Brevet FR3142379A1 — publié le 20240531

Système de chauffe pour imprimante 3D, à enceinte chauffée, pour fabrication de pièce en polymère, constitué d’une recirculation d’air chaud horizontal, dont le flux forcé d’air chauffé peut être positionné par rapport à la section de pièce en court de fabrication et permettant l’homogénéité de la température de l’enceinte chauffée. L’enceinte est isolée thermiquement de l’extérieur par un isolant double paroi. L’utilisation de soufflets mobiles permet de limiter les pertes thermiques aux interfaces mobiles entre l’intérieur et l’extérieur de l’enceinte chauffée. Figure pour l’abrégé : Fig.1 système de chauffe d’enceinte pour imprimante 3D pour fabrication de pièce en polymère. Le domaine technique de l’invention La présente invention décrit un système de chauffe d’enceinte permettant l’impression 3D de pièces de toutes dimensions en polymères standard ou haute température. La fabrication additive engendre de fortes contraintes résiduelles interne à la pièce fabriquée, qui provoquent de grandes déformations, qui aboutissent à plusieurs problèmes : la délamination de la pièce de grande dimension, des phénomènes de distorsion, communément appelés dans le domaine « Warping », une anisotropie des pièces, la résistance dans l’axe Z étant systématiquement plus faible. Pour réduire ces contraintes résiduelles il est nécessaire de contrôler les températures de fabrication de l’imprimante 3D. Lors de la fabrication d’une pièce en polymère, par impression 3D, plusieurs températures doivent être maîtrisées : la température d’extrusion du polymère, la température de chauffe du plateau de fabrication, où se dépose la matière en fusion, et la température du volume de fluide englobant la pièce. Dans ce document, le volume de fluide englobant la pièce est défini comme étant fermé et contenant de l’air, il est nommé « enceinte chauffée ». Ce volume pourrait être un volume ouvert et, ou, contenir un autre matériau que l’air, un autre gaz ou un autre fluide, dont les caractéristiques physiques permettent le contrôle de la température autour de la pièce en fabrication. L’invention permet de gérer la température de l’enceinte chauffée tout en limitant les pertes thermiques vers l’extérieur de l’enceinte améliorant ainsi les économies d’énergie de l’imprimante 3D. État de l’art A la date de dépôt de ce brevet, de nombreuses machines d’impression 3D de polymère à enceinte chauffées existent sur le marché. Les systèmes de chauffe d’enceinte existant, ne produisent pas une température homogène dans l’enceinte et sont souvent réduits à un élément chauffant placé à l’intérieur de l’enceinte. Le débit d’air de ces systèmes de chauffe n’étant généralement pas suffisant ce qui impose l’ajout de composants de ventilation annexes, aspirant l’air de l’enceinte chauffée et le soufflant sur la pièce en cours d’impression. L’isolation thermique de ces enceintes n’est pas optimale et les interfaces avec l’extérieur de l’enceinte sont des zones de pertes thermiques. Les imprimantes 3D actuelles ne prennent pas en compte les économies d’énergies et beaucoup nécessitent des alimentations électriques de forte puissance, nécessaires pour chauffer l’enceinte. L’état de la technique On peut citer les brevets suivants, le US20040104515A1 décrivant un concept d’imprimante 3D à enceinte chauffée et cet autre brevet, FR1912816, qui décrit une enceinte chauffée à volume variable. Ces deux brevets n’expliquent pas la conception du système de chauffe, qui est l’objet de l’invention. Il existe beaucoup de solutions pour chauffer une enceinte fermée, par exemple des fours et étuves. Les solutions existantes, ont deux problèmes : Le premier problème est de maintenir une température d’enceinte la plus homogène possible au niveau de la zone d’impression, température homogène qui est indispensable à la fabrication d’une pièce de qualité et ce, quelque soit la forme de la pièce fabriquée et les déplacements de composants de l’imprimante 3D durant la fabrication. Le second problème pour chauffer une enceinte d’imprimante 3D est qu’il y a des mouvements d’éléments à l’intérieur de l’enceinte. Les mouvements internes à l’enceinte imposent des ouvertures de passage des éléments mobile entre l’intérieur de l’enceinte et l’extérieur de l’enceinte, ce qui induit des pertes thermiques. L’invention résout ces deux problèmes Présentation de l’invention L’invention comprend un système de recirculation d’air chaud horizontal, dont le flux d’air peut être positionné par rapport à la pièce, permettant l’homogénéité de la température de l’enceinte chauffée. Ce système est adapté à une enceinte chauffée à volume variable comme décrite dans le brevet FR1912816, et fonctionne également dans le cas d’une enceinte chauffée à volume fixe. L’invention comprend une double isolation de l’enceinte chauffée et une isolation mobile des interfaces avec l’extérieur de l’enceinte chauffée réalisée par des soufflets à doubles isolation, ce qui permet des températures d’enceinte chauffée de 50°C à 400°C. L’invention améliore l’interface entre intérieur et extérieur de l’enceinte, par des soufflets mobiles à double isolation, ce qui réduit les pertes thermiques de l’imprimante 3D lors de la fabrication. Dans ce document, nous décrivons un système à enceinte chauffée à volume variable. Cette solution apporte un gain en économie d’énergie de chauffe de l’enceinte, car ce volume va croître au fur et à mesure de la fabrication de la pièce, ce qui permet un gain de temps de chauffe en début de procès, donc un démarrage de l’impression plus rapide et un gain sur le volume total d’air chauffé pendant la fabrication. En effet le volume à chauffer est le maximum du volume de la pièce et non le maximum du volume de l’enceinte chauffée, rendant l’impression de la pièce plus économique. L’invention peut être destinée à réaliser des pièces de grand volume, de plus d’1m3, en impression 3D de polymère haute température 150°C – 300°C, et est adaptée à la fabrication de pièce de plus petites dimensions et / ou avec des polymères standards. Les dessins annexés illustrent l’invention. La représente une vue isométrique de l’ensemble vue de devant La représente une vue isométrique de l’ensemble vue de derrière La représente une vue en coupe selon le plan YZ en cours d’impression La représente une vue en coupe selon le plan XY au niveau du système de chauffage La représente une vue en coupe selon le plan YZ impression de pièce terminée Le fonctionnement du dispositif est le suivant : L’imprimante 3D (0) est composée de 3 axes : Z (19), X (20), Y(21), d’un plateau chauffant (31), d’une enceinte chauffée (1), d’une tête d’impression (40) fixée sur l’axe X(20) et équipée d’une buse d’impression (41). L’enceinte chauffée (1) peut être à volume fixe ou variable. Lors du fonctionnement de l’imprimante 3D (0), qui fabrique la pièce à fabriquer (50) à l’intérieur de l’enceinte chauffée (1) isolée thermiquement par un isolant double paroi (2) avec lame d’air intermédiaire (8), la ventilation fort débit (3) et les éléments chauffants (4) sont en fonctionnement. L’air présent dans les conduits d’air chaud (5) est chauffé par des éléments chauffants (4). L’air chauffé (60) est mis en mouvement rapide, par la ventilation fort débit (3), dans les conduits d’air chaud (5). La matière de l’isolant double paroi (2) de l’enceinte chauffée (1) peut être de diverse nature. Le système de chauffe d’enceinte pour imprimante 3D pour fabrication de pièce en polymère est adapté tant à une enceinte chauffée à volume fixe ou variable par soufflet ou par des éléments télescopiques. Le système de chauffe fonctionne avec une enceinte chauffée à volume fixe ou variable (1) quel que soit la valeur de son volume. Les conduits d’air chaud (5) débouchent par l’entrée d’air chaud (6) dans l’enceinte chauffée (1). Le flux d’air chauffé (60), est dirigé par les grilles d’entrées amovibles (9) à hauteur de la buse d’impression (41), puis il est dirigé vers la grille de sortie amovible (10), et retourne dans les conduits d’air chaud (5) par la sortie d’air chaud (7), formant ainsi un circuit fermé d’air chaud. Le flux d’air chauffé (60), reste à une hauteur choisie (65) de la buse d’impression (41). Des sondes de température permettent à l’électronique de pilotage de contrôle (70) la température de l’air chauffé. Les conduits d’air chaud (5) comprennent plusieurs éléments constitutifs qui permettent l’adaptation du flux d’air chauffé (60), à la topologie de la pièce à fabriquer (50) ; ces éléments sont : les grilles d’entrée amovibles (9), les grilles de sortie amovibles (10), les déflecteurs (11). Les déflecteurs (11) sont amovibles afin d’avoir des formes ou des positions différentes en fonction du flux d’air chauffé (60) désiré. Les grilles d’entrée amovibles (9), sont parallèles aux grilles de sortie amovibles (10), mais peuvent être aussi inclinées. A l’intérieur de l’enceinte chauffée (1), la direction du flux d’air chauffé (60), est perpendiculaire aux grilles d’entrée amovibles (9) et aux grilles de sortie amovibles (10). Le flux de l’air chauffé (60) peut être adapté en fonction de la forme de la pièce à fabriquer (50), en modifiant ou remplaçant les élément amovibles, les grilles d’entrée amovibles (9), les grilles de sortie amovibles (10), les déflecteurs (11). Le flux d’air chauffé (60), autour de la pièce à fabriquer (50) pourra être laminaire ou turbulent en fonction de sa forme et des éléments amovibles (9), (10) et (11). La direction, la forme, la quantité et la position du flux d’air chauffé (60), autour de la pièce à fabriquer (50) peut être modifié et choisi en fonction de la forme et de la position des éléments amovibles, des grilles d’entrée amovibles (9), des grilles de sortie amovibles (10), des déflecteurs (11). La section de pièce en cours de fabrication (51) étant connu à chaque instant, de par le mode de fabrication additive, dont le principe est « l’empilement de section de pièce », le débit du flux d’air chauffé (60), peut être piloté en fonction de l’avancement de la fabrication de la pièce à fabriquer (50) et peut être modulé en fonction de la section de pièce en cours de fabrication (51), par l’électronique de pilotage de contrôle (70). Lors des déplacements dans le plan X, Y des chariots X (20) et Y (21), le chariot X (20) sur lequel est fixé la tête d’impression (40), où est fixé la buse d’impression (41), les soufflets mobiles isolants X (22) et les soufflets mobiles isolants Y (23) suivent les déplacements, ce qui réduit les ouvertures de l’enceinte chauffée (1) vers l’extérieur, et améliore l’isolation thermique de l’imprimante 3D (0), permettant des économies d’énergie. Système de chauffe d’enceinte pour imprimante 3D pour fabrication de pièce en polymère destiné à chauffer l’enceinte chauffée d’une imprimante 3D, composé d’une enceinte chauffée (1), isolée thermiquement par un isolant double paroi (2) avec lame d’air intermédiaire (8), d’une ventilation fort débit (3) générant un flux d’air qui est chauffé par les éléments chauffants (4), et dirigé dans les conduits d’air chaud (5) munis d’entrée d’air chaud (6), de sortie de l’air chaud (7), de grilles d’entrée amovibles (9), de grilles de sortie amovibles (10) et de déflecteurs (11), qui permettent de maîtriser le flux d’air chauffé (60), afin d’obtenir une température homogène de la pièce à fabriquer (50) et sa section de pièce en cours de fabrication (51). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de chauffe d’enceinte pour imprimante 3D pour fabrication de pièce en polymère est isolé par par les soufflets mobiles isolants X (22) et les soufflets mobiles isolants Y (23). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux d’air chauffé (60), reste à une hauteur choisie (65) de la buse d’impression (41), durant toute la fabrication de la pièce à fabriquer (51). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction du flux d’air chauffé (60), est perpendiculaire à la surface des grilles d’entrée amovibles (9) et des grilles de sortie amovibles (10) du flux d’air chauffé (60), dans l’enceinte chauffée (1). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la nature et la direction du flux d’air chauffé (60), peut être modifiée en remplaçant ou modifiant tout ou partie des grilles d’entrée amovibles (9), des grilles de sortie amovibles (10) et des déflecteurs (11). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit d’air chauffé (60), peut être adapté par l’électronique de pilotage de contrôle (70) en fonction de la géométrie de la pièce à fabriquer (50). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de chauffe d’enceinte pour imprimante 3D pour fabrication de pièce en polymère est adapté tant à une enceinte chauffée à volume fixe ou variable par soufflet ou par des éléments télescopiques. Dispositif selon l’une des quelconques revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière de l’isolant double paroi (2) de l’enceinte chauffée (1) peut être de diverse nature. Dispositif selon l’une des quelconques revendications précédentes, caractérisé en ce que l’invention est applicable à une enceinte chauffée (1) quel que soit la valeur de son volume. Dispositif selon l’une des quelconques revendications précédentes, caractérisé en ce que l’invention est applicable pour une température de chauffe d’enceinte chauffée (1) de 50°C à 400°C