INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
De préférence, les particules de la poudre sont obtenues par une technique d’atomisation au gaz ou une technique d’atomisation à l’eau. Dans le procédé d’atomisation à l’eau, la poudre obtenue est irrégulière ce qui rend la pièce fabriquée par le procédé selon l’invention davantage favorable à l’ascension de liquide par capillarité.
De préférence, les particules de la poudre comportent au moins un métal pour plus de 90,0 % de leur masse, de préférence plus de 95,0 % de leur masse, voire sont constituées uniquement de métal. De préférence, le métal est choisi parmi l’aluminium, le cuivre, le nickel, le fer et un alliage comportant plus de 50 % en masse d’un métal choisi parmi l’aluminium, le cuivre, le nickel et le fer, par exemple un acier inoxydable.
De préférence, le lit formé à l’étape a) a une épaisseur comprise entre 400 et 1400 µm.
De préférence, la formation du lit de particules comporte l’étalement d’une portion de la poudre par un rouleau. Avantageusement, le lit présente ainsi une épaisseur sensiblement constante et les particules qui le constituent sont réparties sensiblement uniformément sur sa surface.
A l’étape b), la liaison des particules entre elles peut être réalisée par fusion partielle et coalescence entre elles des particules de la poudre.
De préférence, le rapport du diamètre du faisceau laser sur le diamètre équivalent médian de la poudre est inférieur à 0,5, de préférence inférieur à 0,3, mieux inférieur à 0,2. L’énergie du faisceau laser est ainsi concentrée sur une zone d’une taille inférieure au diamètre médian des particules de la poudre, ce qui facilite la formation de liaisons entre les particules tout en maintenant une porosité entre les particules.
Les lignes des premier et deuxième motifs peuvent être curvilignes ou rectilignes. De préférence elles sont rectilignes, ce qui simplifie la mise en œuvre du lasage, i.e. du balayage par le faisceau laser, de la portion du lit.
L’ « écart-vecteur » d’un motif est la distance séparant deux lignes adjacentes balayées consécutivement par le faisceau laser, la distance étant mesurée perpendiculairement auxdites lignes.
De préférence, le rapport de l’écart-vecteur du premier motif sur le diamètre équivalent médian de la poudre et le rapport de l’écart-vecteur du deuxième motif sur le diamètre équivalent médian de la poudre sont chacun compris entre 0,6 et 2,0.
De préférence, l’écart-vecteur du premier motif est égal à l’écart-vecteur du deuxième motif.
De préférence, les premier et deuxième motifs sont entrelacés.
De préférence, chacune des lignes du deuxième motif est équidistante de deux lignes adjacentes du premier motif. Ainsi, l’énergie du laser est répartie uniformément vers chacune des lignes adjacentes du premier motif. Par exemple, le deuxième motif est obtenu par translation du premier motif le long d’un axe perpendiculaires aux lignes du premier motif.
De préférence, la ligne du premier motif et la ligne du deuxième motif qui sont balayées en premier par le faisceau laser sont adjacentes. De préférence, elles sont balayées par le faisceau laser selon un même sens de parcours.
Chacune des lignes du premier motif peut être balayée selon un même sens de parcours et/ou chacune des lignes du deuxième motif peut être balayée selon un même sens de parcours. En variante, chacune des lignes du premier motif peut être balayée selon un sens de parcours opposé au sens de parcours des lignes adjacentes du premier motif, et/ou chacune des lignes du deuxième motif peut être balayée selon un sens de parcours opposé au sens de parcours des lignes adjacentes du deuxième motif.
De préférence, notamment lorsque les particules sont faites d’un acier inoxydable, la densité d’énergie volumique apportée par le faisceau laser lors du balayage selon le premier motif et/ou selon la densité d’énergie volumique apportée par le faisceau laser lors du balayage selon le deuxième motif sont comprises entre 0,5 J/mm 3 et 3,0 J/mm 3 .
Une telle densité d’énergie volumique résulte en une bonne liaison des particules du lit à la fois entre elles et, le cas échéant, avec l’ébauche de la pièce formée au cours des cycles précédents de la fabrication additive. En outre, elle permet d’éviter une densification excessive de la pièce et de contrôler la porosité interparticulaire dans la pièce convenant au transfert fluidique.
Ainsi, de manière innovante, la Demanderesse a développé un dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien répondant à ce problème technique, et permettant une productivité accrue, l’obtention de produit alimentaire de n’importe quelle forme, au goût et à la texture maîtrisée, avec une esthétique similaire aux procédés traditionnels, et facilement nettoyable.
Le document brevet US 2017/0251713 A1 décrit une imprimante 3D alimentaire munie d’un plateau d’impression amovible dans lequel une pièce de nourriture est fabriquée. Un matériau (pâte alimentaire) est extrudé d’une tête d’impression puis est injecté par la tête d’impression dans un plateau. Pour ce faire, le plateau est disposé en-dessous de la tête d’impression et reçoit la pâte alimentaire extrudée par la tête d’impression. L’imprimante 3D alimentaire comporte en outre un dispositif de vibration agissant sur le plateau d’impression afin de niveler le matériau. Toutefois, un inconvénient d’une telle imprimante 3D alimentaire est qu’elle impose des limitations en termes de géométrie des matériaux visqueux injectés et de vitesse de dépose. En outre, un autre inconvénient de l’imprimante 3D décrite dans ce document est qu’elle requiert l’ajout d’additifs dans le produit alimentaire fabriqué.
Afin de résoudre ces inconvénients, il est connu du document brevet US 2003/0090034 A1 un procédé d’impression d’un matériau visqueux au sein d’une matrice. Les propriétés rhéologiques particulières de la matrice rendent le procédé possible, dans la mesure où la matrice maintient le matériau visqueux en place jusqu’à sa solidification. Cette matrice peut se présenter sous forme de gel ou bien sous forme de poudre. Toutefois, un inconvénient du procédé décrit dans ce document est qu’il ne permet pas de maintenir le niveau de la matrice au-dessus de la zone d’impression, ce qui nuit à l’auto-réparabilité de la matrice et génère des efforts mécaniques sur la tête d’impression (qui est plongée dans la matrice), de tels efforts étant susceptibles d’endommager cette dernière. En outre, un tel système ne permet pas de garantir que le matériau injecté est toujours en suspension dans la matrice. Le dispositif d’impression 3D alimentaire selon la présente invention vise ainsi à mettre à profit un tel procédé, tout en améliorant l’écoulement de la matrice ainsi que la réparabilité et la densité de la poudre, et en réduisant les efforts mécaniques sur la tête d’impression. Le dispositif d’impression 3D alimentaire selon la présente invention vise en outre à obtenir des produits alimentaires fabriqués par impression 3D sans utiliser d’additifs et sans altérer le goût et la texture des produits alimentaires fabriqués.
Description de l’invention La présente invention vise à résoudre tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique cités précédemment.
Ainsi, selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif d’impression 3D alimentaire de type cartésien comprend : un bac d’impression amovible ; une tête d’impression positionnée en regard du bac d’impression et capable d’extruder des pâtes alimentaires, ladite tête d’impression se déplaçant selon deux axes orthogonaux ; un plateau d’impression configuré pour permettre le déplacement de la tête d’impression selon un troisième axe orthogonal aux deux autres axes ; un système d’apport de poudre ou de gel alimentaire configuré pour permettre un remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression avec ladite poudre ou ledit gel alimentaire, ladite poudre ou ledit gel alimentaire déposée dans le bac d’impression constituant une matrice ; et un système de vibration relié au bac d’impression, permettant de faire vibrer ladite matrice dans ledit bac d’impression.
Le remplissage séquentiel ou régulier du bac d’impression effectué par le système d’apport de poudre ou de gel alimentaire est réalisé afin de maintenir une hauteur constante de poudre ou de gel comprise entre 1 et 20 cm pour constituer la matrice et ainsi garder une hauteur (niveau de la matrice) au-dessus de la zone d’impression, et cela couche après couche. Ce système est nécessaire car les efforts créés sur la tête d’impression augmentent avec la quantité de poudre ou de gel dans laquelle la tête est plongée. Un remplissage séquentiel en suivant la hauteur d’impression permet de garder une quantité de poudre ou de gel nécessaire à l’auto-réparation de la matrice tout en limitant les efforts s’exerçant sur la tête d’impression. Un tel remplissage séquentiel permet en outre de garantir que le matériau injecté dans la matrice est toujours en suspension dans cette dernière.
Le bac d’impression est maintenu statique pendant le déplacement de la tête d’impression, de manière à éviter le maximum de déplacement et de décalage potentiel entre chaque couche imprimée.
De manière préférée, la tête d’impression est capable d’extruder des pâtes alimentaires ayant une viscosité comprise entre 10 -1 mPa.s et 10 7 mPa.s. Une telle plage de valeurs permet d’utiliser différentes pâtes alimentaires, présentant un large spectre de viscosité.
Selon un mode de réalisation, la tête d’impression comprend un réservoir permettant de contenir de la pâte alimentaire. Selon un autre mode de réalisation, le réservoir de pâte alimentaire est déporté de la tête d’impression et est fixé sur la structure du dispositif d’impression 3D.
La tête d’impression est maintenue solidement pour pouvoir imprimer avec précision dans la matrice, et donc fabriquer une représentation fidèle du fichier 3D transmis par ordinateur.
Selon un mode de réalisation, la tête d’impression est munie d’une buse d’impression. La buse d’impression a une taille adaptée au produit à confectionner, et peut être changée simplement pour l’adapter à un éventuel autre produit à confectionner. Ceci revient à modifier le débit d’extrusion de la tête, et cela sans dégrader l’aspect esthétique du produit alimentaire final.
De manière préférée, dans le cas d’un apport de poudre, ladite poudre alimentaire a une granulométrie comprise entre 1 µm et 1500 µm de diamètre, de préférence entre 5 µm et 200 µm, une humidité relative comprise entre 0% et 80%, une densité comprise entre 0.1 kg/litre et 1 kg/litre, de préférence entre 0.3 kg/litre et 0.8 kg/litre, et une thermoconductivité comprise entre 0.01 W/m/K et 1 W/m/K, de préférence entre 0.03 W/m/K et 0.2 W/m/K. La poudre alimentaire présente ainsi des propriétés spécifiques (et particulièrement adaptées à l’application visée) de thermoconduction et de résistance à de fortes températures sans changement de phase (température de vitrification élevée), ni de décomposition sous l’effet de chaleur. De telles propriétés permettent également à la poudre de ne pas changer d’état pendant les phases de congélation/surgélation, ni pendant les phases de cuisson. La poudre alimentaire présente également des propriétés spécifiques (et particulièrement adaptées à l’application visée) de coulabilité (au moment de la dépose), de réparabilité (pendant la phase d’impression 3D) et de densité (après le passage de la tête d’impression et au repos).
Le bac d’impression comprend la matrice. La matrice (constituée de la poudre ou du gel alimentaire) permet de contenir les pâtes alimentaires en forme.
De manière préférée, le système de vibration est positionné sur le bac d’impression ou sur un support du bac d’impression.
Les poudres utilisées dans le cadre de l’invention sont très cohésives et par conséquent le passage de la tête d’impression peut poser des problèmes. Ce passage de la tête d’impression dans la matrice laisse un sillon dans la matrice. Le sillon de la matrice laisse une zone vide de poudre au-dessus de la pâte extrudée par la tête. Par conséquent, la matrice ne joue plus son rôle antigravitaire. La présence du système de vibration sur le bac d’impression permet de faire vibrer la matrice et ainsi lui permettre un écoulement facilité. Dans ce cas, le sillon créé par la tête d’impression se referme rapidement grâce à la poudre aux alentours. Ce système de vibration permet ainsi d’améliorer la réparabilité et la densité de la poudre.
ou ,
où R 6 et R 7 , qui sont identiques ou différents, sont choisis parmi l'hydrogène ou des chaînes alkyle avec 1 à 4 atomes de carbone, des chaînes hydroxylalkyle avec 1 à 4 atomes de carbone, ou une chaîne di-hydroxylalkyle avec 2 à 4 atomes de carbone, ou
où R 8 et R 9 , qui sont identiques ou différents, sont choisis parmi des chaînes alkyle avec 1 à 4 atomes de carbone, des chaînes hydroxylalkyle avec 1 à 4 atomes de carbone, ou des chaînes di-hydroxylalkyle avec 2 à 4 atomes de carbone ; R 10 est choisi parmi des chaînes alkyle avec 1 à 4 atomes de carbone, des chaînes hydroxylalkyle avec 1 à 4 atomes de carbone, ou des chaînes di-hydroxylalkyle avec 2 à 4 atomes de carbone.
Dans certains cas, R 4 dans la formule (VII) est une chaîne alkyle saturée ou insaturée, linéaire ou ramifiée, avec 10 à 24 atomes de carbone, de manière davantage préférée 12 à 22 atomes de carbone, et R 5 est un groupe alkyle linéaire ou ramifié avec 1 à 4 atomes de carbone, et A, B, et R 6 à R 10 sont les mêmes que ci-dessus.
Les tensioactifs cationisables peuvent être choisis parmi les alkylamines grasses, de préférence les dialkylamines grasses. Des exemples non limitatifs incluent la diméthyl lauramine, la diméthyl béhénamine, la diméthyl cocamine, la diméthyl myristamine, la diméthyl palmitamine, la diméthyl stéaramine, la diméthyl tallowamine, la diméthyl sojaamine, et leurs mélanges.
Les dialkylamines grasses incluent les composés amidoamines gras, leurs sels et leurs mélanges. Des exemples non limitatifs incluent oléamidopropyl diméthylamine, linoléamidopropyl diméthylamine, isostéaramidopropyl diméthylamine, stéaramidopropyl diméthylamine, oléylhydroxyéthylimidazoline, stéaramidopropyldiméthylamine, béhénamidopropyldiméthylamine, béhénamidopropyldiéthylamine, béhénamidoéthyldiéthylamine, béhénamidoéthyldiméthylamine, arachidamidopropyldiméthylamine, arachidamidopropyidiéthylamine, arachidamidoéthyldiéthylamine, arachidamidoéthyl-diméthylamine, brassicamidopropyldiméthylamine, lauramidopropyl diméthylamine, myristamidopropyl diméthylamine, dilinoléamidopropyl diméthylamine et palmitamidopropyl diméthylamine.
Des acides mono-, di- et/ou tri-carboxyliques non polymériques peuvent être utilisés pour « neutraliser » les dialkylamines grasses. Dans certains cas, le ou les acides mono-, di- et/ou tri-carboxyliques non polymériques incluent au moins un acide dicarboxylique. Des exemples non limitatifs incluent l'acide lactique, l'acide oxalique, l'acide malonique, l'acide malique, l'acide glutarique, l'acide citraconique, l'acide succinique, l'acide adipique, l'acide tartrique, l'acide fumarique, l'acide maléique, l'acide sébacique, l'acide azélaïque, l'acide dodécanedioïque, l'acide phtalique, l'acide isophtalique, l'acide téréphtalique, l'acide 2,6-naphtalène dicarboxylique, l'acide benzoïque ou leurs mélanges. En particulier, l'acide lactique ou l'acide tartrique ou leurs mélanges sont utiles, notamment en combinaison avec des diméthylamines grasses telles que, par exemple, la stéaramidopropyl diméthylamine.
Dans un mode de réalisation, une composition divulguée dans le présent document peut être formulée avec un tensioactif cationique choisi parmi le chlorure de béhentrimonium, le chlorure de cétrimonium, le méthosulfate de béhentrimonium, ou leurs mélanges.
Les compositions divulguées dans le présent document peuvent être formulées de telle sorte que les deux tensioactifs cationiques ou plus soient associés à des ions anioniques d'équilibrage identiques ou différents. Par exemple, au moins un des deux ou plusieurs tensioactifs cationiques peut avoir un ion chlorure et/ou un ion sulfate. Dans certains cas, les deux ou plusieurs tensioactifs cationiques comprennent le chlorure de cétrimonium et l'un ou les deux parmi le méthosulfate de béhentrimonium et le chlorure de béhentrimonium. Dans d'autres cas, les deux ou plusieurs tensioactifs cationiques comprennent le chlorure de béhentrimonium et l'un ou les deux parmi le méthosulfate de béhentrimonium et le chlorure de cétrimonium.
Dans un autre cas encore, le ou les tensioactifs cationiques, lorsqu'ils sont présents, sont choisis parmi chlorure de cétrimonium, chlorure de stéarimonium, chlorure de béhentrimonium, méthosulfate de béhentrimonium, méthosulfate de béhénamidopropyltrimonium, chlorure de stéaramidopropyltrimonium, chlorure d'arachidrimonium, chlorure de distéaryldimonium, chlorure de dicétyldimonium, chlorure de tricétylmonium, oléamidopropyl diméthylamine, linoléamidopropyl diméthylamine, stéaramidopropyl diméthylamine, oléyl hydroxyéthyl imidazoline, stéaramidopropyldiméthylamine, béhénamido-propyldiméthylamine, béhénamidopropyldiéthylamine, béhénamidoéthyldiéthylamine, béhénamidoéthyldiméthylamine, arachidamidopropyldiméthylamine, arachidamido-propyidiéthylamine, arachidamidoéthyldiéthylamine, arachidamidoéthyldiméthylamine, ou leurs mélanges.
Dans divers modes de réalisation, la quantité totale de tensioactifs cationiques, lorsqu'ils sont présents dans les compositions, peut se situer dans une plage allant d'environ 0,1 % à environ 10 % en poids, y compris toutes les plages intermédiaires, par exemple d'environ 0,1 % à environ 10 %, d'environ 0,1 % à environ 8 %, d'environ 0,1 % à environ 6 %, d'environ 0,1 % à environ 4 %, d'environ 0,1 % à environ 3 %, d'environ 0,1 % à environ 2,5 %, d'environ 0,1 % à environ 2 %, d'environ 0,1 % à environ 1,5 %, d'environ 0,1 % à environ 1 %, d'environ 0,5 % à environ 10 %, d'environ 0,5 % à environ 8 %, d'environ 0,5 % à environ 6 %, d'environ 0,5 % à environ 4 %, d'environ 0,5 % à environ 3 %, d'environ 0,5 % à environ 2,5 %, d'environ 0,5 % à environ 2 %, d'environ 0,5 % à environ 1,5 %, d'environ 0,5 % à environ 1 %, d'environ 1 % à environ 10 %, d'environ 1 % à environ 8 %, d'environ 1 % à environ 6 %, d'environ 1 % à environ 4 %, d'environ 1 % à environ 3 %, d'environ 1 % à environ 2,5 %, ou d'environ 1 % à environ 2 % en poids, par rapport au poids total de la composition.
Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d’une structure poreuse pour le transport d’un fluide, en particulier destinée à former un échangeur de chaleur et/ou au contact de laquelle une réaction chimique peut s’effectuer par l’intermédiaire du fluide transporté. Il existe notamment un besoin pour un procédé de fabrication d’une structure poreuse avec une perméabilité contrôlée et tout en comportant des pores d’une faible taille, notamment inférieure à 200 µm.
Pour ce faire, l’invention concerne un procédé de fabrication additive d’une pièce poreuse, le procédé comprenant la répétition d’un cycle comportant les étapes de : a) formation d’un lit de particules métalliques à partir d’une poudre desdites particules, le percentile dix D 10 du diamètre équivalent des particules de la poudre étant supérieur à 250 µm, b) liaison des particules entre elles par balayage d’au moins une portion du lit avec un faisceau laser selon un trajet suivant un premier motif puis un deuxième motif qui sont chacun formés de lignes parallèles et écartées les unes des autres, les premier et deuxième motifs étant entrelacés ou identiques, le faisceau laser présentant un diamètre inférieur au diamètre équivalent médian D 50 de la poudre, le rapport de l’écart-vecteur du premier motif sur le diamètre équivalent médian de la poudre et le rapport de l’écart-vecteur du deuxième motif sur le diamètre équivalent médian de la poudre étant chacun compris entre 0,5 et 3,0.
Les procédés de fabrication additive de pièces poreuses connus mettent en œuvre des poudres présentant un diamètre équivalent médian inférieur à 100 µm, et même plus généralement inférieur à 50 µm. C’est le cas par exemple pour la production de treillis à pores cellulaires décrits précédemment. Il est connu de l’homme du métier que la force motrice pour la coalescence de particules voisines lors du balayage laser dépend de la courbure desdites particules en leur point de contact, que des particules de faible diamètre présentent des courbures plus faibles en leur point de contact que des particules de plus grand diamètre, et donc, que la coalescence de particules voisines lors d’un balayage laser est plus facile pour des particules de faible diamètre. La mise en œuvre, selon l’invention, d’une poudre de particules métallique ayant un D 10 supérieur à 250 µm pour la fabrication additive n’est donc ni usuelle ni intuitive pour l’homme du métier.
Par ailleurs, le procédé selon l’invention ne nécessite pas la génération d’un fichier informatique contenant la géométrie d’un treillis et le trajet complexe du faisceau laser, couche par couche, pour produire le treillis. Il est donc de mise en œuvre simple.
En outre, dans les procédés de l’art antérieur, le diamètre du faisceau laser est supérieur au diamètre équivalent médian de la poudre, assurant la fusion complète d’un nombre élevé de particules au passage du faisceau laser sur ces particules, et favorisant ainsi la formation d’une pièce dense. Selon l’invention, le balayage de manière non conventionnelle par le faisceau laser présentant un faible diamètre par rapport au D 10 de la poudre en suivant le premier motif et le deuxième motif permet avantageusement un compromis optimal entre diffusion et accumulation de la chaleur à l’échelle de la pièce pour créer des liaisons, aussi dénommées cous de liaison, entre les particules et assurer la formation d’une porosité entre les particules liées, favorable au transfert fluidique. En particulier, le balayage suivant les premier et deuxième motifs échauffent localement les particules balayées par le faisceau laser, ce qui induit une augmentation de la température moyenne de la portion du lit.
Le « diamètre équivalent médian », aussi dénommé D 50 , d’une poudre de particules correspond à la médiane de la distribution granulométrique des diamètres équivalents des particules de la poudre. La distribution granulométrique des diamètres équivalents des particules d’une poudre peut être mesurée par granulométrie laser, par exemple avec un granulomètre Mastersizer 2000 commercialisé par la société Malvern Panalytical.
De préférence, la poudre présente un percentile quatre-vingt-dix D 90 du diamètre équivalent des particules de la poudre inférieur à 1200 µm, de préférence inférieur à 900 µm, de préférence inférieur à 600 µm.
La poudre peut présenter un diamètre équivalent médian D 50 compris entre 250 µm et 900 µm, de préférence entre 350 µm et 500 µm.
Le percentile N (D N ) du diamètre équivalent des particules d’une poudre est la valeur de ce diamètre équivalent correspondant aux pourcentages, en volume, de N % sur la courbe de distribution cumulée des diamètres équivalents des particules. Par exemple, 10 %, en volume, des particules de la poudre ont un diamètre équivalent inférieur à D 10 et 90 %, en volume, des particules ont un diamètre équivalent supérieur ou égal à D 10 ; 90 %, en volume, des particules de la poudre ont un diamètre équivalent inférieur à D 90 et 10 %, en volume, des particules ont un diamètre équivalent supérieur ou égal à D 90 . Ainsi, le percentile cinquante D 50 correspond au diamètre équivalent médian de la distribution.
La poudre peut présenter un indice de dispersion I d inférieur à inférieur à 0,5, voire inférieur à 0,3, voire inférieur à 0,1.
L’indice de dispersion I d d’une poudre est le rapport de la différence entre le percentile quatre-vingt-dix D 90 et le percentile dix D 10 de la poudre, divisée par le diamètre équivalent médian D 50 de la poudre.
De préférence, au moins 80 %, de préférence au moins 90 %, de préférence au moins 95 %, mieux au moins 99 % des particules de la poudre présentent un facteur de forme supérieur à 0,6, préférentiellement supérieur à 0,9.