Brevet FR3105068A1 — publié le 20210625

La présente invention propose une tête d’impression pour impression 3D sur une surface de dépôt à l’aide d’un filament en PVC, une imprimante 3D pour impression d’un objet en PVC, et un procédé d’impression 3D en PVC. La tête d’impression comprend un corps froid alimenté avec le filament PVC à l’état solide, prévu pour transmettre le filament PVC, encore à l’état solide, à un corps chaud avec une face inférieure terminée par une buse avec un orifice de sortie pour la sortie du PVC sous forme d’extrudât. La buse de dépose et le corps chaud sont monobloc. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Tête d’impression 3D, une imprimante 3D et un procédé d’impression 3D pour impression3D en PVC La présente invention concerne le domaine de l’impression 3D. Plus particulièrement, la présente invention concerne une tête d’impression 3D pour impression 3D en PVC, une imprimante 3Dpour impression 3D en PVC et un procédé d’impression 3D avec du PVC. Art antérieur La fabrication additive de pièces en polymères thermoplastiques a été développée sous différentes formes. Par exemple, la technique communément appelée Impression 3D ou encore FDM (Filament Deposition Modeling), consiste à déposer en continu, par une buse d’impression 3D, un filament de matière fondue sur un parcours constituant graduellement, couche après couche, un objet en 3 dimensions. Les couches adjacentes sont soudées les unes aux autres en particulier par la chaleur du filament fondu, qui fournit par conduction la chaleur nécessaire au réchauffement de la couche précédente, provocant la soudure des deux parties. L’alimentation en matière première de la buse se fait par un mécanisme d’entraînement du filament qui pilote la progression du filament solide et froid à travers la buse chaude où se produit la fusion, en avançant ou retirant le filament selon des déplacements très précis, pour obtenir au niveau de l’orifice, soit la dépose d’un certain volume, soit un retrait de décompression appelé « rétractation ». Toutefois, ce procédé s’applique à des matières premières présentant une fluidité élevée et un bon pouvoir d’adhérence à l’état fondu, ainsi qu’une stabilité thermique qui garantit le maintien des caractéristiques physiques et chimiques lors des étapes de transformation, en particulier lors de la fusion et solidification du filament lors de l’impression. Ainsi, les matériaux polymères utilisés jusqu’à ce jour pour la fabrication additive dite « Impression 3D » sont choisis, entre autres, pour leurs caractéristiques de fluidité à l’état fondu, d’adhérence entre les couches successives, et de résistance mécanique à l’état solide. Par exemple, l’ABS est communément employé en impression 3D. Le PVC rigide en général, et en particulier celui employé pour les tubes et les raccords destinés au bâtiment, ne répond pas à ces caractéristiques et n’est pas utilisé à ce jour en fabrication additive. En effet, le PVC est un matériau très visqueux à l’état fondu, contrairement au matériau classique fluide, tel que l’ABS, et il a une transition sur une plage de température resserrée entre les états solide et mou. Le gradient de viscosité du PVC rend le filament déformable avant qu’il ne soit suffisamment plastifié pour la dépose. Il s’en suit un risque important de bourrage de la buse d’impression. Une quantité de matière partiellement plastifiée engendre également une perte de précision de ce pilotage. Dans une imprimante 3D, le chauffage de la matière se fait par le contact avec les parois de la buse. Le PVC a notoirement tendance à créer un dépôt résiduel sur les surfaces chaudes, ce qui constitue un phénomène d’encrassement bien connu en extrusion classique de PVC. Ce dépôt se carbonise dans un délai relativement court, et se détache par écailles sous forme d’inclusions solides noires. Le diamètre des buses du marché, de l’ordre de quelques dixièmes de millimètres au niveau de l’orifice de sortie, ne permet pas d’évacuer ces particules solides sans perturbation importante du flux. Ainsi, le matériel disponible sur le marché n’est pas utilisable à la transformation du PVC, et il n’existe pas à ce jour de matériel ou procédé d’impression 3D à base de PVC. Un objet de la présente invention est une tête d’impression, un dispositif et un procédé d’impression 3D en utilisant du PVC. Ainsi, la présente invention propose une tête d’impression 3D, une imprimante 3D avec une telle tête d’impression et un procédé d’impression 3D. Selon l’invention, la tête d’impression pour impression 3D sur une surface de dépôt à l’aide d’un filament en PVC, comprenant un corps froid alimenté avec le filament PVC à l’état solide, prévu pour transmettre le filament PVC, encore à l’état solide, à un corps chaud avec une face inférieure terminée par une buse avec un orifice de sortie pour la sortie du PVC sous forme d’extrudât. La buse de dépose et le corps chaud sont monobloc. Ainsi la présente invention propose une conception monobloc de la buse et du corps chaud. Ceci permet d’obtenir une viscosité décroissante au sein du flux matière, jusqu’à l’optimum au point de dépose, notamment par un contrôle de la température de la matière à l’orifice. La conduction est améliorée entre la résistance de chauffe et l’extrémité de la buse. Selon un mode de réalisation, le corps chaud comprend un élément chauffant de sortie, monté sur ou autour de la face inférieure du corps chaud, de préférence l’élément chauffant de sortie est choisi parmi une résistance montée dans le corps chaud, une résistance annulaire rapportée ou incrustée dans la face inférieure du corps chaud, ou une source de jet d’air chaud, prévue pour diriger un jet d’air chaud sur la face inférieure du corps chaud et/ou la surface d’impression. Un dispositif d’isolation peut être prévu pour isoler le corps chaud, le dispositif d’isolation entourant le corps chaud à l’exception de la face inférieure du corps chaud qui est exempte d’´élément d’isolation thermique. Ainsi prévoir un élément chauffant implanté sous la face inférieure du corps chaud permet, par rayonnement direct en direction de l’objet en cours d’impression, de préchauffer la couche inférieure qui viendra se déposer sur l’objet en cours d’impression au moment de la dépose de l’extrudât, et de préchauffer la dernière couche de l’objet en cours d’impression sur laquelle vient se déposer l’extrudât. Prévoir une préchauffe de la dernière couche déposée de l’objet en cours d’impression et/ou ainsi de l’extrudât en sortie de buse permet de ramollir la matière et favorise ainsi l’adhésion de la nouvelle couche sur la dernière couche déposée. Cette caractéristique permet une impression à l’aide de PVC qui a la particularité de figer très rapidement une fois déposé. Selon un aspect de l’invention, le corps chaud et la buse monobloc sont réalisés en matériau inoxydable, de préférence en acier inoxydable, ou ont un revêtement inoxydable. Le matériau inoxydable peut être choisi parmi le bronze au béryllium, un chrome ou nickel, un acier standard avec un traitement de surface. En utilisant une buse en matériau inoxydable, on permet d’augmenter la longévité de la buse. En effet, la viscosité élevée du PVC à l’état fondu engendre une pression en buse élevée, qui, associée au caractère corrosif, de la résine provoque une usure mécanique rapide de la buse. Ainsi les buses de l’art antérieur sont en matériau cuivreux, bronze ou laiton, choisi pour bien diffuser la chaleur pour obtenir le point de fusion, mais de telles buses mais n’offre pas une dureté suffisante pour garantir la longévité du système. Les paramètres d’impression se trouvent rapidement modifiés, au point de rendre la production hasardeuse. Par ailleurs, pour une buse en alliage cuivreux, le composé cuivre agit comme un catalyseur de décomposition chimique de la matrice vinylique, qui provoque un dégagement chloré, lui-même facteur de dégradation en chaîne. Ainsi prévoir une buse en matériaux inoxydables ou avec un revêtement inoxydable permet d’adapter le dispositif aux spécificités du matériau PVC, spécificités non prises en compte par les buses de l’art antérieur. Le chrome ou nickel en traitement de surface sur un acier standard peuvent être envisagés. Autrement, le bronze béryllium est intéressant pour ses propriétés de conduction thermique adapté pour l’extrusion de PVC. Le corps froid peut être emboité dans le corps chaud, le corps froid comprenant une partie d’assemblage faisant saillie de la face inférieure du corps froid et qui est emboîtée dans un alésage du corps chaud. Le corps froid, emboité dans le corps chaud, est centré par deux surfaces cylindriques de très faible aire totale, maintenu en position par une vis de pression latérale. Un tel assemblage entre le corps chaud et le corps froid permet de réduire l’échange thermique entre les deux éléments. De plus, ce montage autorise un jeu fonctionnel plus grand qu’un ajustement serré. Selon un mode de réalisation, un puits s’étend du corps froid au corps chaud, le puits comprenant un guide tubulaire, de préférence en matière PTFE pour isoler thermiquement le corps froid du corps chaud. Ceci permet de réduire la longueur de fil soumise à la température, et d’éviter le collage et le dépôt de résidus de PVC sur la surface chaude, grâce au guide tubulaire en matière PTFE. Le corps froid peut comporte un radiateur avec des ailettes, dans lequel, afin d’augmenter la surface d’échange thermique des ailettes, les ailettes sont réalisées par une technique additive, soit de dépôt filaire, soit de frittage laser. La présente invention propose également une imprimante 3D pour impression 3D en PVC comprenant une tête d’impression telle que décrite. La présente invention propose aussi un procédé d’impression 3D en PVC pour imprimer un objet en PVC avec une imprimante ou une tête d’impression telles que décrites. Le procédé comprend les étapes suivantes : Alimenter un corps froid, relié à un mécanisme d’entrainement, avec un filament PVC, faire passer le filament PVC, encore à l’état solide, dans un corps chaud terminé par une buse de sortie avec un orifice de sortie, pour chauffer le filament PVC et obtenir un extrudât en sortie de buse, déposer l’extrudât sur une surface de dépôt, couche par couche, pour obtenir l’objet à imprimer. Le procédé comprend le préchauffage, en sortie, de la surface de dépôt à l’aide d’un élément chauffant de sortie choisi parmi une résistance montée dans le corps chaud, une résistance annulaire rapportée ou incrustée dans la face inférieure du corps chaud, ou une source de jet d’air chaud, prévue pour diriger un jet d’air chaud sur la face inférieure du corps chaud et/ou la surface de dépôt. Le préchauffage de la dernière couche déposée de l’objet en cours d’impression et/ou ainsi de l’extrudât en sortie de buse permet de ramollir le PVC en sortie qui autrement a la particularité de figer très rapidement une fois déposé. Ceci favorise l’adhésion de la nouvelle couche sur la dernière couche déposée. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif, parmi lesquels : illustre une tête impression 3D selon un mode de réalisation de l'invention, illustre une vue de la tête impression 3D de la Fig.1, illustre une vue de la tête impression 3D de la Fig.1 selon un mode de réalisation de l'invention, une vue éclatée de la tête d’impression de la figure 1, selon un mode de réalisation de l'invention, est une autre vue d’une tête d’impression selon un mode de réalisation de l'invention, est une vue illustrant un procédé d’impression 3D selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée Sur les dessins, des éléments identiques ou similaires sont indiqués avec des numéros de référence identiques ou similaires. Les figures 1 à 5 montrent une tête d’impression 3D pour une imprimante 3D à l’aide de filaments de PVC. La tête d’impression 1 comprend un corps froid 30 alimenté avec un filament PVC à l’état solide, prévu pour transmettre le filament PVC, encore à l’état solide, à un corps chaud 10 avec une face inférieure 12 terminée par une buse 20 avec un orifice de sortie pour la sortie du PVC sous forme d’extrudât fondu. La buse 20 est de forme conique, orientée vers le bas, autour d’un axe de buse X. La buse 20 est au contact de l’objet à produire, et permet de calibrer le diamètre de l’extrudât de PVC en sortie de tête d’impression. Contrairement aux têtes d’impression de l’art antérieur, le corps chaud 10 et la buse 20 selon la présente invention sont monobloc. Ainsi, alors que dans l’art antérieur, la buse est vissée en partie inférieure du corps chaud et est ainsi chauffée par contact avec le corps chaud, c’est-à-dire par l’intermédiaire du filetage et de la face d’appui en extrémité du filetage, dans la présente invention le corps chaud et la buse sont monoblocs. Ceci permet d’avoir un une plus grande précision sur le contrôle de la température de la matière au niveau de l’orifice de sortie, et évite ainsi de surchauffer le corps chaud afin d’obtenir à l’orifice un extrudât à température idéale. Le corps chaud 10 et la buse 20, monobloc, sont réalisés en matériau inoxydable, de préférence en acier inoxydable du même type que ceux utilisés dans l’industrie pour les outillages et les équipements spécifiques à la transformation du PVC, ou sont munis d’un revêtement de surface inoxydable. De plus, la buse 20 selon la présente invention est adaptée pour réduire le dépôt de résidus dans la buse, et le brûlage par rétention de matière, qui peuvent avoir lieu avec de la matière PVC. Ainsi, la buse est exemple de changement de section brusques et présente des formes internes de la buse offrant des changements de sections selon des angles adaptés à la rhéologie du PVC, inférieurs à 50°. Le corps chaud 10 est prévu pour le chauffage de la buse 20. Ainsi, le corps chaud 10 comprend un élément chauffant 15 et d’un thermocouple de contrôle. Par exemple, le corps chaud 10 est muni d’une résistance cylindrique en tant qu’élément chauffant. Afin de répartir la puissance de chauffe dans le corps chaud, on peut prévoir que le premier élément chauffant 15 soit symétrique dans le corps chaud, et/ou on peut aussi prévoir un deuxième élément chauffant dans le corps chaud 10, tel une deuxième résistance montée dans le corps chaud 10, de préférence en symétrie par rapport à l’axe de buse X. De préférence, le ou les éléments chauffants peut éventuellement être constitué d’une source chaude et d’un « caloduc » destiné répartir les calories selon un flux particulier. Selon un aspect de la présente invention, un élément chauffant de sortie 16 est prévu, dans le corps chaud 10 et/ou sur la surface inférieure 12 du corps chaud. L’élément chauffant de sortie 14 peut être rapporté sur la surface inférieure ou incrustée dans la surface inférieure. Dans le mode de réalisation représenté l’élément chauffant de sortie 16 est une résistance de sortie, rapportée dans la face inférieure 12 du corps chaud. L’élément chauffant de sortie est de préférence annulaire, et symétrique autour de l’axe de la buse. Un tel élément chauffant sur la face inférieure du corps chaud permet avantageusement de diffuser de façon homogène les calories dans le corps chaud, tout en éloignant la résistance source chaude du corps froid. L’homme du métier comprend également qu’un élément chauffant implanté sous la face inférieure du corps chaud permet, par rayonnement direct en direction de l’objet en cours d’impression, de préchauffer la couche inférieure qui viendra se déposer sur l’objet en cours d’impression au moment de la dépose de l’extrudât, et de préchauffer la dernière couche de l’objet en cours d’impression sur laquelle vient se déposer l’extrudât. Dans un autre mode de réalisation, l’élément chauffant de sortie est un jet d’air chaud extérieur, qui peut assurer le préchauffage de la surface de l’objet au moment de la dépose de filament de PVC fondu, en traversant le corps chaud pour déboucher au voisinage de l’orifice de dépose. Le jet d’air chaud est de préférence adapté pour diriger le jet d’air chaud dans une disposition annulaire autour du corps, pour une répartition homogène du préchauffage. Ainsi, lors de l’impression 3D, on préchauffe en sortie de la surface de dépôt, le préchauffage étant obtenu par rayonnement de l’élément chauffant de sortie choisi parmi une résistance montée dans le corps chaud, une résistance annulaire rapportée ou incrustée dans la face inférieure du corps chaud, ou une source de jet d’air chaud, prévue pour diriger un jet d’air chaud sur la face inférieure du corps chaud et/ou la surface de dépôt. En effet, le PVC a la particularité de figer très rapidement une fois déposé. Prévoir une préchauffe de la dernière couche déposée de l’objet en cours d’impression et/ou ainsi de l’extrudât en sortie de buse permet de ramollir la matière et favorise ainsi l’adhésion de la nouvelle couche sur la dernière couche déposée. Une jupe d’isolation 18 est prévue pour isoler le corps chaud. Ainsi, la jupe d’isolation enveloppe le corps chaud, à l’exception de la face inférieure 12 qui est libre d’élément isolant pour permettre le préchauffage de la surface de l’objet à l’aide de l’élément chauffant de sortie. La jupe d’isolation 18 recouvre ainsi la face supérieure 14 du corps chaud, isolant le corps chaud du corps froid avec lequel il est assemblé, et les faces latérales du corps chaud. Le corps froid 30 est prévu pour relier le corps chaud 10 avec un mécanisme d’entraînement (non représenté). Le corps froid 30 a pour fonction d’empêcher la diffusion de chaleur vers le mécanisme d’entraînement, et de conserver le filament de PVC à l’état solide. Le corps froid 30 comporte un radiateur 32 avec des ailettes 34 évacuant les calories dans le flux d’air de ventilation. Dans le mode de réalisation représenté, afin d’augmenter la surface d’échange thermique des ailettes et augmenter ainsi la diffusion de calories par le radiateur, les ailettes 34 sont réalisées par une technique additive, soit de dépôt filaire, soit de frittage laser, techniques permettant de créer un réseau d’échange de calories plus efficace que de simples ailettes planes des radiateurs de l’art antérieur. Ce réseau est pensé pour être soumis à un flux de refroidissement par air, ou par tout fluide caloporteur. Le corps chaud 10 et le corps froid 30 sont assemblés de manière à réduire l’échange thermique entre eux. Pour ce faire, le corps froid 30 comprend une partie d’assemblage 33 faisant saillie de la face inférieure du corps froid 30, qui est emboîtée dans un alésage 19 du corps chaud. De préférence, le radiateur 32, emboité dans le corps chaud, est centré par deux surfaces cylindriques de très faible aire totale, maintenu en position par une vis de pression latérale. Ce montage autorise un jeu fonctionnel plus grand qu’un ajustement serré. Dans l’exemple illustré, un puits 40 s’étendant du corps froid au corps chaud est prévu pour le passage du filament PVC, ce qui permet avantageusement de réduire la longueur de fil soumise à la température. Le puits 40 comprend un guide tubulaire 42, qui permet d’éviter le collage et le dépôt de résidus de PVC sur la surface chaude du corps chaud 10. Le guide tubulaire 42 peut être avantageusement en matière PTFE (Polytétrafluorethylène), choisi pour sa résistance thermique et chimique, ainsi qu'un coefficient de frottement extrêmement faible. Cette invention n’est pas limitée à l’exemple de réalisation décrit ci-dessus mais elle en englobe toutes les variantes. En particulier une caractéristique illustrée et/ou décrite en combinaison avec d’autre caractéristiques peut être prévu indépendamment ou en combinaison avec d’autre caractéristiques illustrées indépendamment ou en combinaison avec d’autre caractéristiques et ce respectivement indépendamment ou en combinaison arbitraire. Tête d’impression (1) pour impression 3D sur une surface de dépôt à l’aide d’un filament en PVC, comprenant un corps froid (30) alimenté avec le filament PVC à l’état solide, prévu pour transmettre le filament PVC, encore à l’état solide, à un corps chaud (10) avec une face inférieure (12) terminée par une buse de dépose (20) avec un orifice de sortie pour la sortie du PVC sous forme d’extrudât, caractérisée en ce que la buse de dépose (20) et le corps chaud (10) sont monobloc. Tête d’impression selon la revendication 1, dans laquelle le corps chaud (10) comprend un élément chauffant de sortie (16), monté sur ou autour de la face inférieure (12) du corps chaud, de préférence l’élément chauffant de sortie est choisi parmi une résistance montée dans le corps chaud, une résistance annulaire rapportée ou incrustée dans la face inférieure du corps chaud, ou une source de jet d’air chaud, prévue pour diriger un jet d’air chaud sur la face inférieure du corps chaud et/ou la surface d’impression. Tête d’impression selon la revendication 1 ou 2, comprenant un dispositif d’isolation (18) pour isoler le corps chaud, le dispositif d’isolation entourant le corps chaud à l’exception de la face inférieure (12) du corps chaud qui est exempte d’´élément d’isolation thermique. Tête d’impression selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le corps chaud et la buse monobloc sont réalisés en matériau inoxydable, de préférence en acier inoxydable, ou ont un revêtement inoxydable. Tête d’impression selon la revendication 4, dans lequel le matériau inoxydable est choisi parmi le bronze au béryllium, un acier standard avec un traitement de surface, par exemple un traitement de surface chrome ou nickel. Tête d’impression selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le corps froid (30) est emboité dans le corps chaud (10), le corps froid comprenant une partie d’assemblage (33) faisant saillie de la face inférieure du corps froid et qui est emboîtée dans un alésage (19) du corps chaud. Tête d’impression selon la revendication 6, dans laquelle le corps froid, emboité dans le corps chaud, est centré par deux surfaces cylindriques de très faible aire totale, maintenu en position par une vis de pression latérale. Tête d’impression selon la revendication précédente, dans laquelle un puits (40) s’étend du corps froid au corps chaud, le puits (40) comprenant un guide tubulaire (42), de préférence en matière PTFE pour isoler thermiquement le corps froid du corps chaud. Tête d’impression selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps froid (30) comporte un radiateur (32) avec des ailettes (34), dans lequel, afin d’augmenter la surface d’échange thermique des ailettes, les ailettes (34) sont réalisées par une technique additive, soit de dépôt filaire, soit de frittage laser. Imprimante 3D pour impression 3D en PVC comprenant une tête d’impression selon l’une quelconque des revendications précédentes. Procédé d’impression 3D en PVC pour imprimer un objet en PVC avec une imprimante selon la revendication 10 ou une tête d’impression selon l’une des revendications 1 à 9 comprenant Alimenter un corps froid, relié à un mécanisme d’entrainement, avec un filament PVC, Faire passer le filament PVC, encore à l’état solide, dans un corps chaud terminé par une buse de sortie avec un orifice de sortie, pour chauffer le filament PVC et obtenir un extrudât en sortie de buse, Déposer l’extrudât sur une surface de dépôt, couche par couche, pour obtenir l’objet à imprimer, Dans lequel le procédé comprend le préchauffage, en sortie, de la surface de dépôt à l’aide d’un élément chauffant de sortie choisi parmi une résistance montée dans le corps chaud, une résistance annulaire rapportée ou incrustée dans la face inférieure du corps chaud, ou une source de jet d’air chaud, prévue pour diriger un jet d’air chaud sur la face inférieure du corps chaud et/ou la surface de dépôt.