Brevet FR3076484A1 — publié le 20190712

FR Page - 1 - Révision A DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'impression tridimensionnelle avec chambre d'impression chauffée à haute température. L'impression tridimensionnelle ou impression 3D est une technique de 5 fabrication additive développée pour le prototypage rapide. L'impression 3D permet de produire un objet réel à partir d'un fichier numérique. 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 afin d'obtenir l'objet 10 final. C'est l'empilement de ces couches qui crée un volume. Dans le domaine technique de l'invention, un 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 15 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 entre les couches de matière déposée. L'impression en trois dimensions par la technologie de fusion de filament de pièces plastiques 20 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 25 d'impression chauffée a l'inconvénient de nécessiter des composants, par exemple les moteurs, qui supportent les hautes températures de la chambre d'impression. L'impression 3D est bien adaptée à l'utilisation de thermoplastiques standards, du type ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène), PLA (PolyLactite Acide) ainsi que 30 toutes les matières thermoplastiques amorphe et ayant une transition vitreuse relativement basse (inférieure à 110°C). Les évolutions de la chimie ont permis de développer de nouveaux matériaux hautes performances, avec des transitions vitreuses beaucoup plus hautes que FR Page - 2 - Révision A les thermoplastiques dit standards. Ces nouveaux thermoplastiques du type PolyEtherImide (PEI), PolyEtherEtherKetone (PEEK), PolyEtherKetoneKetone (PEKK), PolyEtherEtherKetoneKetone (PEEKK) etc..., on des températures de transition vitreuses variant entre 160°C et 220°C. L'impression 3D de pièces dans ces matériaux est rendue très difficile par la température de transition vitreuse très élevée, qui crée des déformations et des délanninations dues aux phénomènes de retraits matière lors du refroidissement dans la chambre. L'idéal étant d'imprimer les pièces dans une chambre chauffée à une température proche de la température de transition vitreuse de la matière imprimée. Les hautes températures de transition vitreuse de ces matières rendent difficiles la conception d'une imprimante 3D, principalement dû au fait que les composants supportant ces hautes températures sont onéreux. Des dispositifs remédiant à cet inconvénient existent et ont été décrits dans les brevets tels que US 2004/6722872 Bi, US7297304 B2, mais ils présentent 15 plusieurs désavantages: - Le premier inconvénient est de comporter un nombre d'éléments importants et d'avoir un prix de revient élevé. - Le deuxième inconvénient est d'avoir une tête d'impression mobile, ce qui limite la taille et la technologie embarquée dans la tête. La masse embarquée 20 réduit les vitesses d'impression et nécessite des composants de guidages linéaires plus rigides. - Le troisième inconvénient est d'être obligé d'utiliser des composants mécaniques coûteux devant résister à des températures de 200°C, ces dits composants sont onéreux. 25 L'impression tridimensionnelle de matières thermoplastiques par fusion de filament nécessite des déplacements d'éléments mécaniques dans le dispositif selon les trois axes communément appelés X, Y et Z et le maintient de ces dit éléments dans un plan qui peut être le plan horizontal communément appelé plan XY. Ce principe a un inconvénient : 30 -Les hautes températures nécessaire à l'impression de pièce en thermoplastique du type PEI, PEEK, PEKK, PEEKK... supérieures ou proche de 200°C, nécessitent d'utiliser des composants haut de gamme, onéreux ou inexistants dans les composant standards. FR Page - 3 - Révision A 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 des systèmes d'impression tridimensionnelle. 5 Il comporte un plateau mobile dans les trois axes X, Y et Z dans une chambre primaire chauffée ou non à une température permettant d'utiliser des composants standard, par exemple, mais non limité à, inférieure à 80°C. Ce plateau est maintenu en permanence dans le plan horizontal par un système de chariots du type cartésiens XYZ ou par tout autre système de déplacement 10 selon les axes XYZ, ou par un système dérivé du dit principe « Delta » décrit dans les brevet US 4,976,582, ou FR1601409 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 ou du type moteurs linéaires. Il comporte selon une deuxième caractéristique, une chambre primaire chauffée ou non et isolée thermiquement ou non contenant les éléments mobiles indispensables à l'impression en trois dimensions : Dans le cas d'un système de type « Delta», le plateau d'impression, les six bras, les trois chariots et leurs guidages. Seuls ces dits éléments mobiles doivent résister aux températures de la chambre primaire d'impression. Les têtes d'impressions, moteurs, électronique et tous les autres composants étant positionnés en dehors de cette dite chambre primaire. Dans le cas d'un système Cartésien, les éléments mobiles coulissants chacun selon les axes X et Y et l'ensemble de ces éléments coulissants selon un axe Z à l'intérieur de la chambre chauffée. Seuls ces dits éléments mobiles doivent résister aux températures de la chambre primaire d'impression chauffée ou non. Il comporte selon une troisième caractéristique, une chambre secondaire chauffée à une température proche de la transition vitreuse de la matière imprimée, facilitant l'impression de matières telles que le PEI, PEEK, PEKK, PEEKK, etc... Cette dite chambre secondaire est positionnée à l'intérieur de la chambre primaire. L'intérieur de cette chambre secondaire est chauffé à haute température, ce 35 peut-être, par exemple, par un système d'air chaud pulsé ou un rayonnement FR Page - 4 - Révision A infrarouge ou tout autre système de chauffe permettant d'atteindre les températures nécessaires. Cette chambre secondaire peut être réalisée dans une matière souple et résistante aux hautes températures, par exemple une matière à base de Silicone, cette chambre souple pouvant avoir une forme de soufflet permettant un allongement selon l'axe Z et réalisant l'étanchéité au niveau du lit d'impression. Cette dite chambre secondaire peut aussi être un assemblage d'éléments rigides coulissants les uns sur les autres, ou tout autre éléments permettant d'obtenir ce 10 type de chambre à hauteur variable. La partie inférieure de cette chambre secondaire repose sur le lit d'impression et est verrouillée dans les axes YX par un ou plusieurs guidages linéaires, autorisant un déplacement de cette dite partie inférieure uniquement dans l'axe Z (vertical). Afin d'abaisser rapidement la température de la pièce en cours d'impression à 15 une température inférieure à la température de transition vitreuse de la matière, il peut être nécessaire de ventiler à l'intérieur de la chambre secondaire. La ventilation interne de la chambre secondaire, peut être réalisée par un système de turbine avec moteur déporté hors des chambres primaire et secondaire, permettant l'utilisation de moteurs de ventilation standards. 20 Il comporte selon une quatrième caractéristique, un tête d'impression fixe positionnée hors de la chambre secondaire et protégée des hautes températures par un capotage métallique ou autre matière résistante aux hautes températures ou/et isolante thermiquement. FR Page - 5 - Révision A Les dessins annexés illustrent l'invention : La Fig 1 représente l'ensemble du dispositif en coupe selon le plan YZ. La Fig 2 représente la partie supérieure du dispositif en coupe selon le plan YZ. La Fig 3 représente l'ensemble du dispositif en coupe selon le plan XZ. 5 La Fig 4 représente un agrandissement de la partie supérieure du dispositif en coupe selon le plan XZ. La Fig 5 représente un agrandissement la partie supérieure du dispositif en coupe selon le plan YZ. La Fig 6 représente une vue en perspective du dispositif afin d'aider à la 10 compréhension. En référence à ces dessins : Comme illustré dans la Fig 1, le dispositif se compose d'un plateau d'impression (1) mobile dans les 3 axes XYZ, d'une chambre primaire (7) et 15 d'une chambre secondaire (8) installés dans un bati (40). Une tête d'impression fixe (5) composée d'une zone ou la matière est en fusion (5b) et d'un système d'avance de filament (5a) qui pousse le filament de matière à extruder dans cette zone en fusion. Comme illustré dans la Fig 2 le plateau d'impression (1) est mobile dans les 20 3 Axes XYZ. La partie inférieure (2) de la chambre secondaire chauffée (8) glisse sur la partie supérieure du lit d'impression (3) lorsque celui se déplace dans les axes X et/ou Y par des guidages linéaires (30) et/ou (31). Les frottements inhérents à ces glissements sont réduits par l'utilisation de matières anti-friction du type Polytétrafluoroéthylène, ou tout autre matière anti-friction ou toute autre 25 matière revêtue de matière anti-friction résistant aux températures internes de la chambre secondaire (8) ou du lit d'impression (1) afin d'éviter d'endommager le lit d'impression. La partie inférieure de la chambre secondaire chauffée (2) est guidée par une ou plusieurs colonnes (4) et guidages linéaires (21) ou tout autre dispositif 30 de guidage, autorisant le déplacement de la dite partie inférieure de la chambre secondaire (2) selon l'axe Z (vertical) uniquement. La partie inférieure de la chambre secondaire chauffée (2) suit les mouvements selon l'axe Z du lit d'impression (3) et la hauteur (23) de cette chambre secondaire (8) varie et s'adapte à la hauteur de la pièce en cours 35 d'impression (20). FR Page - 6 - Révision A La tête d'impression (5) est statique et protégée par un capot de protection thermique (6) qui peut être réalisé en métal ou tout autre matière pouvant supporter les hautes températures internes de la chambre secondaire (8). Comme illustré dans les Fig 3, Fig 4 et Fig 5, la chauffe de cette chambre 5 secondaire peut être réalisée par exemple par un système d'air chaud pulsé (11) soufflant de l'air chauffé dans la chambre secondaire par une buse (11b). L'excédent de cet air chaud (11a) pouvant s'échapper entre la partie inférieure de la chambre secondaire (2) et le lit d'impression (3). Ce dit excédent d'air chaud servant aussi à alimenter le chauffage de la chambre primaire si 10 nécessaire. Le système d'air chaud pulsé (11) augmente la pression dans la chambre secondaire (8), ce qui créé une portance et facilite le glissement de la partie inférieure de la chambre secondaire (2) sur le lit d'impression (3), par effet de coussin d'air. 15 Seuls les éléments indispensables à l'impression en trois dimensions des pièces en matière thermoplastique haute température sont dans la chambre secondaire (8), les composants principaux sont tous positionnés dans la zone haute (9) ou la zone basse (10) du dispositif. Les moteurs (13), l'électronique (12) et les chauffages (11) sont isolés de la chambre d'impression secondaire. 20 Les zones hautes et basses sont séparées par des éléments isolées thermiquement (17) faisant partie de la structure de la machine et par des matériaux résistants aux hautes températures (18) ceux présent dans la chambre secondaire (8). Seule l'extrémité de la buse d'extrusion de filament (16) débouche dans la 25 chambre secondaire chauffée (8). Cette buse est protégée par un capotage métallique (6) ou composé d'une matière résistante à de hautes températures. Un ou plusieurs système de ventilation interne (26) peut être ajouté à la chambre secondaire (8), le moteur pilotant la turbine de ventilation (25) pouvant être déporté dans la zone à température ambiante (9) 30 Le dispositif est particulièrement destiné à l'impression tridimensionnelle d'objets par extrusion de fil fondu mais peut s'adapter à d'autre types d'impression REVENDICATIONS1. Dispositif pour réaliser des impressions en trois dimensions permettant l'impression de matières thermoplastiques à hautes températures, caractérisé en ce qu'il comporte deux chambres : une chambre primaire (7) chauffée ou non, et une chambre secondaire (8) chauffée à une température supérieure à 160°C, proche de la transition vitreuse de la matière imprimée telle que PEI, PEEK, PEKK ou PEEKK. 2. Dispositif selon la revendication 1 comportant un plateau d'impression (1) mobile suivant les 3 axes X, Y, Z situé dans la chambre primaire (7). 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel la partie inférieure de la chambre secondaire (8) chauffée repose sur la partie supérieure du plateau d'impression (1) et le glissement relatif de ces éléments lors des déplacements horizontaux du plateau d'impression est facilité par l'effet de coussin d'air. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la partie inférieure de la chambre secondaire est mobile suivant l'axe Z (vertical) et la hauteur de la chambre secondaire varie pour s'adapter à la hauteur de la pièce en cours d'impression. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant une tête d'impression (5) positionnée à l'extérieur de la chambre secondaire (8). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes permettant l'utilisation de composants standards, tels que moteurs, composants électroniques, tête d'impression, prévus pour fonctionner à température ambiante, hors de la chambre secondaire chauffée.