Brevet FR3160348A1 — publié le 20250926

La présente invention concerne un système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur comprenant un dispositif de préparation d’un matériau thermoactivable présentant une tête d’apport mobile selon plusieurs axes par rapport à un support du substrat récepteur, un moyen de chauffage orientable en direction d’un premier point de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable sur ledit substrat récepteur et un dispositif de mesure thermique sans contact fournissant une image thermique d’une première partie de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable Caractérisé en ce qu’il comporte : au moins un deuxième moyen de chauffage orientable en direction d’un second point de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable Ledit système comportant un calculateur pour commander une première orientation dudit premier moyen de chauffage et une seconde orientation dudit second moyen de chauffage et pour commander l’activation, la modulation de flux d’énergie et/ou la désactivation de chacun desdits moyens de chauffage. Figure 1 Dispositif d'impression 3d incluant un traitement radiatif in situ autour de la tête d’apport de matière thermoactivable Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine de la fabrication additive (impression 3D) permettant de créer des pièces en volume par ajout de matière par des cordons de matière fusible par une buse mobile par rapport à un support d’impression. Les buses des imprimantes se déplacent en général suivant 3 axes (3 translations d'espace : largeur (X), profondeur (Y), hauteur (Z). Certaines imprimantes 3D, en particulier robotisé, rajoutent 2 rotations sur la tête de buse (A et B) facilitant la conception des supports nécessaires à certaines pièces. L'impression 3D de matériaux thermoactivables peut nécessiter que les couches fusionnent pour créer une structure solide et sans vide. La qualité de la structure résultante est généralement déterminée par l'intégrité de la liaison entre les couches imprimées. Il est souhaitable que les matériaux des couches adjacentes fusionnent complètement, afin que la structure résultante présente la même résistance physique et les mêmes propriétés mécaniques que le matériau sous-jacent. Si la liaison entre les couches est incomplète, la liaison couche à couche peut présenter des failles et des fragilités dégradant la résistance physique ultime de la structure résultante. En général, chaque matériau thermoactivable présente une plage de températures optimale et une liaison avec le matériau sous-jacent qui se trouve lui-même à une température résultant de ses traitements thermiques antérieurs et de son inertie thermique locale : lorsqu'une zone est imprimée, elle commence à refroidir. La vitesse de refroidissement dépend de plusieurs facteurs, notamment du matériau lui-même, de la température du matériau lors de l'impression, de la température de la couche sous-jacente, de la température de l'environnement dans lequel la pièce est imprimée et de la forme physique du composant à imprimer. Ces différents paramètres évoluent en permanence, et il est très difficile de piloter l’impression additive dans des conditions optimales assurant des conditions thermiques appropriées à tout instant, quelle que soit la forme de la pièce à fabriquer. Il est connu de procéder à une acquisition en temps réel de la température locale à l'aide d'une caméra thermographique. Cela permet à l'opérateur de surveiller visuellement la température globale de la pièce pendant son impression et d’ajuster la température du matériau thermoactivable à la sortie de la buse et/ou la vitesse de déplacement de la buse. Dans le cadre du présent brevet, on désignera par « matériau thermoactivable » un matériau dont l’état change en fonction de la température, par exemple un matériau thermofusible, un matériau thermo-réactif, un matériau thermoplastique, un matériau thermosensible… Sera désigné par "tête d’apport", tout moyen qui apporte le matériau thermoactivable en une zone locale, par exemple et sans que cela restrictif par dépose projection, ou extrusion ou toute autre mode de dépôt de matériaux. État de la technique On connaît dans l’état de la technique la demande de brevet EP4056351 décrivant un appareil de fabrication additive, comprenant une extrudeuse configurée pour recevoir un matériau thermoplastique et un ensemble applicateur en aval de l'extrudeuse. L'ensemble applicateur comprend une buse pour déposer le matériau thermoplastique sous la forme d'une pluralité de couches, un capteur de température configuré pour détecter une température d'au moins une partie d'une couche déposée. Un ensemble de positionnement est configuré pour modifier une position angulaire du capteur de température ; et un contrôleur est configuré pour recevoir des signaux de température du capteur de température, comparer la température détectée à une température détectée précédemment, modifier une vitesse de déplacement de l'ensemble applicateur lorsque la température détectée est inférieure à la température détectée précédemment par une première différence de température. Le second signal de température est ignoré lorsque la seconde température est inférieure à la seconde température détectée précédemment d'une seconde différence de température qui est supérieure à la première différence de température. Le brevet US10265911 décrit un système de surveillance et de rétroaction basé sur une image pour une impression tridimensionnelle. Une caméra capture des images d'objets en cours d'impression et un système de traitement d'image compare les images avec des images de référence pour détecter et corriger des différences entre l'objet et la référence. La correction peut être en temps réel ou appliquée à une impression ultérieure. D'autres aspects incluent un système d'étalonnage qui imprime des objets de test prédéfinis et les compare à des références pour garantir que les paramètres de fonctionnement de l'imprimante sont correctement définis. La comparaison peut être effectuée manuellement par un utilisateur ou automatisée dans le cadre du système de traitement d'image. La demande de brevet WO2023086250 décrit un procédé d'impression 3D d'une pièce avec un système de fabrication additive qui consiste à imprimer une première partie d'une pièce par couches et à analyser une topologie de la première partie de la pièce. Le procédé consiste à déterminer un parcours d'outil pour imprimer une seconde partie de la pièce sur une surface de la première partie de la pièce, et à préchauffer la première partie de la pièce le long du parcours outil en fonction de l'analyse topologique de la première partie de la pièce. Le procédé consiste à imprimer la seconde partie de la pièce le long du parcours d'outil. La demande EP3500417 propose un système de fabrication additive robotique à axes multiples, comprenant un bras robotique mobile selon six degrés de liberté ; une plate-forme de construction mobile selon au moins deux degrés de liberté et indépendante du mouvement du bras robotique pour positionner la pièce en cours de construction afin de contrecarrer les effets de la gravité sur la base de la géométrie de la pièce. Une extrudeuse est montée à une extrémité du bras robotique et configurée pour extruder au moins une partie du matériau avec une pluralité de débits, le mouvement du bras robotique et de la plateforme de construction étant synchronisé avec le débit du matériau extrudé pour construire la 3D partie. Selon une variante, un préchauffeur, par exemple un faisceau laser, est configuré pour préchauffer localement une partie de la partie précédemment imprimée de la pièce le long d'un trajet d'outil avant l'extrusion du matériau le long du trajet d'outil par l'extrudeuse. Le brevet FR3126633 décrit un procédé de fabrication additive consistant à commander le déplacement sur la surface d'une pièce d’un équipement comportant au moins un laser dont le faisceau est focalisé sur la sortie d’une tête d’alimentation délivrant au moins un fil métallique d’un diamètre D. Cet équipement est commandé pour déplacer la zone d’interaction du faisceau du laser avec au moins un fil selon une trajectoire principale représentative de la géométrie de la pièce à fabriquer. Le déplacement de la zone d’interaction est modulé par un balayage sur 2 axes selon une direction longitudinale parallèle au vecteur vitesse de ladite trajectoire principale et une direction transversale, normale au vecteur vitesse dans le plan focal, ladite déviation définissant une courbe balayée avec une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement selon ladite trajectoire principale, ledit balayage sur 2 axes étant pilotée par un système de pilotage comportant des moyens de paramétrer pour chaque fabrication la loi de commande dudit balayage sur 2 axes. Le brevet US9095928B2 concerne un système et un procédé destinés à être utilisé dans des applications de brasage, revêtement, accumulation, remplissage, matage, soudage, et assemblage. Ledit système comprend un premier système de faisceau laser qui dirige un premier faisceau laser sur une surface d'au moins une pièce pour créer un bain de fusion sur la surface, et un dispositif d'alimentation en fil qui fait avancer un article non durable jusqu'au bain de fusion de sorte que l'article non durable entre en contact avec le bain de fusion. Le système comprend également une alimentation électrique qui émet un signal de chauffe, et le signal de chauffe est dirigé sur l'article non durable pour chauffer l'article non durable avant que l'article non durable ne pénètre dans le bain. Le système comprend en outre un second système de faisceau laser qui dirige un second faisceau laser sur l'article non durable avant que l'article non durable ne pénètre dans le bain, et un dispositif de commande qui commande une sortie de l'alimentation électrique et du second système de faisceau laser. Inconvénients de l’art antérieur Les solutions de l’art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes car elles ne permettent pas de traiter la totalité des artefacts thermiques autour de la zone de dépose du cordon extrudée. En effet, la tête d’extrusion ou tête d’apport masque en partie le champ optique de la caméra thermique ou d’un laser de réchauffage, laissant certains points mal maîtrisés d’un point de vue thermique ou nécessitant une rotation peu réactive de l’ensemble du dispositif de chauffage voir de la tête d’apport elle-même et/ou nécessitant de multiples tours d’impression en continue peu compatible des cheminements de câbles par exemple. Solution apportée par l’invention Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne notamment un système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur comprenant un dispositif de préparation d’un matériau thermoactivable présentant une tête d’apport mobile selon plusieurs axes par rapport à un support du substrat récepteur, un moyen de chauffage orientable en direction d’un premier point de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable sur ledit substrat récepteur et un dispositif de mesure thermique sans contact fournissant une image thermique d’une première partie de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable Caractérisé en ce qu’il comporte : au moins un deuxième moyen de chauffage orientable en direction d’un second point de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable Ledit système comportant un calculateur pour commander une première orientation dudit premier moyen de chauffage et une seconde orientation dudit second moyen de chauffage et pour commander l’activation, la modulation de flux d’énergie et/ou la désactivation de chacun desdits moyens de chauffage. Le dispositif de mesure thermique sans contact peut être composé d’une ou plusieurs caméras pour couvrir la zone de dépose. La zone de perception de caméra n’est pas nécessairement la même que la zone de dépose. Avantageusement, lesdits deux moyens de chauffage sont disposés de part et d’autre dudit dispositif de préparation d’un matériau thermoactivable. Selon une variante, le système de dépose comporte en outre une dispositif de mesure thermique sans contact additionnel fournissant une deuxième image thermique d’une deuxième partie de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable, complémentaire de ladite première partie par rapport à la tête d’apport, Selon une variante, l’un au moins desdits moyens de chauffage est constitué par un laser ou une lampe rayonnante focalisée. Avantageusement, lesdits moyens de chauffage sont constitués par un laser unique, un séparateur de faisceau et à deux systèmes de balayage à miroirs galvanométriques. Selon une autre variante, lesdits moyens de chauffage sont constitués par un laser unique et une fibre optique disposée autour de la tête d’apport, et présentant une pluralité de sorties. Selon une mode de réalisation particulier, le système comporte en outre une caméra fournissant une image texturée de ladite zone de dépose dudit matériau thermoactivable. Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant des exemples non limitatifs de réalisation illustré par les dessins annexés où : FIG. 1 La FIG. 1 représente une vue schématique d’un premier exemple d’un système selon l’invention FIG. 2 La FIG. 2 représente une vue schématique d’un deuxième exemple d’un système selon l’invention FIG. 3 La FIG. 3 représente une vue schématique d’un troisième exemple d’un système selon l’invention FIG. 4 La FIG. 4 représente une vue schématique d’un quatrième exemple d’un système selon l’invention. Principes généraux de l’invention Le système selon l’invention comprend de manière connue un dispositif de préparation du matériau thermoactivable (10), par exemple une extrudeuse, comportant une tête d’apport (11) délivrant un cordon de matériau thermoactivable selon une trajectoire définit par le déplacement relatif de la tête d’apport (11) par rapport au support (20) du substrat d’impression. L’installation comprend deux caméras infrarouges (31, 32) disposées de part et d’autre de l’extrudeuse (10) de manière à acquérir deux plans ou zones respectivement (41, 42) se recouvrant légèrement au niveau de la sortie de la tête d’apport (11). D’une façon plus générale, il peut être employer tout type de dispositif de mesure thermique sans contact, une caméra thermique étant un simple exemple d’un tel dispositif. De préférence, les deux caméras infrarouges (31, 32) sont disposées symétriquement par rapport à l’axe longitudinal de l’extrudeuse (10), sur un axe transversal correspondant à la direction instantanée du déplacement relatif de l’extrudeuse (10) par rapport au support (20), de façon que le champ optique respectivement (51, 52) de chacune des caméras infrarouges (31, 32) inclus le point de dépose du matériau thermoactivable de matériau thermoactivable par la tête d’apport (11). Cette configuration permet d’acquérir deux images thermiques avec un recouvrement, et de construire une carte dynamique des températures de la zone de dépose du matériau thermoactivable de matériau thermoactivable par la tête d’apport (11), ainsi que des surfaces en amont et en aval de cette zone. Le système comporte aussi deux moyens de chauffage formés de deux lasers ou par un laser unique (1) associé à un séparateur de faisceau (2) et à deux systèmes de balayage à miroirs galvanométriques (3, 4). Ces moyens de chauffage sont pilotés d’une part pour activer ou désactiver les deux faisceaux, et pour les diriger dans une direction voisine de la zone de dépose du matériau thermoactivable de matériau thermoactivable par la tête d’apport (11), notamment en amont de la zone de dépose du matériau thermoactivable de matériau thermoactivable pour l’un des faisceaux et en aval de la zone de dépose du cordon de matériau thermoactivable pour l’autre faisceau. Des actionneurs (5, 6 ; 7, 8) pilotés par un calculateur commande l’orientation et la wobulation des faisceaux correspondants, c’est-à-dire un balayage de faible excursion selon des directions latérales et/ou longitudinales par rapport à l’axe du segment du cordon en amont ou en aval de la zone de dépose du cordon de matériau thermoactivable pour moduler la surface et la température de chauffage. Principe de fonctionnement Le but de l’invention est de permettre d’ajuster en temps réel et de manière dynamique la température du substrat en amont de la dépose d’un cordon de matériau thermoactivable et/ou la température du cordon déposé en aval. Pour pouvoir couvrir 360° autour de la tête d’apport (11), la source de chauffage (1) est découpée en deux au moins, de sorte que les zones partielles (26) et (27) de traitement thermique illustrées sur la FIG. 2 soient complémentaires et que leur union soit continue autour de la ladite tête d’apport. Ainsi, l’acheminement de la source de chauffage selon le besoin vers une zone en amont du point de dépose ou une zone en aval du point de dépose. Ces deux zones présentent un recouvrement (intersection entre les zones partielles (26) et (27) dans le cas d’un découpage en deux). Dans la description, l’utilisation du terme « extrudeur » doit être comprise comme désignant un exemple non limitatif, tout autre moyen de préparation du matériau à déposer pouvant être utilisé dans l’invention. Les sources de chaleur permettent : d’ajouter un flux de chaleur juste avant la dépose du nouvel apport de matière (filament, ..) pour favoriser la cohésion inter-couche maîtriser le refroidissement post-dépose du nouveau dépôt pour favoriser la coalescence et l’étalement du matériau à l’état fondu sur le substrat ajuster les temps de cristallisation de matériau concerné par le phénomène Cette solution permet aussi d’éviter de chauffer l’environnement ou de réduire sa chauffe, et de compenser une température ambiante plus basse par une chauffe locale (intérêt économie d’énergie, suppression d’une enceinte thermique globale). La cartographie thermique de l’ensemble de la zone de dépose incluant les parties amont et aval permet de piloter en temps réel les moyens de chauffage. Positionnement du laser et des caméras par rapport à la tête d’apport Les sources de chaleur radiatives de type lasers, sans être limitatif sont disposées de part et d’autre du dispositif de préparation du matériau thermoactivable, de manière fixe, ou avec une possibilité de rotation par rapport à l’axe longitudinal du dispositif de préparation du matériau thermoactivable, avec une amplitude inférieure ou égale à 360°. Chacun des faisceaux de balayage est commandé par un calculateur pour déterminer son orientation principale et sa trajectoire de wobulation, par rapport à la direction principale de la trajectoire de dépose du cordon thermoactivable ; ainsi que son activation, sa modulation de flux thermique ou sa désactivation. Cela permet d’affecter l’un des faisceaux à une fonction de préchauffage de la zone du substrat en amont du point de dépose du cordon et/ou un autre faisceau à une fonction de contrôle du refroidissement du cordon qui vient d’être déposé, en aval de la zone de dépose du cordon. Cela permet aussi d’inverser la fonction attribuer à chacun des faisceaux en fonction de l’orientation de la direction principale de la trajectoire de dépose, pour éviter le masquage par la tête d’apport (11). Lorsque le système met en œuvre deux caméras (31,32), elles peuvent être maintenues fixes dans le même repère que le dispositif de dépose, ou mobile en rotation par rapport à l’axe longitudinal du dispositif de dépose, avec une course angulaire limitée à 360°, pour couvrir la totalité de la zone d’intérêt grâce au recouvrement partiel des champs des caméras FIG. 1 (41, 42). Contexte de commande illustré par la figure 1 Dans ce premier mode de fonctionnement, le premier faisceau source (12) est actif, et orienté et modulé par le système de balayage (4) dans une direction en amont du point de dépose de la matière thermoactivable afin d’assurer un préchauffage du substrat. Dans l’exemple, le laser (1), fixe dans le repère de la tête d’apport (11), assure la Fonction de préchauffe du substrat en amont de la dépose. Le guidage du faisceau (22) est assuré par des miroirs galvano (17, 18) et peut pointer ou balayer le substrat sur la trajectoire de dépose. La puissance et la fréquence du faisceau laser amont (22) sont pilotées en boucle fermée ou par un algorithme spécifique selon la consigne thermique à atteindre et les températures du Substrat lues par le dispositif de caméras IR (31 32). Dans le cas où le substrat à préchauffer se trouve de l’autre côté, alors le faisceau (23) serait dirigé vers cette zone. La zone de pré-Chauffe est pilotée en boucle fermée par les mesures à 360° des caméras IR et localisé sur la zone du substrat voisine du point de dépose du cordon thermoactivable. Avantages : Le système est réactif et rapide car il n’y a pas besoin de faire tourner le laser (1) et/ou l’effecteur portant l’extrudeur (10) pour pointer sur la zone locale à chauffer. Un seul laser (1) est capable d’assurer une fonction (ici pré-chauffe) de part et d’autre de la tête d’apport (11). Avantageusement, le faisceau qui assure la fonction de pré-chauffe traitera le substrat proche de la tête d’apport afin de limiter les pertes thermiques entre la sortie de la zone de traitement et le début de dépôt effectif de matériau thermo-activable. Contexte de commande illustré par la figure 2 Pour pouvoir couvrir 360° autour de la buse (11) de dépose, une source laser (1) est découpée afin d’acheminer selon le besoin de chauffage local vers des zones élargies du substrat (26, 27). Les zones (26, 27) présentent un recouvrement. Le second faisceau laser (13), fixe dans le repère de la tête d’apport, est actif et assure la Fonction « maîtrise de refroidissement » en zone (27). Le guidage du faisceau (23) est assuré par des miroirs galvano (8, 18) et peut pointer ou balayer le Substrat sur sa trajectoire. La puissance et la fréquence du faisceau (23) sont pilotées en boucle fermée ou par un algorithme spécifique selon la consigne thermique à atteindre et les mesures thermiques du dispositif de caméras IR. Dans le cas où le substrat à pré-chauffer se trouverait en Zone (26), alors le faisceau (22) serait dirigé vers cette zone, l’état du séparateur de faisceau laser (2) étant alors inversé. La fonction de « pré-chauffe » illustrée par le mode de fonctionnement de la FIG. 1 est primordial pour la qualité d’interface/soudage. La fonction illustrée par la FIG. 2 permet d’adapter le profil de refroidissement sur une zone de balayage plus grande ; la température ambiante et la température effective du corde juste déposé interviennent dans la fixation des paramètres du faisceau laser de balayage Avantageusement, les configurations de la FIG. 1 et de la FIG. 2 assurant respectivement les fonctions de « pré-chauffe » et de « maîtrise de refroidissement » peuvent co-exister autour de la tête d’apport (11) afin de remplir simultanément ces deux fonctions et ce à 360° autour de la tête d’apport. Contexte de commande illustré par la figure 3 Les deux caméras IR (31, 32) assurent la lecture thermique des zones (41, 42) pour fournir les informations au calculateur assurant le pilotage des actionneurs (4 à 8) des miroirs galvano (7, 17 ; 8, 18) pour ajouter un flux thermique au substrat sur la future trajectoire de dépose avec une boucle d’asservissement du laser grâce aux mesures thermiques. Contexte de commande illustré par la figure 4 Dans cet exemple, le système comprend un laser (1) dédié à la préchauffe et un laser (5) dédié à la maîtrise de refroidissement » en aval. Le dispositif prévoit d’assurer à la fois la Fonction de « pré-chauffe » (en amont) et la Fonction 2 de «maîtrise du refroidissement en aval ». Pour cela, la tête d’apport (11) est orientable en rotation autour de son axe pour que la zone (26) destinée à la pré-chauffe pointe effectivement sur le substrat quelle que soit la trajectoire de dépose. Une caméra Infra-Rouge (31) mesure localement la température du substrat légèrement avant la zone (26) du traitement laser ainsi que l’échauffement qu’il génère dans le but d’effectuer une régulation en boucle fermée. La zone (36) peut être plus restreinte car localisée proche du point de dépose. Une caméra à haute fréquence est souhaitable. Des miroirs galvano sont une option pour réaliser un balayage spécifique sur le substrat. En aval, la zone (42) est plus large car la portion du nouveau dépôt en cours de refroidissement est plus longue et sinueuse. Comme la tête d’apport tourne sur elle-même, Des miroirs galvano sont nécessaires pour que le Laser de Fonction de maîtrise du refroidissement s’adapte au changement d’orientation de la tête et la forme complexe à traiter. – Système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur comprenant un dispositif de préparation d’un matériau thermoactivable présentant une tête d’apport (11) mobile selon plusieurs axes par rapport à un support du substrat (26, 27) récepteur, un moyen de chauffage (1) orientable en direction d’un premier point de la zone de dépose dudit cordon sur ledit substrat (26, 27) récepteur et un dispositif de mesure thermique (31,32), sans contact fournissant une image thermique d’une première partie de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable Caractérisé en ce qu’il comporte : au moins un deuxième moyen de chauffage orientable en direction d’un second point de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable Ledit système comportant un calculateur pour commander une première orientation dudit premier moyen de chauffage et une seconde orientation dudit second moyen de chauffage (31,32) et pour commander l’activation, la modulation de flux d’énergie et/ou la désactivation de chacun desdits moyens de chauffage (31,32),. – Système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits deux moyens de chauffage sont disposés de part et d’autre dudit dispositif de préparation d’un matériau thermoactivable. – Système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte en outre un dispositif de mesure thermique sans contact additionnel fournissant une deuxième image thermique d’une deuxième partie de la zone de dépose dudit matériau thermoactivable, complémentaire de ladite première partie par rapport à la tête d’apport (11), – Système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’un au moins desdits moyens de chauffage est constitué par un laser ou une lampe rayonnante focalisée. – Système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage sont constitués par un laser unique, un séparateur de faisceau (2) et à deux systèmes de balayage à miroirs galvanométriques. – Système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage sont constitués par un laser unique et une fibre optique disposée autour de la tête d’apport (11), et présentant une pluralité de sorties. – Système de dépose d’un matériau thermoactivable sur un substrat récepteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte en outre une caméra fournissant une image texturée de ladite zone de dépose dudit matériau thermoactivable.