Brevet FR3134335A1 — publié le 20231013

Procédé de fabrication d’une pièce isotrope étanche par dépôt de fil fondu. L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce (40) en matériau polymérique comprenant au moins les étapes suivantes : Une étape de fabrication (S1) d’une ébauche (10) de la pièce par un procédé de dépôt de fil fondu, l’ébauche de la pièce comprenant une pluralité de filaments 11 dudit matériau polymérique ; Une étape d’introduction (S2) l’ébauche de la pièce dans un bain de poudre, de sorte que l’ensemble des surfaces externes de l’ébauche de la pièce soit au contact de la poudre ; Une étape de compactage (S3) du bain de poudre comprenant l’ébauche de la pièce ; puis Une étape de traitement thermique (S4) de l’ébauche de la pièce à une température comprise entre Tg+10°C et Tg+90°C, où Tg est la température de transition vitreuse du matériau polymérique, pour obtenir la pièce en matériau polymérique Figure pour l’abrégé : Fig. 4 Procédé de fabrication d’une pièce isotrope étanche par dépôt de fil fondu. L’invention concerne le domaine des procédés de fabrication de pièces étanches et isotropes en matériau polymérique. Les procédés de fabrication additive permettent un gain de temps important dans la fabrication de pièces aux géométries complexes. En effet, ces procédés permettent de créer des pièces ayant directement les dimensions choisies, et cela même pour des géométries qui rendraient des procédés de moulage difficilement envisageables. Parmi les procédés de fabrication additive, le dépôt de fil fondu (ou FFF pour l’acronyme anglais « Fused Filament Fabrication ») est particulièrement utilisé pour les pièces en matériau polymérique. Dans ce mode de réalisation, la pièce souhaitée est obtenue par des dépôts successifs de filaments en matériau polymérique, les uns à côté des autres. La structure tridimensionnelle de la pièce est quant à elle obtenue en déposant des filaments les uns sur les autres jusqu’à obtenir une pièce de l’épaisseur souhaitée. Cette méthode de fabrication offre divers avantages. En particulier, il s’agit d’une méthode de fabrication additive où la matière constitutive de la pièce est déposée uniquement là où cela est nécessaire. Il en résulte très peu de pertes de matière et donc des coûts réduits. De plus, la pièce obtenue par de tels procédés peut l’être directement aux dimensions souhaitées. Il en résulte un procédé qui ne nécessite pas d’usinage final et qui permet d’accéder simplement à des géométries complexes. Toutefois, malgré ces avantages, toutes les pièces en matériau polymérique ne peuvent pas être obtenues par ce procédé. Ce procédé ne peut pas être utilisé pour obtenir des pièces étanches et/ou des pièces isotropes. En effet, l’empilement de filaments en matériau polymérique ainsi créé comprend des cavités entre les filaments dans la direction parallèle aux filaments déposés. Ces cavités forment une porosité et la pièce obtenue n’est donc pas étanche. En outre, les propriétés mécaniques d’une pièce ainsi obtenues sont anisotropes, c’est-à-dire que le comportement mécanique de la pièce est différent selon qu’elle est sollicitée dans la direction des filaments ou perpendiculairement à celle-ci. Par conséquent, les pièces pour lesquelles il est attendu un comportement isotrope ou une étanchéité ne peuvent pas être obtenues par dépôt de fil fondu, et doivent être obtenues par des procédés plus complexes. Il serait souhaitable de disposer d’un procédé permettant d’obtenir les mêmes avantages qu’un procédé de dépôt de fil fondu mais permettant aussi l’obtention de pièces étanches ayant de plus un comportement mécanique isotrope. L’invention vise précisément à répondre à ce besoin. Pour cela, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce en matériau polymérique comprenant au moins les étapes suivantes : - Une étape de fabrication d’une ébauche de la pièce par un procédé de dépôt de fil fondu, l’ébauche de la pièce comprenant une pluralité de filaments dudit matériau polymérique ; - Une étape d’introduction de l’ébauche de la pièce dans un bain de poudre, de sorte que l’ensemble des surfaces externes de l’ébauche de la pièce soit au contact de poudre ; - Une étape de compactage du bain de poudre comprenant l’ébauche de la pièce ; puis - Une étape de traitement thermique de l’ébauche de la pièce à une température comprise entre Tg+10°C et Tg+90°C, où Tg est la température de transition vitreuse du matériau polymérique pour obtenir la pièce en matériau polymérique. L’ébauche de la pièce doit s’entendre comme ayant la composition et la forme souhaitées pour la pièce finale. Toutefois, l’ébauche peut avoir des dimensions légèrement plus grandes que la pièce souhaitée. En effet, l’étape de traitement thermique peut occasionner une diminution des dimensions de la pièce, par diminution de la porosité interne de la pièce ainsi qu’il sera décrit ci-après. Par exemple, l’ébauche de la pièce peut avoir des dimensions jusque 10% plus grandes que la pièce souhaitée, dans chacune des trois dimensions de l’espace. Le procédé de l’invention permet d’obtenir simplement une pièce directement à la géométrie souhaitée. Toutefois, les pièces obtenues sont dénuées des désavantages habituellement associés aux pièces obtenues par une méthode de dépôt de fil fondu. En particulier, les pièces ainsi obtenues sont isotropes et étanches aux gaz et aux liquides. L’étanchéité aux gaz s’entend en particulier pour des gaz à une pression inférieure ou égale à 4 bars, appliquée pendant une durée inférieure ou égale à 5 minutes. En effet, l’étape de traitement thermique à une température supérieure à la température de transition vitreuse du matériau polymérique permet une réorganisation de la matière constitutive de l’ébauche de la pièce. Le traitement thermique permet en effet aux filaments constitutifs de l’ébauche de la pièce d’acquérir une certaine viscosité et ainsi de perdre leur forme initiale et de remplir la porosité de l’ébauche. Toutefois, la température du traitement thermique n’est pas suffisamment élevée pour dénaturer le matériau polymérique. Malgré la viscosité acquise par l’ébauche au cours du traitement thermique, la forme qu’avait l’ébauche de la pièce est conservée grâce au bain de poudre compacté autour de l’ébauche avant le traitement thermique. Les propriétés des particules du bain de poudre ne varient pas avec la température et la forme particulière obtenue simplement grâce au procédé de dépôt de fil fondu est conservée tout au long du traitement thermique. Le bain de poudre compacté autour de l’ébauche agit comme un moule spécifiquement obtenu pour l’ébauche de la pièce. Le procédé permet d’obtenir les avantages d’une pièce en matériau polymérique dont la géométrie est obtenue aussi simplement qu’avec un procédé de dépôt en fil fondu, mais la pièce finale ne présente ni la porosité ni l’anisotropie habituellement associées aux pièces obtenues par dépôt de fil fondu. Dans un mode de réalisation, le matériau polymérique peut comprend un poly-éther-imide, un polyétheréthercétone, un polyéthercétonecétone, un polyimide thermoplastique ou un mélange de plusieurs composés choisis parmi une ou plusieurs de ces familles. Dans un mode de réalisation, les particules du bain de poudre sont solubles dans l’eau. Ce mode de réalisation permet d’assurer une élimination simplifiée des particules éventuellement attachées à la pièce lorsqu’elle est retirée du bain de poudre. En effet, même si une partie de la poudre reste au contact de la pièce, par exemple du fait de l’étape de compactage, un simple rinçage à l’eau permet d’enlever la poudre attachée à la pièce, et d’éviter ainsi toute contamination de la pièce par la poudre. Dans un mode de réalisation, les particules du bain de poudre peuvent comprendre voire être constituées de chlorure de sodium. Le chlorure de sodium est une alternative largement disponible, soluble dans l’eau, qui permet donc de mettre en œuvre très simplement le procédé de l’invention à moindre coûts. En outre, le chlorure de sodium présente l’avantage de ne pas se dégrader aux températures du traitement thermique. Egalement, le chlorure de sodium ne réagit pas chimiquement avec les matériaux polymériques et cela même aux températures du traitement thermique. De plus, puisqu’il ne réagit pas, ni avec la pièce ni avec lui-même, la majorité du bain de poudre pourra être réutilisée à l’issue du procédé. Dans un mode de réalisation, la granulométrie moyenne des particules du bain de poudre peut être inférieure ou égale à 100 µm. Dans un mode de réalisation, la granulométrie moyenne des particules du bain de poudre peut être inférieure ou égale à 50 µm. La granulométrie d’une poudre doit s’entendre comme la dimension donnée par la distribution granulométrique statistique à la moitié de la population, dite également d50. La granulométrie de la poudre utilisée peut avoir un effet sur la rugosité de la pièce obtenue à la fin du procédé et permet également de conserver les détails de la géométrie de la pièce. La granulométrie indiquée ci-dessus est préférée puisqu’elle permet donc de conserver des détails d’une échelle comparable à ce qu’il est possible de réaliser avec un procédé de dépôt de fil fondu. En effet, une poudre suffisamment fine permet une meilleure compaction de celle-ci, ce qui lui permet de bien prendre la forme de la pièce. Dans un mode de réalisation, la granulométrie moyenne est plus faible que la hauteur d’un filament fondu, ce qui lui permet d’envelopper de façon optimale la pièce, sans laisser de zones vides. Dans un mode de réalisation, le procédé peut comprendre une étape de séchage de la poudre et/ou de l’ébauche de la pièce avant l’introduction de l’ébauche de la pièce dans le bain de poudre. Une telle étape de séchage, réalisée à une température inférieure à la température de transition vitreuse du matériau polymérique de l’ébauche, permet d’éliminer toute trace d’eau. Cette étape permet ainsi d’éviter que l’eau éventuellement présente se vaporise lors de l’étape de traitement thermique du procédé et qu’elle crée des porosités en se vaporisant qui subsisteraient dans la pièce finie. Dans un mode de réalisation, l’étape de traitement thermique peut être réalisée en maintenant le bain de poudre et l’ébauche de la pièce sous pression. Maintenir le bain de poudre sous pression au cours du traitement thermique permet d’assurer une encore meilleure conservation de la forme de l’ébauche de la pièce lors du traitement thermique et de maîtriser le retrait éventuel. En outre, cela permet d’assurer une densité homogène de la poudre autour de la pièce, ce qui assure en conséquence une conduction thermique plus homogène de la pièce et réduit le risque de voir apparaître des zones plus chaudes ou plus froides que d’autres au cours de l’étape de traitement thermique ultérieure. Dans un mode de réalisation, le procédé peut comprendre en outre une étape d’extraction de la pièce du bain de poudre éventuellement suivi d’un dépoudrage de la pièce. Ces étapes permettent d’assurer que la pièce ne comprend plus de traces de la poudre qui pourrait s’être attachée à la pièce lors du compactage ou du traitement thermique. Par exemple, l’étape de dépoudrage peut être réalisée par vibration ou par rinçage à l’eau des surfaces de la pièce. Dans un mode de réalisation, la pièce ainsi obtenue est une pièce structurale ou un conduit d’air par exemple un conduit de gaz ou de liquide. La représente schématiquement un procédé selon un mode de réalisation de l’invention. La représente schématique un mode de réalisation de la première étape d’un procédé selon l’invention. La représente schématique un mode de réalisation de la deuxième étape d’un procédé selon l’invention. La représente schématique un mode de réalisation de la troisième étape d’un procédé selon l’invention. La représente schématique un mode de réalisation de la quatrième étape d’un procédé selon l’invention. La est une photographie en coupe d’une ébauche d’une pièce obtenue par dépôt de fil fondu. La est une photographie en coupe d’une ébauche d’une pièce obtenue par dépôt de fil fondu. La est une photographie en coupe d’une pièce obtenue dans un mode de réalisation du procédé selon l’invention. La est une photographie en coupe d’une pièce obtenue dans un mode de réalisation du procédé selon l’invention. Procédé de fabrication d’une pièce (40) en matériau polymérique comprenant au moins les étapes suivantes : Une étape de fabrication (S1) d’une ébauche (10) de la pièce par un procédé de dépôt de fil fondu, l’ébauche de la pièce comprenant une pluralité de filaments (11) dudit matériau polymérique ; Une étape d’introduction (S2) l’ébauche de la pièce dans un bain de poudre, de sorte que l’ensemble des surfaces externes de l’ébauche de la pièce soit au contact de la poudre ; Une étape de compactage (S3) du bain de poudre comprenant l’ébauche de la pièce ; puis Une étape de traitement thermique (S4) de l’ébauche de la pièce à une température comprise entre Tg+10°C et Tg+90°C, où Tg est la température de transition vitreuse du matériau polymérique, pour obtenir la pièce en matériau polymérique. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le matériau polymérique comprend au moins un poly-éther-imide, un polyétheréthercétone, un polyéthercétonecétone, un polyimide thermoplastique ou un mélange de plusieurs composés choisis parmi une ou plusieurs de ces familles. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les particules (15) du bain de poudre sont solubles dans l’eau. Procédé de fabrication la revendication 3, dans lequel les particules (15) du bain de poudre comprennent du chlorure de sodium. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la granulométrie moyenne des particules (15) du bain de poudre est inférieure ou égale à 100 µm. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, lequel comprend une étape de séchage des particules (15) de la poudre et/ou de l’ébauche (10) de la pièce avant l’introduction de l’ébauche de la pièce dans le bain de poudre.