ce cas, il est également possible de générer une forme libre directement en ligne sur la chaîne de production sans qu'il soit forcément nécessaire de 10 manipuler la pièce pour libérer le robot pour la pièce suivante. Par contre, la précision et rapidité requise pour l'impression 3D est difficilement gérable par un robot d'entrée de gamme, et coûteuse pour les modèles haut de gamme comparativement à une solution d'impression 3D de type FDM. 15 Exposé de l'invention La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un système mettant en oeuvre un procédé de type FDM 20 pour des pâtes d'extrusion contenant un solvant de façon à pouvoir produire en série et rapidement des pièces céramiques Ceci est réalisé en proposant une solution à la fabrication industrielle de pièces céramiques en couplant selon un mode particulier les technologies imprimante 3D de type FDM et robotique afin de tirer parti des avantages de chacune. 25 A cet effet, la présente invention concerne, dans son acception la plus générale, un système mettant en oeuvre un procédé de fabrication additive, comportant : - Une imprimante 3D de type FDM (ou « Fused Deposition 3 0 Modelling ») incorporant un sous-système d'extrusion de pâte céramique, et ne comportant pas de fond de façon à ce que l'impression puisse être réalisée sur un support d'impression tiers ; et 3066717 4 Un sous-système robotisé ayant pour fonction de déplacer ladite imprimante 3D ou de déplacer ledit support d'impression de façon à ce qu'une pièce imprimée au moyen de ladite imprimante 3D reste solidaire dudit support d'impression tout en libérant ladite 5 imprimante 3D pour une nouvelle fabrication. Le système selon la présente invention apporte ainsi une solution industrielle au procédé d'impression FDM utilisant une pâte incorporant un solvant, et en particulier dans le but de produire des pièces céramiques. La solution selon la présente invention est moins coûteuse (ou bien à coût 10 identique est plus productive) que les solutions proposant simplement l'emploi d'un bras robotisé. La solution selon la présente invention offre des gains de productivité et permet de libérer l'imprimante immédiatement après l'impression, sans avoir à ôter la pièce du support. 15 Selon un mode de réalisation, ledit sous-système robotisé est un robot permettant de positionner ladite imprimante 3D jusqu'au support d'impression et de le retirer une fois l'impression achevée. Selon un mode de réalisation, ledit sous-système robotisé est un bras 20 robotisé permettant de positionner ledit support d'impression jusqu'à ladite imprimante 3D et de le retirer une fois l'impression achevée. Avantageusement, ledit système comporte un capteur de positionnement, de façon à permettre de calibrer automatiquement le 25 positionnement de ladite imprimante 3D sur ledit support d'impression avant le démarrage de l'impression. Selon un mode de réalisation, ledit capteur de positionnement est de type inductif. 30 Selon un autre mode de réalisation, ledit capteur de positionnement est de type capacitif. 3066717 5 Selon un mode de réalisation, ladite imprimante 3D est une imprimante 3D de type Cartésienne et autorise le déplacement en x, y et z. Selon un mode de réalisation, ladite imprimante 3D est une imprimante 5 3D de type Delta et comporte trois axes parallèles. Avantageusement, ledit système comporte un sous-système d'électronique de commande configuré pour commander ladite imprimante 3D et ledit sous-système motorisé. 10 Brève description des dessins On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après 15 à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux Figures dans lesquelles : - La Figure 1 est un schéma de principe de l'imprimante 3D utilisée dans la présente invention ; - La Figure 2 illustre un mode de mise en oeuvre particulier du 20 système selon la présente invention ; et - La Figure 3 représente un autre mode de mise en oeuvre particulier du système selon la présente invention. Description détaillée des modes de réalisation de l'invention 25 La présente invention se rapporte à un système 10 mettant en oeuvre un procédé de fabrication additive, caractérisé en ce qu'il comporte : - Une imprimante 3D 20 de type FDM (ou « Fused Deposition Modelling ») incorporant un sous-système d'extrusion de pâte 3 0 céramique, et ne comportant pas de fond de façon à ce que l'impression puisse être réalisée sur un support 21 d'impression tiers ; et 3066717 6 Un sous-système 30 robotisé ayant pour fonction de déplacer ladite imprimante 3D 20 ou de déplacer ledit support 21 d'impression de façon à ce qu'une pièce imprimée au moyen de ladite imprimante 3D 20 reste solidaire dudit support 21 d'impression tout en libérant ladite 5 imprimante 3D 20 pour une nouvelle fabrication. La Figure 1 est un schéma de principe de l'imprimante 3D utilisée dans la présente invention. Dans un mode de réalisation, ledit sous-système 30 robotisé est un robot 10 permettant de positionner ladite imprimante 3D 20 jusqu'au support 21 d'impression et de le retirer une fois l'impression achevée. Dans un autre mode de réalisation, ledit sous-système 30 robotisé est un bras robotisé permettant de positionner ledit support 21 d'impression jusqu'à ladite 15 imprimante 3D 20 et de le retirer une fois l'impression achevée. Dans un mode de réalisation, ledit système comporte un capteur 50 de positionnement, de façon à permettre de calibrer automatiquement le positionnement de ladite imprimante 3D 20 sur ledit support 21 d'impression avant le démarrage de 20 l'impression. Dans un mode de réalisation, ledit capteur de positionnement est de type inductif. Dans un autre mode de réalisation, ledit capteur de positionnement est de 25 type capacitif. Dans un mode de réalisation, ladite imprimante 3D 20 est une imprimante 3D de type Cartésienne et autorise le déplacement en x, y et z. 30 Dans un autre mode de réalisation, ladite imprimante 3D 20 est une imprimante 3D de type Delta et comporte trois axes parallèles. 3 0 6 6 7 1 7 7 Dans un mode de réalisation, le système selon la présente invention comporte un sous:système d'électronique de commande configuré pour commander ladite imprimante 3D et ledit sous-système motorisé. 5 Dans un exemple de réalisation - le robot 30 sur lequel est fixé l'imprimante 20 FDM est positionné sur un support 21 d'impression (plaque réfractaire, objet manufacturé ...), - éventuellement, l'imprimante 20 FDM réalise son auto-calbration sur le support 21 d'impression pour positionner la position verticale de la première couche 10 avec une bonne précision, - l'impression se déroule par une mise en mouvement du système d'extrusion au sein de l'imprimante 20 FDM, - le robot 30 soulève l'imprimante 20 FDM et libère la pièce imprimée sur son support 21 pour passer au support suivant, 15 - le support 21 et la pièce imprimée sont accessibles pour les opérations suivantes très peu de temps après l'étape d'impression, - le cycle précédent peut recommencer. Ce mode de réalisation est illustré Figure 2. 20 Dans un autre exemple de réalisation - le robot 30 est désolidarisé de l'imprimante 20 FDM. Il est cependant configuré pour arrimer l'imprimante 20 FDM, - le robot 30 arrime l'imprimante 20 FDM et la positionne sur un support 21 25 d'impression (plaque réfractaire, objet manufacturé ...), - le robot 30 largue ['imprimante 20 FDM et peut éventuellement procéder à une autre tâche. Cette autre tâche est éventuellement de procéder de même avec un ou plusieurs autres imprimantes FDM, - éventuellement, l'imprimante 20 FDM réalise son auto-nivellement sur le 30 support 21 d'impression pour positionner la position verticale de la première couche avec une bonne précision, - l'impression se déroule par une mise en mouvement du système d'extrusion au sein de l'imprimante 20 FDM, 3066717 8 - le robot 30 s'arrime de nouveau et soulève l'imprimante 20 FDM et libère ainsi la pièce imprimée sur son support 21, - le support 21 et la pièce imprimée sont accessibles pour les opérations suivantes très peu de temps après l'étape d'impression, 5 - le cycle précédent peut recommencer. Ce mode de réalisation est illustré Figure 2. Dans un autre exemple de réalisation : 10 - le robot 30 apporte le support 21 d'impression (plaque réfractaire, objet manufacturé ...) sous l'imprimante 20 FDM, - le robot 30 largue le support 21 d'impression et peut éventuellement procéder à une autre tâche. Cette autre tâche est éventuellement de procéder de même avec un ou plusieurs autres imprimantes FDM, 15 - éventuellement, l'imprimante 20 FDM réalise son auto-nivellement sur le support 21 d'impression pour positionner la position verticale de la première couche avec une bonne précision, - l'impression se déroule par une mise en mouvement du système d'extrusion au sein de l'imprimante 20 FDM, 20 - le robot 30 s'arrime de nouveau et reprend le support ainsi la pièce imprimée, - le support 21 et la pièce imprimée sont accessibles pour les opérations suivantes très peu de temps après l'étape d'impression, - le cycle précédent peut recommencer. 25 Ce mode de réalisation est illustré Figure 3. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de 3 0 l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. REVENDICATIONS1. Système (10) mettant en oeuvre un procédé de fabrication additive, caractérisé en ce qu'il comporte : Une imprimante 3D (20) de type FDM (ou «Fused Deposition Modelling ») incorporant un sous-système d'extrusion de pâte cramique, et ne comportant pas de fond de façon à ce que l'impression puisse être réalisée sur un support (21) d'impression tiers ; et io Un sous-système (30) robotisé ayant pour fonction de déplacer ladite imprimante 3D (20) ou de déplacer ledit support (21) d'impression de façon à ce qu'une pièce imprimée au moyen de ladite imprimante 3D (20) reste solidaire dudit support (21) d'impression tout en libérant ladite imprimante 3D (20) pour une nouvelle fabrication. 15 2. Système (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sous- système (30) robotisé est un robot permettant de positionner ladite imprimante 3D (20) jusqu'au support (21) d'impression et de le retirer une fois l'impression achevée. 3. Système (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sous- 20 système (30) robotisé est un bras robotisé permettant de positionner ledit support (21) d'impression jusqu'à ladite imprimante 3D (20) et de le retirer une fois l'impression achevée. 4. Système (10) selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de positionnement, de façon à permettre de calibrer 25 automatiquement le positionnement de ladite imprimante 3D (20) sur ledit support (21) d'impression avant le démarrage de l'impression. 5. Système (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit capteur de positionnement est de type inductif. 6. Système (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit capteur 30 de positionnement est de type capacitif. 3066717 7. Système (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ' ce que ladite imprimante 3D (20) est une imprimante 3D de type Cartésienne et autorise le déplacement en x, y et z. 8. Système (10) selon l'une des revendications 1 â 6, caractérisé en ce que 5 ladite imprimante 3D (20) est une imprimante 3D de type Delta et comporte trois axes parallèles. 9. Système (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un sous-système d'électronique de commande configuré pour commander ladite imprimante 3D et ledit sous-système 10 motorisé.