Brevet FR3098752A1 — publié le 20210122

Description Titre de l'invention : Dispositif d'imprimante 3D selon la technologie à dépôt de fil fondu, dite « FDM », destinée aux im- primantes 3D professionnelles grand format, en ce qu'elle remédie à un faible rendement lié à cette technologie. [0001] L'invention est relative à un dispositif d'imprimante 3D reposant sur une technologie de dépôt de fil fondu pour la réalisation de pièces de taille supérieure à 500 mm3, à l'objet d'assurer un rendement apte à fabriquer des pièces 3D de grand format selon des rythmes aux moins équivalents à celles des autres technologies. [0002] État des connaissances : Les Imprimantes 3D grands format reposent sur des tech- nologies de types frittages ou stéréo lithographie. [0003] Relatif à la première famille dite à frittage (produits des marques Stratasys, Prodway ...) le principe de cette technologie est que le matériau composant matière à une forme initiale de pulvérulent et est ensuite fritté par laser aux fins de prendre forme en état solide. Cette technologie est contrainte en ce que : [0004] - sa capacité est limitée à la production d'objets ne dépassant pas 500 mm3, [0005] - elle produit des émanations de poudres importantes qui oblige à un environnement de mise en sécurité des personnes important et couteux :salles blanches, tenue vestimentaire adaptée pour ne pas subir les émanations, [0006] - les couts de fonctionnement de ces machines reste important du fait : [0007] .du cout matière, [0008] . du cout maintenance par l'obligation de purges des systèmes pneumatiques de transport du pulvérulent, [0009] . de la nécessité à lancer des campagnes de fabrication à volumes importants, alors que les besoins (le production ne sont rarement de telle amplitude, [0010] . et enfin en raison de la nécessité d'installer ces machines dans des salles blanches. [0011] Concernant la technologie par stéréo lithographie qui est la première technologie his- toriquement connue dans l'impression 3D, le principe de celle-ci réside par la polymérisation d'une résine liquide par laser. Généralement la résine est contenue dans un bac placé dans l'enceinte où se forme l'objet (plateau d'imprimante, dite aussi tank), l'action du laser solidifie la résine à l'endroit de l'objet. Cette technologie est réputée pour obtenir une grande résolution de finition des pièces obtenues, elle permet également de ne pas être limitée dans le format des pièces à fabriquer. En revanche, en n'utilisant que des composants de résine, la gamme de matériaux employé va être limitée (matériau souple, matériau rigide, matériau transparent), si bien que de nombreux inconvénients apparaissent dès lors que la pièce doit offrir des résistances 2 mécaniques ciblées, où des résistances thermiques, où encore à la pression, où aux UV. Les marques officiant selon cette technologie sont : « Formlahs » «Xfah » « Erpro ». Les industriels qui développent cette technologie tentent de remédier à ces inconvénients par des travaux qui tentent d'augmenter les caractéristiques mécaniques de la résine. Dans cc dernier cas, s'il s'agit de satisfaire à la réalisation de pièces comportant des exigences mécaniques spécifiques, la taille des pièces obtenues par cette technologie ne satisfait pas à l'obtention de pièces de grande taille. Par ailleurs le cout des matériaux en résine est très important et handicape le champ d'action des pièces fabriquées [0012] Une troisième technologie connue pour les imprimantes 3D de grand format, dé- veloppée par la marque « Massivit » selon plusieurs brevets publiés sous les numéros : « US2019047309 », « US20180311898 », «US20180043611 », «US2018016464 », est basé sur le principe de l'emploi d'un gel durcissant extrudé, et vise à: [0013] . Pouvoir répondre à des exigences de couleurs variées, [0014] Une réalisation rapide du fait de la faible résolution obtenue par cette technologie (les couches épaisses amenées constituent rapidement la pièce). [0015] Mais des inconvénients sont présents en ce que : [0016] . Cette technologie est principalement employée pour la réalisation d'objets à vocation de décoration et d'exposition, qui ne présentent pas d'exigences de résistance mécanique importante du fait de leur destination, [0017] . Par ailleurs cette technologie ne permet pas de répondre à des exigences de précision importante du fait de la résolution des couches successives déposées [0018] . Un cout de post- traitement de la pièce (pas présent sur les autres technologies décrites) est important, en ce que les couches à forte épaisseur génèrent un aspect stratifié marqué qu'il convient d'éradiquer par des opérations de ponçage, apprêtage et de peinture. [0019] Si bien que l'ensemble des technologies 3D connues pour la réalisation de pièces de grand format (supérieur à 400 mm3, c'est-à-dire imprimantes ne correspondant plus à la taille d'imprimantes de bureau) reste très onéreuse, ce qui limite leur usage. [0020] Dans le domaine de l'imprimante 3D de bureau la technologie la plus démocratisée est celle de l'imprimante à dépôt de fil fondu, dite « FDM ». Le principe consiste à extruder un filament en polymère par une action de chauffage du filament, tandis qu'il est déposé couche à couche pour former l'objet. La technologie permettant cette action est régie par un équipement constitué d'un bloc d'extrusion (a) placé sur un axe mobile évoluant en X/Y/Z (X, Y, Z), et d'un plateau d'impression (b). Le principe de fonctionnement est que [0021] - le fil est chargé dans le bloc d'extrusion selon le principe d'alimentation en continue par bobinage, 3 - le bloc d'extrusion chauffe le filament plastique en vue de son extrusion et le dépose couche par couche sur le plateau d'impression afin de constituer l'objet final, [0022] - ce même bloc d'extrusion est piloté par un asservissement (c)qui reçoit les in- formations de l'objet 3D à fabriquer par un système d'information, tandis que cet asservissement analyse le fichier numérique pour trancher l'objet et ainsi constituer des ordres de fabrication couche par couche (d'où le terme employé pour cette technologie de fabrication dite « additive »), [0023] - le plateau se caractérise en ce qu'il n'est jamais parfaitement plan en raison de la nature des matériaux employés à la destination du plateau, ce qui indique que le bloc d'extrusion opère un repérage du niveau du plateau en amont de chaque impression. [0024] Les avantages de cette technologie résident dans la facilité d'emploi, un tout de matériau abordable et une variété de polymère très importante permettant de satisfaire à de nombreuses conditions mécaniques et physiques d'emploi (résistances mécaniques, tenue à la chaleur ou aux UV, nombreux aspects). De plus, à la demande de l'utilisateur, il est très facile d'obtenir une nature de filament répondant à des contingences mécaniques plus particulières, la technologie polymère offrant un spectre chimique très important, par ailleurs en perpétuel développement. Enfin et pour cc qui concerne les avantages de cette technologie, l'imprimante 3D ne nécessite pas l'usage de technologies couteuscs, ce qui explique sa diffusion importante dans le secteur de l'imprimante de bureau. [0025] En revanche, cette technologie à dépôt de fil fondu «FDM » présente également des résolutions limitées, et présente un inconvénient de nécessiter un temps d'impression conséquent au regard des autres technologies décrites, ce qui explique que celle-ci n'est jusqu'à présent pas employée dans la conception d'imprimantes 3D grand format. [0026] Le présent a pour objet de remédier à ces inconvénients. [0027] Présentation de l'invention : L'invention est relative à un dispositif d'imprimante 3D selon la technologie à dépôt de fil fondu, dite «FDM », à l'objet d'assurer un rendement apte à fabriquer des pièces 3D de grand format selon des rythmes au moins équivalents à celles des autres technologies, dispositif caractérisé par : [0028] - Un conception de blocs d'extrusion (a) spécifiques dotés chacun d'un moteur (d) supplémentaire qui déplace le bloc suivant l'axe Z (z), en complément des équipements contenus habituellement dans les blocs d'extrusion « FDM », [0029] - La présence d'au moins deux blocs d'extrusion (a, a') placés chacun sur un axe mobile (e, e') indépendant en X et Y et évoluant solidairement suivant l'axe Z, [0030] - Un asservissement particulier (c) qui pilote au moins les deux axes de manière co- ordonnée, de telle sorte que chaque bloc exécute une partie de la pièce sans risque de collision. [0031] Le procédé de coordination des blocs d'extrusion (a, a') est régi par un principe d'asservissement (c) où les blocs vont exécuter leur tâche chacun dans une zone de travail définie (f, f'), sans possibilité à chevaucher une autre zone. [0032] L'ensemble des blocs d'extrusion (a, a' ) se meuvent dans la même direction Y (y), avec un point de départ imposé en X et Y, de telle façon qu'à l'endroit de la rencontre des deux zones impressions (g), le bloc (a) qui fait la liaison de la pièce à fabriquer s'appuie sur le début de la pièce réalisée par l'autre bloc (a'). [0033] Dans le cas où le dispositif est doté d'autres blocs d'extrusion (3, 4 voir plus), chacun placé sur un axe mobile, le même principe de fonctionnement sera reproduit d'un départ imposé avec un sens d'impression en Y. [0034] Le plateau (b) n'étant jamais parfaitement plan, les blocs d'extrusion (a, a') opèrent un repérage du niveau du plateau chacun dans sa zone de travail (f, f'), de telle façon à compenser (h) le niveau du Z indépendamment l'un de l'autre, par l'intermédiaire du moteur spécifique (d) contenu dans chaque bloc (a). Fig. 1 vue générale du dispositif [0035] Fig. 2 vue détaillée du bloc d'extrusion spécifique Glossaire [0036] a) et (a') blocs d'extrusion [0037] h) plateau d'impression [0038] c) asservissement [0039] d) moteur de déplacement dans c bloc d'extrusion [0040] c) et (c') axes mobiles [0041] t) et (f') zones de travail [0042] g) rencontre des zones de travail [0043] h) compensation du niveau [0044] x) position X [0045] y) position Y [0046] z) position Z [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] REVENDICATIONSDispositif d'imprimante 3D selon la technologie à dépôt de fil fondu, dite « FDM », à l'objet d'assurer un rendement apte à fabriquer des pièces 3D de grand format selon des rythmes au moins équivalents à celles des autres technologies, dispositif caractérisé par : - Des blocs d'extrusion (a) spécifiques dotés chacun d'un moteur (d) supplémentaire qui déplace le bloc suivant l'axe Z (z), en complément des équipements contenus habituellement dans les blocs d'extrusion « FDM », - La présence d'au moins deux blocs d'extrusion (a, a') placés chacun sur un axe mobile (e, e') indépendants en X et Y et évoluant solidairement suivant l'axe Z, - Un asservissement particulier (c) qui pilote au moins les deux axes de manière coordonnée, de telle sorte que chaque bloc exécute une partie de la pièce sans risque de collision. Dispositif d'imprimante 3D selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs d'extrusion (a, a') sont régis par un principe d'asservissement (c) où ils vont exécuter leur tâche chacun dans une zone de travail définie (f, f'), sans possibilité à chevaucher une autre zone. Dispositif d'imprimante 3D selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble des blocs d'extrusion (a, a') se meuvent dans la même direction Y (y), avec un point de départ imposé en X et Y, de telle façon qu'à l'endroit de la rencontre des deux zones impressions (g), le bloc (a) qui fait la liaison de la pièce à fabriquer s'appuie sur le début de la pièce réalisée l'autre bloc (a'). Dispositif d'imprimante 3D selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plateau (b) n'étant jamais parfaitement plan, les blocs d'extrusion (a, a') opèrent un repérage du niveau du plateau chacun dans sa zone de travail (f, f'), de telle façon à compenser (h) le niveau du Z indépendamment l'un de l'autre, par l'intermédiaire du moteur spécifique (d) contenu dans chaque bloc (a).