Brevet FR3091320A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : ENSEMBLE D'ACTIONNEMENT RAPIDE Domaine technique [0001] La présente invention concerne un ensemble d'actionnement rapide applicable, entre autres, dans le domaine de la fabrication par impression 3D. Etat de la technique [0002] Dans de nombreuses applications industrielles, il y a un besoin d'actionneurs per- formants aptes à piloter un mouvement linéaire ou circulaire, par exemple du type obturateur, avec un temps de réponse court et une capacité d'effort élevée. [0003] L'une de ses applications est la fabrication additive ou impression 3D qui concerne la fabrication d'objets par superposition de couches de matières à partir d'un modèle numérique. [0004] En particulier, la fabrication additive par projection de poudres est l'une des techniques de fabrication additive les plus prometteuses. Cette technique consiste à fondre une ou plusieurs poudre(s) à l'aide d'un faisceau laser afin de générer un dépôt aux dimensions bien maîtrisées. Les couches de matière sont empilées successivement pour créer des pièces techniques fonctionnelles. Ce processus de fabrication permet de créer des formes plus complexes que les techniques d'usinage classique par soustraction de matière. [0005] Une imprimante 3D telle que décrite ci-dessous, nécessite d'avoir un actionneur de commutation performant pour pouvoir ouvrir et fermer rapidement une source de poudre ou commuter entre deux sources sans perte de poudres. [0006] Dans les moyens de commutation connus, le temps de réponse et la puissance de la plupart des actionneurs, par exemples sous forme de vérin, d'un électroaimant, d'un système piézoélectrique, sont antagonistes. En conséquence, il n'existe pas sur le marché d'actionneurs de commutation présentant une rapidité de réponse et ayant une forte puissance. [0007] L'objectif de la présente invention est de proposer une solution au problème d'actionneurs dc commutation décrits ci-dessus. Description de l'invention 100081 A cet effet, l'invention porte sur un ensemble d'actionnement comprenant : une chambre étanche présentant une entrée d'un fluide sous pression et une paroi mobile entre une position minimale dans laquelle le volume de la chambre est minimum et une position maximale dans laquelle le volume de la chambre est maximum ; un actionneur mobile, en contact avec ladite paroi mobile et destiné à 2 actionner un récepteur, tel qu'un organe de distribution de poudre d'une tête d'impression 3D, entre une première et au moins une deuxième position d'actionnement, par exemple une position d'ouverture d'une source de poudre et une position de coupure, ou encore deux positions d'ouverture d'une première et d'une deuxième poudre, il est également possible d'avoir plus que deux positions ; des moyens de verrouillage configurés pour fixer la paroi mobile dans la position minimale ; et un moyen de déverrouillage configure pour agir sur les moyens de verrouillage et libérer le mouvement de la paroi mobile pour permettre son déplacement vers la position maximale sous l'effet du fluide sous pression, lorsque celui-ci est présent dans la chambre. [0009] Selon l'invention, l'actionneur est configure pour être déplacé par la paroi mobile et pour déplacer le récepteur en conséquence, de la première position à la deuxième position. [0010] Le contact entre l'actionneur mobile et la paroi peut être : un contact permanent, par exemple l'actionneur est solidaire de la paroi, ou un contact régulier sans être permanent. [0011] L'ensemble d'actionnement selon l'invention est basé sur une chambre étanche avec une entrée de fluide et ayant une paroi mobile. Un actionneur est en contact avec ladite paroi, par exemple en étant solidaire à celle-ci, pour être déplacé par elle. L'actionneur à son tom- fait déplacer un récepteur d'une position d'actionnement à l'autre. [0012] La paroi de la chambre est verrouillée dans la position minimale ce qui permet de charger la chambre avec le fluide sous pression. Ainsi, une action de déven-ouillage sur un moyen de déverrouillage libère un mouvement très rapide et très puissant de la paroi mobile et en conséquence de l'actionneur qui atteint instantanément une puissance maximale. [0013] En effet, la chambre étant préchargée avec le fluide sous pression et alimentée en fluide sous pression, l'énergie emmagasinée se libère d'un coup, ce qui permet d'obtenir un mouvement extrêmement rapide et puissant dès le départ et dans lequel la force se maintient fortement en fonction de la course de l'actionneur. [0014] Avantageusement, cet ensemble d'actionnement peut être compact, avec une masse en mouvement réduite, permettant de réduire d'avantage le temps de réponse. [0015] Avantageusement, un moyen de retour à la position minimale peut être prévu, par exemple un ressort, après avoir coupé l'alimentation en fluide sous pression et mis l'échappement de la chambre. [0016] Un autre moyen de retour à la position minimale peut être une mise sous pression permettant d'agir sur la paroi mobile dans un sens opposé. 3 [0017] Les moyens de verrouillage peuvent être solidaires de la chambre ou de l'actionneur, et ils peuvent également être partiellement ou totalement déportés, par exemple sur le récepteur. Ainsi, ils peuvent agir directement sur la paroi mobile et/ou sur l'actionneur et/ou sur le récepteur. [0018] Le moyen de déverrouillage est apte à recevoir un signal externe pour libérer la paroi mobile en agissant sur les moyens de verrouillage. [0019] Par ailleurs, les moyens de verrouillage pour un ensemble d'actionnement peuvent être simples et permettre de verrouiller l'ensemble dans une seule position. Ils peuvent également être multiples et permettre de verrouiller l'ensemble dans deux positions ou plus. [0020] Selon un mode de réalisation, la paroi mobile est une paroi d'un piston. [0021] Le système de piston, en particulier à gaz, permet d'avoir une excellente fiabilité et un faible coût. [0022] Avantageusement, l'actionneur est une tige solidaire du piston. Optionnellement, le piston est creux et ladite tige est partiellement creuse et ouverte vers la chambre étanche de sorte que le volume, Vmin, Vmax, de la chambre est augmenté par un volume additionnel, Va, de ladite tige. [0023] Contrairement à un piston conventionnel ou les volumes « inutiles » peuvent générer un retard du mouvement ou une instabilité, cette application tire profit sur trois niveaux d'un évidement du volume du piston et de la tige : une possibilité d'emmagasiner davantage de fluide sous pression en position « chargée » ; une moindre inertie lors du mouvement due à une réduction de la masse du piston ; et Une capacité à « absorber » la compression du volume déplacé lors du retour en position initiale lorsque deux systèmes similaires sont agencés pour travailler en symétrie pour limiter les contre pressions dues à l'échappement du fluide restant dans la chambre [0024] Selon un mode de réalisation, la paroi mobile est une membrane défonnable élas- tiquement sous pression. [0025] Une membrane permet de limiter encore plus les masses en mouvement et d'améliorer le rendement par l'absence de friction. De plus, elle est bien adaptée pour des mouvements de faible course. [0026] Avantageusement, le fluide est un gaz. Un gaz présente l'avantage d'avoir une bonne capacité à être comprimé et à se détendre instantanément. [0027] A titre d'exemple, l'air comprimé peut convenir parfaitement pour une utilisation comme fluide de compression. [0028] D'autre part, pour une utilisation sous atmosphère contrôlée, par exemple dans le cas d' inertage sous argon ou azote d'une machine d'impression 3D, le gaz d' inertage peut avantageusement être utilisé pour piloter l'actionneur, évitant ainsi de polluer le volume de travail de la machine. [0029] Avantageusement, le moyen de déverrouillage est un électroaimant ou un système piézoélectrique. [0030] Un électroaimant est un moyen simple d'installation et de mise en oeuvre, très performant sur de faibles courses. Un système piézoélectrique peut être encore plus rapide. Les deux systèmes présentent également l'avantage d'être à commande électrique ou électronique, ce qui garantit un temps de réponse extrêmement faible. [0031] D'autres moyens de déverrouillage sont cependant possibles, par exemple un système mécanique. [0032] Avantageusement, l'ensemble d'actionnement peut comprendre un moyen de contrôle de l'entrée du fluide dans la chambre. [0033] De cette manière l'arrivé du fluide dans la chambre, et donc la pressurisation de celle-ci, est contrôlée afin d'assurer une recharge rapide ou une mise à l'échappement, pour permettre le retour de la position maximale vers la position minimale. En outre, ce dispositif peut permettre l' initial isation de la position de l'actionneur en coopération avec l'action du système de verrouillage. [0034] Le moyen de contrôle de l'arrivée du fluide peut être par exemple une vanne ou un clapet. [0035] L'invention concerne également un système d'actionnement comprenant au moins deux ensembles d'actionnement selon la description précédente, lesdits ensembles d'actionnement étant positionnés en symétrie et/ou en opposition et configurés de sorte que au moins l'un des ensembles déplace le récepteur dans une première position et un autre déplace le récepteur dans une autre position. [0036] De cette manière le passage d'une chambre de la position minimale vers la position maximale pousse l'autre vers sa position maximale. [0037] Ainsi, le système est à double effet apte à piloter les deux sens d'un mouvement avec la même vitesse et le même temps de réponse par exemple pour l'ouverture ou la fermeture d'une vanne. [0038] Avantageusement le système comprend au moins trois ensembles d'actionnement permettant de déplacer le récepteur dans trois positions d'actionnement ou plus. Par exemple, avec 3 actionneurs on peut obtenir jusqu'à 6 positions d'actionnement. [0039] L'invention porte également sur une tête d'impression 3d comprenant au moins un ensemble d'actionnement ou un système d'actionnement conformes à la description ci-dessus. [0040] Les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être pris isolément ou selon dif- férentes combinaisons. Brève description des figures [0041] L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : [0042] [fig.11 La figure 1 représente une vue schématique d'une installation d'impression 3D connue de l'état de la technique ; [0043] [fig.11 La figure 2 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un ensemble d'actionnement selon l'invention dans une première position ; [0044] [fig.3] La figure 3 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un ensemble d'actionnement selon la figure 2 dans une deuxième position ; [0045] [fig.4] La figure 4 est un schéma illustrant un exemple de système d'actionnement selon l' invention ; [0046] [fig.5] La figure 5 est une vue d'ensemble d'une tête d'impression comprenant un système d'actionnement selon un mode de réalisation de l'invention ; [0047] [fig.6] la figure 6 est un zoom sur le système d'actionnement de la figure 5. [0048] [fig.7] la figure 7 est une coupe verticale du système d'actionnement des figures 5 et 6. [0049] [fig.8] la figure 8 est une première variante du système d'actionnement conforme à l' invention. [0050] [fig.9] la figure 9 est une deuxième variante du système d'actionnement conforme à l' invention. [0051] [fig.10] la figure 10 est une troisième variante du système d'actionnement conforme à l'invention. [0052] [fig.11] la figure 11 est une quatrième variante du système d'actionnement conforme à l'invention. Description détaillée 100531 Dans la description qui suit, une application d'un ensemble et d'un système 6 d'actionnement selon l'invention est décrite à titre d'illustration pour actionner un organe de distribution de poudre d'une imprimante 3D. Néanmoins, l'ensemble et le système d'actionnement selon l'invention, peuvent être appliqués à tout dispositif actionnable ayant au moins deux positions, en particulier lorsque l'actionner-rient nécessite d'être fait à une très grande vitesse. [0054] La figure 1, montre un exemple d'installation d'impression 3D par jet de poudres, connue de l'état de la technique. L'installation comprend une tête d'impression T reliée à une première source A de poudre PA, une deuxième source B de poudre PB. Pour fabriquer un objet M, un conduit d'amené P achemine les poudres PA, PB jusqu'à un point de fusion F où un faisceau émis par une source laser L fond ces poudres séparément ou sous forme d'un mélange. Chaque poudre étant transportée par un gaz vecteur, un système de recyclage permet de récupérer les poudres PA, PB non utilisées dans des récupérateurs de poudre RA, RB respectifs. [0055] Dans d'autres cas, non illustrés, l'installation peut être mono-matériau, ou au contraire comprendre plus de sources de poudres. [0056] L'installation comprend également une source de gaz de purge G, ainsi qu'un système de distribution de poudre, aussi appelé système de commutation C. Ce système permet de brancher et débrancher les sources A, B de poudre PA, PB et la source de gaz G au conduit d'amené Pou aux récupérateurs de poudre RA, RB. [0057] L'installation comprend enfin un système de déplacement Z pour déplacer la tête d'impression T et un système de déplacement D adapté pour déplacer l'objet M en particulier pendant la fabrication dans les deux directions du plan X, Y. Enfin, un système de contrôle CT pilote l'installation. [0058] L'installation peut également comprendre un dispositif non-illustré de dosage des poudres PA et PB. [0059] Les poudres, peuvent êtres des poudres métalliques telles que : les aciers au carbone et aciers inoxydables, ou tous les alliages métalliques, par exemple : les bases nickel, bases cobalt, alliages de titane, de cuivre ou d'aluminium, les céramiques, les composés intermétalliques, et aussi les polymères ou autres composites. Elles peuvent être utilisées séparément ou en couches distinctes pour la fabrication de pièces complètes, la réparation de pièces usées, ou le revêtement de surface de pièces métalliques. [0060] Le système de distribution de poudres peut être positionné à l'extérieur de la tête comme décrit ci-dessus et représenté par la figure 1. Dans d'autres configurations, telle que celle de la figure 5, le système de distribution de poudres peut être inclus dans la tête d'impression 3D. [0061] Les figures 2 et 3 illustrent le principe de fonctionnement d'un ensemble d'actionnement 10 selon l'invention. L'ensemble d'actionnement 10 comprend : 7 une chambre 100 étanche présentant une entrée 101 d'un fluide sous pression (acheminé par une conduite 107) et une paroi mobile 102. Cette paroi est mobile entre une position minimale, illustrée par la figure 2, dans laquelle le volume de la chambre 100 est minimum et une position maximale, illustrée par la figure 3, dans laquelle le volume de la chambre 100 est maximum. un actionneur mobile 103 est positionné en contact avec la paroi mobile 102. Cet actionneur 103 est destiné à actionner un récepteur 3 entre une première position d'actionnement Pl visible sur la figure 1 et une deuxième position d'actionnement P2 visible sur la figure 2. Le récepteur 3 est par exemple un organe de distribution de poudre d'une imprimante 3D pour lequel une source de poudre différente est activée à chacune des position Pl, P2. des moyens de verrouillage 104, 105, formant par exemple une gâchette, sont configurés pour verrouiller la paroi mobile 102 dans la position minimale comme montré par la figure 1, et un moyen de déverrouillage 106 configure pour déverrouiller la paroi mobile 102 et permettre son passage vers la position maximale sous l'effet du fluide sous pression, présent dans la chambre 100, comme représenté sur la figure 2. [0062] L'actionneur 103 est configure pour être déplacé par la paroi mobile 102 et pour déplacer le récepteur 3 en conséquence, de la première position P1 à la deuxième position P2 ou inversement. Plus précisément le mouvement de l'actionneur 103 est transféré par un organe de transfert 31 à un organe 30, qui est par exemple un organe de distribution de poudre. [0063] Selon un mode de réalisation, un moyen de retour à la position minimale peut être prévu. Ce moyen de retour peut être un ressort. [0064] Avantageusement, le fluide peut être un gaz et le moyen de déverrouillage peut être un électroaimant. [0065] Avantageusement, le dispositif d'actionnement peut comprendre un moyen de contrôle de l'entrée du fluide clans la chambre, par exemple une vanne ou un clapet. [0066] La figure 4 montre un exemple de système d'actionnement conforme à l'invention. Ce système comprend deux ensembles d'actionnement 10 tels que décrit précédemment en référence aux figures 2 et 3. Les deux ensembles d'actionnement 10 sont positionnés à l'opposé l'un par rapport à l'autre et par rapport au récepteur 3 auquel ils sont reliés via l'élément de transfert 31. [0067] Dans cet exemple de réalisation, les ensembles d'actionnement 10 étant à l'opposé l'un de l'autre, ils sont configurés de sorte que l'un des deux ensembles passe le récepteur 3 dans la première position PI et l'autre passe le récepteur 3 dans la deuxième position P2. En outre, dans cette configuration, le passage d'une chambre 100 de la position minimale vers la position maximale pousse l'autre vers la position 8 minimale et inversement. Ainsi, l'actionneur peut piloter le récepteur 3 entre P1 et P2 dans les deux sens de mouvement avec la même vitesse et avec le même temps de réponse. [0068] La figure 5 montre une vue d'ensemble d'une tête de distribution de poudre 1 selon un mode de réalisation de l'invention. La tête 1 comprend un corps 2 de forme globalement conique et un organe de distribution 3 ayant la forme d'une couronne. Un ensemble de conduites 4 sont agencées pour acheminer des poudres vers la tête 1, ainsi que de la tête 1 vers des circuits de recyclage. [0069] La tête 1 comprend en outre un système d'actionnement pour permettre à l'organe de distribution de passer d'une première poudre à une deuxième poudre et inversement. Ce système comprend deux ensembles d'actionnement 20 positionnés l'un à l'opposé de l'autre conformément au schéma de la figure 4 et séparés par une pièce intermédiaire 208. Ladite pièce 208 renferme la zone de communication avec l'organe de transfert 31 qui transmet les positions d'actionner-Ir-lent Pl, P2 au récepteur 3. [0070] Chaque ensemble 20 comprend une chambre 200 pour laquelle seule la paroi externe 2000, ici en forme de cylindre de section carrée, est montrée. Chaque chambre 200 comprend en outre une entrée de fluide 201. [0071] La figure 6 montre une vue zoomée sur l'un des deux ensembles 20 de la figure 5 sans les parois externes de la chambre 200 et de la pièce 208 pour montrer la forme externe de l'actionneur 203. Dans cet exemple de réalisation, comme cela se voit sur la figure 7, les deux actionneurs 203 sont solidaires et forment un corps unique en forme de tige. [0072] Sur la vue en coupe de la figure 7, on peut voir que pour cet exemple de réalisation, chaque actionneur est une tige solidaire d'un piston 202 creux. La tige 203 étant partiellement creuse et ouverte vers la chambre étanche 200 de sorte que le volume de la chambre est augmenté par un volume additionnel Va de ladite tige. Ainsi, dans cette position, pour la chambre de (boite le volume total est Vmin + Va. Pour la chambre de gauche le volume total est Vmax + Va. [0073] Dans cette configuration particulièrement avantageuse, le fait que l'actionneur 203 est rempli de fluide permet d'obtenir une vitesse d'actionnement encore plus rapide. Par ailleurs, le fait que le volume additionnel Va de l'actionneur 203 opposé soit vide permet d'absorber le volume déplacé en limitant la surpression due à l'échappement du gaz dans le conduit de sortie vers le système de pilotage du fluide. [0074] Les moyens de verrouillage comprennent ici un verrou 205 qui coopère avec un épaulement 204 tel que montré en figure 7 où la chambre de (boite est verrouillée en position minimale. [0075] La figure 8 est une variante du mode de réalisation des figures 4 à 7 qui diffère en ce que les ensembles d'actionnement 40 ont des actionneurs 403 qui ne sont pas solidaires 9 l'un de l'autre. En outre, des moyens de verrouillage 404 peuvent être prévus sur le récepteur 3. Pour le reste des caractéristiques des ensembles d'actionnement 40, elles peuvent être similaires aux caractéristiques des ensembles d'actionnement 20 décrits précédemment. [0076] La figure 9 montre une autre variante de réalisation dans laquelle deux ensembles d'actionnement 50 sont positionnés sensiblement à 180' l'un de l'autre et reliés à un récepteur 300 qui peut également être un organe de distribution de poudres d'une tête d'impression 3D. [0077] La différence principale avec les modes de réalisation décrits précédemment réside dans le fait que la paroi mobile 502 est ici une membrane deformable élastiquement permettant au volume de la chambre 500 de passer d'un minimum Vmin à un maximum Vmax. Les autres caractéristiques restent similaires à celles décrites en référence aux figures 2 à 8. [0078] Dans des modes de réalisations non illustrés, les membranes des ensembles d'actionnement décrit en référence à la figure 9 peuvent être remplacés par des pistons tels que vus précédemment. [0079] Dans d'autres mode de réalisations non illustrés, les pistons des ensembles d'actionnement décrit en référence aux figures 5 à 8 peuvent être remplacés par des membranes deformables telle que décrites en référence à la figure 9. [0080] Dans d'autres exemples de réalisation non illustrés, le système d'actionnement peut comprendre plus de deux ensembles d'actionnement. Par exemple, 3 ensembles d'actionnements ou plus configurés pour actionner un récepteur selon 3 positions d'actionnement ou plus. Par exemple : [0081] - une configuration de type étoile comprenant trois branches comme cela est montré par la figure 10 où trois ensembles d'actionnement positionnés en opposition à 120° l'un de l'autre et dans lesquels les moyens de verrouillages permettent à chaque actionneur d'être bloqué dans 3 positions. Dans cet exemple, il est possible d'atteindre les six positions 1 à 6 représentées sur la figure 10, par interopération entre la pression exercée par le fluide et les multiples positions permises par les moyens de verrouillage. [0082] - un fonctionnement linéaire, de type cascade, avec plusieurs positions dans un sens comme dans l'autre, comme cela est illustré par la figure 11, où quatre ensembles d'actionnement sont en opposition deux à deux. Dans ce cas, il est possible d'atteindre les trois positions 1 à 3 comme indiqué sur la figure 11. 10