Brevet FR3103132A1 — publié le 20210521

Dispositif destiné à faire varier le volume de l’enceinte chauffée d’une imprimante 3D. Le volume de l’enceinte, dans laquelle est fabriquée la pièce par ajout successif de matière, augmente avec le nombre de couches fabriquées. Ainsi le volume chauffé afin de permettre ou d’optimiser la fabrication additive, est adapté aux différentes phases du processus de fabrication additive. Il est réduit lors des phases de préchauffe et de chauffe du plateau et de l’enceinte, ce qui permet un gain en énergie et en temps de chauffage. Il est au maximum fonction de la hauteur maximale de la pièce fabriquée. La variation du volume de l’enceinte chauffée est réalisée par l’utilisation d’une enceinte télescopique dimensionnée pour supporter les contraintes de hautes températures. L’enceinte télescopique se déploie par simple gravité et peut être soulevée pour retirer la pièce en fin de fabrication. Enceinte chauffée à volume variable. Le domaine technique de l’invention La présente invention concerne un dispositif pour faire varier le volume chauffé de l’enceinte de fabrication d’une machine de fabrication additive (imprimante 3D). L'impression tridimensionnelle ou impression 3D est une technique de 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 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. Etat de la technique antérieure L’impression tridimensionnelle de matières thermoplastiques techniques par 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 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 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 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 les thermoplastiques dit standards. Ces nouveaux thermoplastiques du type PolyEtherImide (PEI), PolyEtherEtherKetone (PEEK), PolyEtherKetoneKetone (PEKK), PolyEtherEtherKetoneKetone (PEEKK) etc., ont des températures de transition vitreuses variant entre 150°C et 220°C ou des températures de cristallisation supérieures à 150°C, voire 300°C. L’impression 3D de pièces de ces matériaux est rendue très difficile par la température de transition vitreuse ou de cristallisation très élevée, qui crée des déformations et des délaminations dues aux phénomènes de retraits matière lors du refroidissement dans la chambre. De nombreux brevets existent sur la manière de concevoir une chambre chauffée, notamment le brevet US6722872 , qui défini avec précision la manière de fabriquer une chambre chauffée. L’objet de ce brevet est la conception d’une chambre à volume variable et à Très Haute Température pouvant atteindre plus de 300°C. Le présent brevet est une amélioration du brevet référence US6722872. Comme le brevet US6722872, ce brevet précise que les axes X, Y et Z de la machine sont à l’extérieur du volume de fabrication. Ce brevet apporte l’amélioration suivante : le volume de l’enceinte de fabrication est variable au court de la fabrication. Ce volume variable étant chauffé, la quantité de chaleur nécessaire à la fabrication est moindre que celle nécessaire dans un volume constant pour la fabrication d’une pièce de dimension égale, générant ainsi un gain d’énergie mais également un gain en temps de chauffe de l’enceinte. A chaque addition successive de couches de fabrication le volume chauffé augmente et la source de chaleur régulée apporte la quantité de chaleur supplémentaire nécessaire au maintien de la température de l’enceinte. Les parois de l’enceinte ne sont pas nécessairement souples, ni nécessairement isolante thermiquement, mais peuvent l’être. Notre solution assure un gain énergétique et un gain de temps, et par conséquent un gain économique par rapport aux solutions existantes d’enceintes chauffées à volume constant. De très nombreux modèles d’imprimante 3D avec enceinte chauffé existent sur le marché qui présentent tous la même configuration soit : un volume d’enceinte constant, avec une limite de température maximale de l’enceinte restreinte (inférieure à 200°C et souvent inférieur à 100°C) par l’architecture des axes mobiles, la nature des matériaux dans l’enceinte ou la capacité thermique de l’imprimante 3D. Le maintien de la température d’enceinte au dessus de 150°C pose des problèmes de tenue des composants et de déformations par dilatation thermique. L’invention ici présentée a pour but de résoudre ces problèmes et de permettre d’atteindre des températures à l’intérieur de l’enceinte supérieure à 300°C, avec de plus un faible coût de réalisation de la fonction et une économie d’énergie et de temps lors de l’utilisation de cette enceinte a volume variable. Le dispositif selon l’invention destiné à faire varier le volume de l’enceinte chauffée d’une imprimante 3D , comprenant un châssis (1), un chariot mobile sur l’axe X (10), des soufflets accordéon ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur X (11), des parois isolantes sur X (12), un chariot mobile sur l’axe Y (20), des soufflets accordéons ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur Y (21), des parois isolantes sur Y (22), un plateau de fabrication (23), un chariot mobile sur l’axe Z (30), une enceinte télescopique (31), une pièce à fabriquer (40), une source de chaleur (50), une enceinte fermée à température non régulée (51), une enceinte chauffée à volume variable (52), l’extrudeur ou les extrudeurs de matière (6). Le fonctionnement du dispositif est le suivant : Sur le châssis (1) est fixé la base fixe du chariot mobile sur l’axe Z (30). Ce chariot mobile sur l’axe Z (30) supporte le chariot mobile sur l’axe Y (20), les soufflets accordéons ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur Y (21), les parois isolantes sur Y (22), le plateau de fabrication (23), la pièce à fabriquer (40), et modifie la longueur de l’enceinte télescopique (31) dans son mouvement. Les soufflets accordéons ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur Y (21) assurent la fermeture du volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52) lors du déplacement du chariot mobile sur l’axe Y (20). La partie inférieure de l’enceinte télescopique (31) repose sur les parois isolantes sur Y (22). La partie supérieure de l’enceinte télescopique (31) est fixée sur les parois isolantes sur X (12). La base fixe du chariot mobile sur l’axe X (10) est liée au châssis (1). Les soufflets accordéon ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur X (11), assurent la fermeture du volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52) lors du déplacement du chariot mobile sur l’axe X (10). Le chariot mobile sur l’axe X (10) porte l’extrudeur ou les extrudeurs de matière (6). La fonction des chariots mobiles, chariot mobile sur l’axe X (10) et chariot mobile sur l’axe Y (20), ainsi que de leur soufflets ou système de panneaux coulissants respectifs, soufflets accordéon ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur X (11), et soufflets accordéon ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur Y (21), montés respectivement sur les parois isolantes sur X (12) et les parois isolantes sur Y (22), cette fonction est de permettre le déplacement relatif en X et Y de l’extrudeur ou des extrudeurs de matière (6) tout en conservant le volume, de l’enceinte chauffée à volume variable (52), fermé afin d’une part de permettre le maintien en température du volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52) et d’autre part d’éviter une augmentation trop importante de la température de l’enceinte fermée à température non régulée (51). La source de chaleur (50), permet de chauffer l’enceinte chauffée à volume variable (52) à haute température. Lors de la fabrication additive de la pièce à fabriquer (40), l’extrudeur ou les extrudeurs de matière (6) va déposer la matière par couches successives sur le plateau de fabrication (23). Ce plateau de fabrication (23) est mobile suivant Y car lié au chariot mobile sur l’axe Y (20), l’extrudeur ou les extrudeurs de matière (6) est mobile suivant X car lié au chariot mobile sur l’axe X (10), ainsi la « tranche » ou section de la pièce à fabriquer (40) est déposée sur le plateau de fabrication (23) par l’extrudeur ou les extrudeurs de matière (6). Afin de fabriquer la tranche suivante le chariot mobile sur l’axe Z (30) va se déplacer de l’épaisseur d’une tranche, lors de ce déplacement la longueur de l’enceinte télescopique (31) va augmenter et entrainant l’augmentation du volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52), afin de conserver la température d’enceinte requise la source de chaleur (50) apportera la quantité de chaleur nécessaire. Ainsi à chaque nouvelle « couche » fabriquée le volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52) augmente et la quantité de chaleur de la source de chaleur (50) est adaptée pour conserver la température requise. En fin de fabrication de la pièce à fabriquer (40), il est possible de relever la partie inférieure de l’enceinte télescopique (31) pour extraire la pièce à fabriquer (40). Les mouvements d’air ou de gaz induit par le changement de volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52) et induit par sa variation de température, se font via le volume de l’enceinte fermée à température non régulée (51) ou directement à l’extérieur du châssis (1). Malgré une forte différence de température entre la température du volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52) et la température du volume de l’enceinte fermée à température non régulée (51), qui peut être supérieure à 300°C, l’enceinte télescopique (31) doit toujours conserver sa fonction télescopique. Selon des modes particuliers de réalisation : L’enceinte télescopique (31) n’est pas obligatoirement étanche à l’air mais peut l’être afin de limiter les pertes caloriques, en prenant en compte le besoin circulation d’air ou de gaz due à la variation du volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52). La section de l’enceinte télescopique (31) peut être de forme rectangulaire, carrée, circulaire ou quelconque, tant qu’elle est télescopique. La matière de l’enceinte télescopique (31) peut être métallique, plastique ou quelconque, tant que cette matière permet à l’enceinte télescopique (31) d’être télescopique et ce malgré la contrainte thermique de l’enceinte chauffée à volume variable (52) imposée par la source de chaleur (50). Le mouvement de l’enceinte télescopique (31) est assuré par gravité par le mouvement du chariot mobile sur l’axe Z (30). Ce mouvement peut également être réalisé par un moteur ou tout autre moyen d’entraînement, par exemple, si l’enceinte télescopique (31) est orientée suivant un autre axe que celui de la gravité. La source de chaleur (50), permet de chauffer l’enceinte chauffée à volume variable (52) à haute température. La source de chaleur (50), peut être à l’intérieur ou à l’extérieur du volume variable (52). La source de chaleur (50), peut agir par convection, conduction, ou radiation ou toutes combinaisons des ces modes de transfert ce chaleur. Les dessins annexés illustrent l’invention. représente une vue de face présentant l’ensemble en position Z intermédiaire et détaillant le chariot de l’axe X. représente une vue de gauche présentant l’ensemble en position Z intermédiaire et détaillant le chariot de l’axe Y. représente une vue de face présentant l’ensemble en position Z extrême et détaillant le chariot de l’axe X. Le dispositif d’enceinte chauffée à volume variable est composé d’un châssis (1), d’un chariot mobile sur l’axe X (10), de soufflets accordéon ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur X (11), de parois isolantes sur X (12), d’un chariot mobile sur l’axe Y (20), de soufflets accordéons ou un système de panneaux coulissants ou autre système sur Y (21), de parois isolantes sur Y (22), d’un plateau de fabrication (23), d’un chariot mobile sur l’axe Z (30), d’une enceinte télescopique (31), de pièce à fabriquer (40), de source de chaleur (50), d’une enceinte fermée à température non régulée (51), d’une enceinte chauffée à volume variable (52), de l’extrudeur ou des extrudeurs de matière (6). Dans un version non détaillée ici, plusieurs dimensions et positions des axes X, Y et Z permettent de réaliser le dispositif. La caractéristique variable du volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52) étant l’objet du brevet et non l’architecture des l’imprimante 3D. A titre d’exemple non limitatif, les dimensions de l’enceinte chauffée à volume variable (52) sont de l’ordre de 350mm x 350mm x 300mm. Le dispositif selon l’invention est particulièrement destiné à l’impression 3D, toutefois la nature variable du volume chauffé de l’enceinte chauffée à volume variable (52) peut s’appliquer à d’autre domaine. Les applications industrielles potentielles de l’invention sont principalement l’impression 3D; ses possibilités d’exploitation peuvent être dans tout type d’industries y compris dans le milieu de l’agriculture (pousse de végétaux, élevage) ou dans le milieu médical (culture biologique). Dispositif d’enceinte chauffée à volume variable, composé d’un châssis (1), d’un chariot mobile sur l’axe X (10), de soufflets accordéon ou un système de panneaux coulissants sur X (11), de parois isolantes sur X (12), d’un chariot mobile sur l’axe Y (20), de soufflets accordéons ou un système de panneaux coulissants sur Y (21), de parois isolantes sur Y (22), d’un plateau de fabrication (23), d’un chariot mobile sur l’axe Z (30), d’une enceinte télescopique (31), de pièce à fabriquer (40), de source de chaleur (50), d’une enceinte fermée à température non régulée (51), d’une enceinte chauffée à volume variable (52), d’extrudeur ou des extrudeurs de matière (6), caractérisé en ce que le volume de l’enceinte chauffée à volume variable (52) varie en fonction du déplacement sur l’axe Z du chariot mobile sur l’axe Z (30). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement de l’enceinte télescopique (31) est assuré par gravité par le mouvement du chariot mobile sur l’axe Z (30). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de chaleur (50), peut être à l’intérieur ou à l’extérieur du volume variable (52). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de chaleur (50), peut agir par convection, conduction, ou radiation ou toutes combinaison des ces modes de transfert ce chaleur. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les composants des axes mobiles X,Y et Z sont à l’extérieur de l’enceinte chauffée à volume variable (52), tout en permettant les déplacement relatifs de l’extrudeur ou des extrudeurs de matière (6) afin de fabriquer la pièce à fabriquer (40) Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’enceinte télescopique (31) est étanche à l’air afin de limiter les pertes caloriques. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de l’enceinte télescopique (31) peut être de forme rectangulaire, carrée, circulaire ou quelconque, tant qu’elle est télescopique.