Brevet FR3130170A1 — publié le 20230616

L’invention concerne un filtre métallique (1) comprenant une architecture (2) microstructurée définie dans un espace tridimensionnel présentant des axes orthogonaux (X, Y, Z), l’architecture (2) microstructurée comprenant un réseau métallique (10) formé d’une pluralité de brins (12) de liaison longitudinaux à savoir s’étendant selon une direction d’axe longitudinal (X), et un réseau (20) de pores (24) comprenant une pluralité d’interstices (22) longitudinaux correspondant à des sous-ensembles de pores (24) du réseau (20) de pores localisés le long de brins (12) de liaison, les interstices (22) longitudinaux définissant un axe d’anisotropie de l’architecture microstructurée. Figure pour l’abrégé : [Fig. 2] FILTRE MÉTALLIQUE À ARCHITECTURE MICROSTRUCTURÉE DE POROSITÉ CONTRÔLÉE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UN TEL FILTRE Domaine technique de l’invention L’invention se rapporte aux filtres métalliques à architecture microstructurée. Une architecture est dite microstructurée dans la mesure où les principaux éléments formant ladite architecture présentent des dimensions micrométriques, c’est-à-dire des dimensions inférieures à 1000 µm, dans au moins deux dimensions de l’espace. De tels filtres métalliques permettent classiquement de filtrer un fluide, liquide ou gazeux, tout en étant suffisamment perméables pour laisser circuler au moins une partie dudit fluide. L’invention concerne également les procédés de fabrication de filtres métalliques à architecture microstructurée. L’invention trouve son application dans les systèmes nécessitant la filtration d’un fluide. À titre d’exemple, l’invention peut être utilisée dans un système de filtration sanitaire tel un filtre sanitaire ou encore un masque sanitaire. À titre d’exemple, l’invention peut également être utilisée dans des plaques de diffusion gazeuse. L’invention peut également être utilisée dans des systèmes de dépollution de l’air ou encore des systèmes de filtration de déchets radioactifs. Arrière-plan technique Depuis la propagation de la COVID-19, les masques sanitaires, chirurgicaux ou répondants aux normes FFP1 ou FFP2, sont devenus des produits de consommation courante pour des milliards de personnes à travers le monde. Ces masques étant intrinsèquement éphémères et non-réutilisables, ils représentent actuellement une grande source de déchets potentiellement souillés. Le lavage des masques chirurgicaux n’est pas recommandé par les autorités sanitaires en raison de la perte d’efficacité qui se produit lorsque l’humidité s’y dépose au cours de son utilisation. En outre, même si on envisageait de laver ce type de masques, cela générerait d’autres inconvénients sur le plan environnemental comme ceci ressort de l’analyse des eaux usées par exemple menée dans la ville de Paris. Celle-ci a mis en évidence la présence de traces de la COVID-19 dans ces eaux. Ainsi, le problème serait déplacé puisqu’il consisterait à gérer les conséquences environnementales du lavage de millions de masques chirurgicaux. Une option possible pour répondre à ces problématiques consiste à utiliser des masques sanitaires ayant une plus longue durée d’utilisation. À cet égard, on connait déjà les filtres métalliques fabriqués par frittage de poudre. Toutefois, outre la complexité des procédés de frittage, ils sont également très onéreux. En outre, les filtres métalliques ainsi obtenus ne sont réalisables que dans des formes limitées et ont une porosité hétérogène. Du fait de cette porosité hétérogène, il est plus difficile d’obtenir une faible perte de charge, i.e. une faible limitation de la vitesse avec laquelle le fluide traverse le filtre, et à la fois une filtration efficace. Si l’on considère une filtration maximale des particules de petite taille, c’est-à-dire une filtration de grade 0.1 dans laquelle plus de 99% des particules de taille supérieure 100 nm sont filtrées, alors la perte de charge est élevée. Un compromis doit donc être trouvé. On a également proposé des filtres de porosité homogène à architecture microstructurée fabriqués par impression 3D ( ). Cependant, de tels filtres ne permettent pas de répondre complètement à la problématique liée à la perte de charge lorsque l’efficacité de la filtration augmente. En effet, s’il est plus simple de trouver un compromis entre la perte de charge et l’efficacité de la filtration, la perte de charge reste néanmoins élevée. Résumé de l’invention L’invention permet de surmonter les inconvénients précités et propose à cet effet un filtre métallique comprenant une architecture microstructurée définie dans un espace tridimensionnel présentant des axes orthogonaux X, Y, Z, l’architecture microstructurée comprenant un réseau métallique formé d’une pluralité de brins de liaison longitudinaux à savoir s’étendant selon une direction d’axe longitudinal (axe X), et un réseau de pores comprenant une pluralité d’interstices longitudinaux correspondant à des sous-ensembles de pores du réseau de pores localisés le long de brins de liaison, les interstices longitudinaux définissant un axe d’anisotropie de l’architecture microstructurée. Ainsi, en pratique, au sein du réseau de pores, les pores 24 sont distribués de sorte qu’une anisotropie de l’architecture microstructurée soit obtenue dans la direction d’axe longitudinal X, au regard des deux autres directions Y, Z. Les pores d’un interstice donné sont généralement parallèles aux pores d’un autre interstice et ainsi de suite pour l’ensemble des interstices. Les interstices du réseau de pores sont donc généralement parallèles les uns aux autres. La porosité est donc contrôlée au sein de l’architecture microstructurée. Le filtre métallique selon l’invention permet ainsi d’avoir une faible perte de charge tout en ayant une efficacité de filtration élevée. Selon différentes caractéristiques de l’invention qui pourront être prises ensemble ou séparément : - les pores présentent sensiblement la même taille ; - la porosité est comprise entre 10% et 70% ; - les brins de liaison présentent une largeur comprise entre 10 µm et 500 µm, et les interstices longitudinaux présentent une largeur comprise entre 1 µm et 100 µm ; - le filtre métallique présente une épaisseur définie selon l’axe longitudinal comprise entre 250 µm et 300 mm ; - le réseau métallique est fait d’un métal choisi parmi l’aluminium, le nickel, le cobalt, le fer, le cuivre, le palladium, le titane, le tungstène, l’argent ou le platine, ou d’un alliage de matériaux comme de l’acier inoxydable, un alliage métallique ou un oxyde métallique ; - le filtre métallique comprend en outre deux faces principales opposées délimitant l’architecture microstructurée, lesdites faces longitudinales étant respectivement recouvertes d’une couche mince virucide ou bactéricide. L’invention concerne aussi une pièce fonctionnelle comprenant un filtre métallique selon l’invention et une bordure périphérique de porosité nulle entourant l’architecture microstructurée du filtre métallique. L’invention concerne en outre un procédé de fabrication additive d’un filtre métallique tel que décrit précédemment, ledit procédé de fabrication additive comprenant les étapes suivantes : - déposer une couche de poudre métallique d’un matériau donné ou d’un alliage de matériaux sur un support, ladite couche de poudre métallique présentant une épaisseur comprise entre 1 µm et 200 µm ; - effectuer une fusion localisée par laser des grains métalliques de la poudre, à une température supérieure à la température de fusion du matériau ou de l’alliage de matériaux formant ladite poudre métallique déposée lors de l’étape de dépôt de la couche de poudre métallique et exécuter un programme d’ordinateur de sorte à créer un motif prédéterminé de l’architecture microstructurée. Le procédé selon l’invention pourra comprendre l’une au moins des étapes suivantes, prise seul ou combinaison : - le support est chauffé à une température strictement supérieure à la température ambiante et inférieure ou égale à 250°C ; - le support est chauffé à une température comprise entre 180°C et 220°C, avantageusement entre 190°C et 210°C ; - une densité d’énergie volumique du faisceau laser durant l’étape de fusion localisée par laser correspond de 30% à 90% de la valeur de la densité d’énergie volumique du faisceau laser nécessaire à former un bloc non poreux à partir de ladite poudre métallique. Brève description des figures D’autres objets et caractéristiques de l’invention apparaîtront plus clairement dans la description qui suit, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : La est une vue schématique en perspective d’ensemble d’un filtre métallique selon un exemple de réalisation de la présente invention ; La est une vue schématique en coupe d’un filtre métallique selon un plan de vecteurs directeurs et illustrant l’architecture microstructurée d’un filtre métallique selon un mode de réalisation de la présente invention ; La est une vue schématique en coupe d’un filtre métallique selon un plan de vecteurs directeurs et illustrant l’architecture microstructurée d’un filtre métallique selon un mode de réalisation de la présente invention ; La est une image d’une architecture microstructurée selon l’art antérieur ; La est une image d’une architecture microstructurée selon l’invention. Filtre métallique (1) comprenant une architecture (2) microstructurée définie dans un espace tridimensionnel présentant des axes orthogonaux (X, Y, Z), l’architecture (2) microstructurée comprenant un réseau métallique (10) formé d’une pluralité de brins (12) de liaison longitudinaux à savoir s’étendant selon une direction d’axe longitudinal (X), et un réseau (20) de pores (24) comprenant une pluralité d’interstices (22) longitudinaux correspondant à des sous-ensembles de pores (24) du réseau (20) de pores localisés le long de brins (12) de liaison, les interstices (22) longitudinaux définissant un axe d’anisotropie de l’architecture microstructurée. Filtre métallique selon la revendication 1, dans lequel les pores (24) présentent sensiblement la même taille. Filtre métallique selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la porosité est comprise entre 10% et 70%. Filtre métallique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les brins (12) de liaison présentent une largeur comprise entre 10 µm et 500 µm, et les interstices (22) longitudinaux présentent une largeur comprise entre 1 µm et 100 µm. Filtre métallique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, présentant une épaisseur (e) définie selon l’axe longitudinal (X) comprise entre 250 µm et 300 mm. Filtre métallique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le réseau métallique (10) est fait d’un métal choisi parmi l’aluminium, le nickel, le cobalt, le fer, le cuivre, le palladium, le titane, le tungstène, l’argent ou le platine, ou d’un alliage de matériaux comme de l’acier inoxydable, un alliage métallique ou un oxyde métallique. Filtre métallique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre deux faces principales opposées (3, 4) délimitant l’architecture (2) microstructurée, lesdites faces longitudinales (3, 4) étant respectivement recouvertes d’une couche mince virucide ou bactéricide. Pièce fonctionnelle (30) comprenant un filtre métallique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 et une bordure périphérique (32) de porosité nulle entourant l’architecture (2) microstructurée du filtre métallique. Procédé (100) de fabrication additive d’un filtre métallique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, ledit procédé (100) de fabrication additive comprenant les étapes suivantes : (110) déposer au moins une couche de poudre métallique d’un matériau donné ou d’un alliage de matériaux donné sur un support, ladite couche de poudre métallique présentant une épaisseur comprise entre 1 µm et 200 µm ; (120) effectuer une fusion localisée par laser des grains métalliques de la poudre, à une température supérieure à la température de fusion du matériau donné ou de l’alliage de matériaux donné formant ladite poudre métallique déposée lors de l’étape (110) et exécuter un programme d’ordinateur de sorte à créer un motif (M) prédéterminé de l’architecture (2) microstructurée. Procédé (100) selon la revendication 9, dans lequel le support est chauffé à une température strictement supérieure à la température ambiante et inférieure ou égale à 250°C. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 9 ou 10, dans lequel le support (S) est chauffé à une température comprise entre 180°C et 220°C, avantageusement entre 190°C et 210°C. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel une densité d’énergie volumique du faisceau laser durant l’étape (120) de fusion localisée par laser correspond de 30% à 90% de la valeur de la densité d’énergie volumique du faisceau laser nécessaire à former un bloc non poreux à partir de ladite poudre métallique.