Brevet FR3089145A1 — publié le 20200605

Description Titre de l'invention : PROCÉDÉ DE FABRICATION ADDITIVE ASSISTÉ PAR UN MILIEU CONTRAINT GRANULAIRE Domaine technique [0001] L'invention a trait au domaine de la fabrication additive et concerne un procédé et un dispositif permettant la mise en oeuvre du matériau de constitution lors de la réalisation d'une pièce. [0002] La fabrication additive, également dénommée « impression 3D », est une technologie de fabrication par ajout de matière qui permet de produire des pièces tridimensionnelles par empilement de couches successives de matière. Dans la présente description, le terme « impression » est employé pour désigner la réalisation d'une pièce par un procédé de fabrication additive, et le terme « matériau imprimé » désigne le matériau qui est mis en forme au cours de ce procédé et qui constitue tout ou une partie de la pièce fabriquée. Technique antérieure [0003] Actuellement, l'essentiel des procédés de fabrication additive peuvent se regrouper en trois grandes familles : les procédés par dépôt de matière ; les procédés par consolidation sélective ; et les procédés par projection de liant sur poudre. [0004] Dans les procédés par dépôt de matière, le matériau imprimé est un matériau d'apport, fourni sous forme de fil, de granulé ou de liquide, qui est projeté ou déposé couche par couche. Il s'agit par exemple des procédés par dépôt de fil en fusion (FDM, pour « Fused deposition modeling », en anglais), de liquides viscoélastiques (LDM, pour « Liquid deposition modeling », en anglais), ou des procédés par modelage à jets multiples (MJP pour « Multi Jet Printing », en anglais). Pour la réalisation de pièces complexes comportant d'importants porte-à-faux (ou surplombs), ces procédés nécessitent l'emploi de socles et de supports qui sont imprimés en plus de la pièce et qui maintiennent la pièce en position ou qui empêchent les parties en poile-à-faux de s'effondrer. Pour ces procédés, l'emploi d'un matériau imprimé aux propriétés d'écoulement non adaptés (par exemple : de faibles viscosités, de contrainte seuil insuffisante ou présentent un comportement thixotrope notable) est impossible ou limité à des formes de pièces très simples. [0005] Dans les procédés par consolidation sélective, le matériau imprimé est placé dans un réservoir, sous forme liquide ou sous forme de poudre, et un moyen d'apport d'énergie tel qu'un laser balaye ce matériau, couche par couche, successivement. Le matériau imprimé est lui-même éventuellement distribué par couches successives dans le réservoir avant le passage du moyen d'apport d'énergie. Le matériau imprimé contenu 2 dans le réservoir se solidifie uniquement aux endroits précis où le moyen d'apport d'énergie est passé. Il n'y a pas de matériau d'apport, tout le matériau imprimé est contenu dans le réservoir. Au terme des opérations, une portion sélective du matériau contenu initialement dans le réservoir constituera la pièce finie. Des exemples de procédés par consolidation sélective sont donnés par la stéréolithographic (SLA, « Stercolithography Apparatus », en anglais), la fusion sélective par laser (SLM, « Sclective Laser Melting » en anglais), le frittage sélectif par laser (SLS, « Selective Laser Sintcring », en anglais), ou encore la fusion par faisceau d'électrons (EBM, « Elcctron Bcam Melting »). Ces procédés sont applicables à différentes familles de matériaux telles que les métaux, les céramiques ou les polymères, sous forme de poudre solide ou de liquides durcissables par apport d'énergie ou activation photochimique (UV ou autres). L'application à un matériau imprimé très fluide n'est possible que si cc matériau est durcissable à l'aide d'une source lumineuse, et l'application à des matériaux mous est peu évidente. [0006] Dans les procédés par projection de liant sur poudre, (par exemple « Binder jetting », en anglais), un liant est projeté sur une poudre disposée successivement en couches dans un réservoir. Aux endroits où le liant est projeté, le liant se mêle à la poudre et réagit avec elle en créant un matériau solide constitué de liant et de poudre. Le matériau imprimé est créé suite à la projection de liant et est donc constitué d'un assemblage composite de liant et de poudre. Ces procédés ne permettent pas de réaliser des pièces homogènes d'un matériau imprimé unique qui serait, au moment du dépôt, fondu ou non encore polymérisé. La fabrication de pièces à partir d'un matériau imprimé unique très fluide ou mou est impossible. [0007] La demande de brevet US2018057682 décrit un procédé de fabrication additive en dehors des catégories classiques décrites précédemment. Selon ce procédé, le matériau imprimé est une encre à base de silicone. Ce matériau imprimé est déposé à l'état liquide dans un gel constitué de particules de microgel de polymère. Chacune des particules de microgel comporte un réseau polymère réticulé et un solvant organique. Plus précisément, les particules de microgel sont gonflées d'un solvant organique tel que de l'huile minérale. La proportion en masse du solvant organique dans le gel est de préférence de 90% à 99.9%, ou de 80 à 95%, ou de plus de 85%. Selon ce document, la tension superficielle d'interface entre le silicone et le solvant organique est propice à l'impression de l'encre à base de silicone avec le gel comme phase suspendante, ce qui permet l'impression de pièces en silicone. Les exemples décrits indiquent des diamètres moyens de particules de microgel compris entre 2 et 6 i_tm, ou entre 0,1 [tm et 100 ktm. Selon des modes de réalisation décrits, le gel peut être constitué de particules qui deviennent de préférence malléables ou fluides par une action mécanique, électrique, radiante, photonique, ou autre. Dans certains modes de réa- 3 lisation, le gel peut être traité pour éliminer le solvant et. se présenter sous forme de poudre qui peut être mise en sachets facilement pour le transport et la vente, sans nécessiter de contenants couteux nécessaires à un produit à base d'huile, qui est surtout liquide. Dans ce cas, avant l'impression, le gel doit être reconstitué par l'utilisateur en mélangeant à la poudre un complément approprié de solvant organique. Ce procédé permet l'impression de pièces souple en silicone, ce qui est difficile, voire impossible avec les procédés classiques. Cependant., la formulation du gel est complexe et pose des problèmes en matière de stockage, de sécurité, et de manipulation. Par ailleurs, la buse de dépôt de silicone laisse un sillon dans le gel qui ne se referme qu'imparfaitement, ce qui implique des vitesses d'impression lentes et des imperfections dans les pièces imprimées. Exposé de l'invention [0008] L'invention a pour but d'améliorer les procédés de fabrication additive de l'art antérieur. [0009] A cet effet, l'invention vise un procédé de fabrication additive incluant le dépôt d'un matériau pour former un objet tridimensionnel, procédé dans lequel au moins une étape de dépôt du matériau est réalisée en suspension au sein d'un milieu contraint granulaire. [0010] Un tel procédé de fabrication additive est adapté aux matériaux présentant des propriétés d'écoulement, notamment aux matériaux fluides, aux matériaux mous, et aux matériaux viscoélastiques. Des formes d'objets 3D complexes, tels que des tissus organiques, peuvent ainsi être imprimés avec la qualité requise et cc, pour des vitesses d'impression importantes grâce à la contrainte appliquée sur toute la superficie de la pièce réalisée, par le milieu contraint granulaire. Les éléments discrets constituant le milieu contraint granulaire s'adaptent à leur contenant et à la forme de l'objet imprimé en son sein en travaillant à sec, surface d'élément discret contre surface d'élément discret. [0011] Lc milieu granulaire est dit « contraint » car les éléments le constituant sont contraints les uns envers les autres, et sont ainsi adaptés à exercés eux-même une contrainte sur le matériau imprimé. Dans un exemple préféré, le milieu granulaire est contraint par la gravité s'exerçant sur chaque élément du milieu granulaire. Un bac contenant le milieu granulaire peut compléter cette contrainte de la gravité en maintenant le milieu granulaire entre ses parois. [0012] Un autre objet de l'invention vise un dispositif de fabrication additive pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, ce dispositif comportant un milieu contraint granulaire. Le dispositif de fabrication additive peut en outre comporter un dispositif d'ajustement de la pression du milieu contraint granulaire. 100131 Le procédé de fabrication additive peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : [0014] - le milieu contraint granulaire est constitué uniquement d'élément discrets ; [0015] - les conditions ambiantes dans lesquelles est plongé le milieu contraint granulaire sont présentes entre les éléments discrets ; [0016] - l'air ambiant est présent entre les éléments discrets ; [0017] - le milieu contraint granulaire comporte une phase granulaire solide ; [0018] - la phase granulaire solide est un matériau sec et monophasiquc, qui est réticulé ou amorphe ou cristallisé ; [0019] - la phase granulaire solide est un polymère pulvérisé ; [0020] - la phase granulaire solide est un gel de silice déshydraté pulvérisé ; [0021] - la phase granulaire solide est un acétate de polyvinyle pulvérisé ; [0022] - la phase granulaire solide est un polyméthacrylate de méthyle pulvérisé ; [0023] - le matériau déposé présente des propriétés viscoélastiques ; [0024] - le matériau déposé est un silicone ; [0025] - le matériau déposé présente une viscosité comprise entre 10' mPa.s et 107 mPa.s et de préférence comprise entre 10' mPa.s et 106 mPa.s ; [0026] - le milieu contraint granulaire présente une granulométrie comprise entre 1 pm et 1000 !un, de préférence comprise entre 25 pm et 250 pm, et de préférence encore comprise entre 75 pm et 150 pm ; [0027] - le procédé comporte une étape d'ajustement de la pression du milieu granulaire contraint ; [0028] - le procédé comporte une étape de contrôle de la température du milieu contraint granulaire. Brève description des dessins [0029] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels [0030] [fig.I] la figure I est une vue générale schématique d'un dispositif selon l'invention ; [0031] [fig.2] la figure 2 est une vue agrandie du milieu contraint du dispositif selon la figure 1 ; [0032] [fig.3] la figure 3 illustre le travail de la buse du dispositif de la figure 1, dans le milieu contraint granulaire ; [0033] [fig.4] la figure 4 illustre le travail de la buse du dispositif de la figure 1, dans le milieu contraint granulaire ; [0034] [fig.5] la figure 5 illustre le travail de la buse du dispositif de la figure 1, dans le milieu contraint granulaire. Description des modes de réalisation [0035] La figure 1 représente schématiquement un dispositif de fabrication additive selon l'invention. Ce dispositif est, dans le présent exemple, une imprimante 3D 1 qui comporte un plateau 2 et une tête de dépôt de matière. La tête de dépôt de matière est ici une buse d'impression 3. [0036] La buse (l'impression 3 est mobile par rapport au plateau 2 (par exemple : suivant trois translations orthogonales pour les imprimantes cartésiennes) de sorte que l'extrémité de la busc puisse occuper tous les points du volume utile d'impression. Les dispositifs mécaniques permettant ces trois translations sont bien connus dans le domaine des imprimantes 3D et ne seront pas décrits plus en détails ici. [0037] Lc volume utile d'impression est délimité par un bac d'impression 4 fixé sur le plateau 2. Lc bac 4 est, dans le présent exemple, parallélépipédique et forme un contenant comportant une ouverture 5 supérieure. Lc bac 4 est rempli d'une phase granulaire à l'état solide 6. Sur la figure 1, le bac I est réalisé en un matériau transparent permettant de voir la phase granulaire solide 6 qui y est contenu. [0038] Une phase granulaire est un ensemble d'éléments physiques indépendants et mono- dispersés pouvant se présenter sous différents facteurs de forme. La phase granulaire peut être par exemple un solide pulvérisé. [0039] La mécanique de l'imprimante 3D 1 et la commande de ses axes sont les même que celles d'une imprimante 3D par dépôt de matière. Ainsi, un modèle numérique de la pièce à imprimer est tout d'abord créé puis tranché en un ensemble de plans horizontaux successifs. La buse 3 sera ensuite commandée pour parcourir chacune de ces tranches en déposant un matériau imprimé aux endroits définis. Lc matériau imprimé est ainsi déposé couche par couche jusqu'à la formation de la pièce finie. [0040] Lc matériau imprimé est apporté à la buse 3 par un canal d'apport 7 représenté de manière schématique sur la figure 1, qui peut être de tout type adapté au matériau imprimé choisi. [0041] Le canal d'apport 7 peut être sous forme de fil ou de granulé de matière, dans le cas où le matériau d'apport est thermoformable et conditionné sous forme d'une bobine de fil ou de bac de granulé, respectivement. Dans le cas d'une bobine de fil, celle-ci est déroulée et le fil de matériau est passé dans la buse 3. Dans le cas d'un bac de granulé, ceux-ci sont entrains par une vis d'extrusion est passé dans la buse 3. Dans tous les cas, la buse 3 est adaptée à chauffer le fil ou les granulées de matériau au-delà de sa 6 température de fusion et à le déposer sous cette forme fondue. [0042] Le canal d'apport 7 peut aussi, par exemple, être un tube dans lequel circule le matériau imprimé dans le cas où ce dernier est suffisamment fluide. Le matériau imprimé peut-être, dans ce cas, mis en circulation par une pompe ou un dispositif à piston tel qu'une seringue (non représentés), montés sur la busc 3 ou ailleurs sur le dispositif. [0043] Quel que soit le type du canal d'apport 7, la busc 3 est adaptée à délivrer par son extrémité le matériau imprimé dans un état suffisamment fluide pour être déposé. [0044] Le bac 4 et la phase granulaire solide 6 qu'il contient forment un milieu contraint granulaire 8. Le dépôt du matériau imprimé, en vue de constituer la pièce finie, est réalisé au sein de ce milieu contraint granulaire 8. [0045] La figure 2 est une vue agrandie d'une portion du milieu contraint granulaire 8. La phase granulaire solide6 est un amas d'éléments solides discrets 9. Cet amas, par son caractère pulvérisé et non cohésif, épouse la forme du bac 4 grâce à l'agencement spontané de ces éléments discrets 9 qui prennent appui les uns sur les autres sous l'effet de leur propre poids, comme représenté à la figure 2. Les éléments discrets 9 sont de préférence non déformables de sorte que, en prenant appui les uns sur les autres, des interstices d'air (ou de tout autre fluide environnant l'imprimante 3D 1) sont formés entre les éléments discrets 9. En effet, les conditions ambiantes du milieu contraint granulaire sont également présentes entre les éléments discrets. Ainsi, si l'imprimante 3D 1 est dans l'air de l'atmosphère terrestre, cet air sera présent dans les interstices. De même, si l'imprimante 3D 1 est, par exemple, dans une enceinte sous vide, ce vide sera alors également présent dans les interstices. Dans cet exemple préféré, le milieu interstitiel est à l'état gazeux et est constitué par l'air ambiant de l'imprimante 3D 1. [0046] En référence à la figure 3, les mouvements relatifs possibles des éléments discrets 9 au sein du milieu contraint granulaire 8 permettent à la buse 3 d'être introduite clans le bassin 8, en provoquant un déplacement des éléments discrets tout autour d'elle. La figure 3 est une vue schématique dans un plan de coupe suivant l'axe longitudinal de la buse 3 et montre la buse 3 après avoir été introduite verticalement dans le milieu contraint granulaire 8. [0047] En référence à la figure 4, cette même possibilité de mouvements mutuels des éléments discrets 9 permet le déplacement de la buse 3 au sein du milieu contraint granulaire 8 et le dépôt du matériau imprimé pendant ce déplacement. Au cours du déplacement de la buse, cette dernière écarte les éléments discrets 9 présents sur son trajet tandis que, derrière elle, les éléments discrets 9 se rassemblent et comblent le vide laissé. La phase granulaire solide 6 a donc toujours la même homogénéité tout autour de la buse, sans sillage ou autre perturbation. 7 [0048] Le milieu contraint granulaire 8 crée autour du matériau imprimé déposé, unc contrainte garantissant le maintien en place du matériau imprimé dans le contour qui lui a été attribué par la buse 3. Cette forme de contention est particulièrement avantageuse dans le cas d'un matériau imprimé très fluide qui s'écoulerait en l'absence de cette contrainte. Le matériau imprimé étant maintenu dans ce milieu contraint, l'état de surface extérieur de la pièce finie peut dépendre de la granulométrie de la phase granulaire solide 6. [0049] La granulométrie de la phase granulaire solide est de préférence comprise entre 1 jtm et 1000 pm, avantageusement entre 25 et 250 pm et plus avantageusement entre 75 et 150 pm [0050] Le milieu contraint granulaire 8 remplit sa fonction en étant sec ou partiellement sec, et peut donc contenir tout type de matériaux de hase, tels que des matériaux fluides instables ou tout polymère avant réticulation, sans risques de réaction entre le matériau fraichement déposé et le milieu contraint. Ceci est particulièrement avantageux dans le domaine de la santé. [0051] D'autre part, la phase granulaire peut, le cas échéant, interagir avec le matériau d'impression (par exemple : par voie chimique, physique, mécanique, rhéologique, électromagnétique,...) afin de garantir le succès de l'impression ou de conférer tous types de propriétés à l'objet imprimé. [0052] Le milieu contraint granulaire 8 assure le maintien en position du matériau imprimé aussi longtemps que nécessaire à son durcissement, que ce durcissement soit réalisé par traitement thermique, chimique, photo-chimique ou tout autre opération. Dans le cas d'un durcissement par exposition à un rayon, le bac 4 est de préférence transparent et le solide pulvérisé est au moins partiellement translucide afin de ne pas absorber la source lumineuse. [0053] La figure 5 est une coupe verticale du milieu contraint granulaire 8 montrant le profil d'une pièce 10 en cours de réalisation. La pièce 10 est un exemple simple de pièce facilement imprimable dans le milieu contraint granulaire 8, avec une qualité maximale, bien que cette pièce comporte d'importants porte-à-faux et des changements brusques de section. Une telle pièce peut de su-croit être imprimée avec un matériau imprimé fluide tel qu'un polymère en phase caoutchoutique (température supérieure ou égale à la transition vitreuse, par exemple à base de silicone) ou liquide (température supérieure ou égale à la température de fusion, par exemple à base d'un thermoplastique serai-cristallin). Le milieu contraint granulaire fournit non seulement un support pour les parties de pièce en porte-à-faux et les changements brusques de section, mais fournit également une forme de contrainte volumique pour chaque couche de matériau imprimé, c'est à dire une contrainte sur tout le contour du matériau déposé. [0054] Le milieu contraint procure un milieu stable pour le durcissement du matériau 8 imprimé, même si ce dernier a été imprimé à haute température. [0055] La pièce 5 une fois terminée est ensuite extraite du milieu contraint granulaire 8 et est directement utilisable car elle n'a pas nécessité l'impression de socles, de supports ou d'autres ajouts extérieurs à la forme de la pièce. Le matériau constituant la pièce 5 est uniquement le matériau imprimé qui a été apporté à la buse 3 par le canal d'apport 7. De préférence, ni le solide pulvérisé 6, ni aucun autre élément éventuel du bassin de contention granulaire 8 n'est présent dans la constitution de la pièce 5. Le milieu contraint granulaire 8 ne conserve pas en son sein de matériau imprimé et peut immédiatement être réemployé pour l'impression de nouvelles pièces. [0056] La phase granulaire est de préférence un matériau non-hydraté et non biphasique (pas d'émulsion), réticulé ou amorphe ou cristallisé, de préférence constituée à partir d'un matériau solide broyé. Le gel de silice déshydraté (qui, bien que portant ce nom, n'est pas du tout un gel mais un solide), l'acétate de polyvinyle, ou encore le polyméthacrylate de méthyle donnent d'excellents résultats car il est possible d'imprimer, dans une phase granulaire solide réalisée à partir de ces matériaux, des pièces complexes avec, comme matériau imprimé, des matériaux d'une large gamme de viscosité, allant de 10' mPa.s à 107 mPa.s. A titre de comparaison, les matériaux dont la viscosité est voisine de 10' mPa.s à 10' Pa.s , sont tout simplement impossibles à imprimer avec les procédés de dépôt de matières classiques (précédemment cités), et sont difficiles à imprimer dans un gel constitué de particules de microgel polymère hydraté, c'est à dire que l'impression a lieu mais génère des pièces avec un faible niveau de qualité (présence de défauts dimensionnels et de forme). [0057] Par exemple, du silicone monocomposant ou bicomposant dans la plage de viscosités indiquée, 10' mPa.s à 106 mPa.s, peut être employé comme matériau imprimé avec une qualité satisfaisante même pour des pièces complexes. [0058] Par ailleurs, des matériaux présentant un faible seuil à l'écoulement (« yield stress », en anglais) peuvent également être utilisés comme matériau imprimé. Ces matériaux ne présentent pas un seuil d'écoulement suffisant pour maintenir leur forme sous leur propre poids ou sous la compression des couches déposés, et sont cependant avantageusement imprimés par l'imprimante 3D selon l'invention. Les matériaux présentant un seuil d'écoulement suffisant pour maintenir leur forme sous leur propre poids peuvent a fortiori également être utilisés comme matériau imprimé. [0059] Selon une variante, l'imprimante 3D 1 comporte un dispositif d'ajustement de la pression du milieu contraint granulaire 8. Ces moyens sont schématisés par des flèches 11 sur la figure 1. Dans le milieu contraint granulaire 8, la contrainte est ainsi ajustable. La force exercée par un élément discret du milieu granulaire sur les éléments discrets voisins peut en effet être contrôlée par ce dispositif d'ajustement de la pression du milieu contraint de mise sous pression afin de garantir la qualité de l'impression. 9 Par exemple, la mise sous pression peut être réalisée par voie pneumatique (augmentation de la pression atmosphérique de l'enceinte de l'imprimante 3D 1) ou par voie mécanique ou hydraulique (augmentation de la pression interne du milieu granulaire par application d'une force sur les parois du bac 4). Le procédé selon l'invention comporte, selon cette variante, une étape d'ajustement de la pression du milieu granulaire contraint. La pression du milieu granulaire contraint désigné ici la pression que les éléments constituant le milieu granulaire exercent les uns sur les autres. Cette variante est particulièrement adaptée pour une utilisation dans une zone sans gravité. [0060] Selon une autre variante particulièrement adaptée à l'impression de matériaux ther- moplastiques, le milieu granulaire contraint 8 est contrôlé en température. Le milieu granulaire contraint 8 peut ainsi puisse être chauffé ou refroidi pour obtenir une température adéquate au dépôt d'un matériau particulier. Le procédé selon l'invention comporte, selon cette variante, une étape de contrôle de la température du milieu contraint granulaire. [0061] Des variantes de réalisation peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, le milieu contraint granulaire 8 peut être constitué d'un bac contenant des microhilles, plutôt qu'une phase granulaire solide. Tout autre forme peut être envisagée pour les éléments discrets 9 à partir du moment où ces forment permettent un mouvement mutuel des éléments discrets 9. [0062] Par ailleurs, le milieu contraint granulaire 8 permet des modes d'impression al- ternatifs à l'impression couches par couches, tel que des modes d'impression directement en trois dimensions, c'est à dire avec un mouvement de la buse simultanément selon les trois dimensions de l'espace. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14]