DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne un filament pour impression 3D, un procédé de fabrication d'un tel filament, et un procédé de fabrication d'un objet par impression 3D utilisant un tel filament.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION

La fabrication d'objets par impression 3D prend une ampleur de plus en plus grande, non seulement à des fins de prototypage mais pour des productions à l'échelle industrielle.

Par impression 3D, on entend un procédé dans lequel on entraîne un filament d'un matériau thermoplastique au travers d'un tube d'alimentation jusqu'à une tête d'impression comprenant des moyens de chauffage permettant de chauffer le filament de manière localisée de sorte à le fondre, puis on extrude le matériau fondu au travers d'une buse située en aval des moyens de chauffage sur le trajet du filament. Le matériau fondu est déposé sur un support, sous la forme de couches successives superposées.

Les premiers objets ont été fabriqués avec des filaments d'ABS (acrylonitrile butadiène styrène) ou de PLA (acide polylactique), dans la mesure où ce matériau se prête facilement à l'impression 3D. Toutefois, l'ABS ne confère pas à l'objet de propriétés mécaniques intéressantes ; de plus, sa fusion génère des vapeurs toxiques. Par ailleurs, le PLA, qui présente d'être l'avantage d'être un matériau biosourcé, procure des propriétés mécaniques très faibles et se dégrade en vieillissant.

Le besoin est donc apparu de fabriquer des objets par impression 3D présentant des propriétés mécaniques aussi proches que possibles de celles obtenues avec des procédés de fabrication traditionnels tels que l'injection des matériaux thermoplastiques, par exemple.

A cet effet, des tentatives ont été effectuées pour incorporer au matériau une charge destinée à modifier les propriétés mécaniques de l'objet finales. Ces charges peuvent se présenter sous la forme de poudres, de fibres coupées ou de fibres continues ou discontinues.

Toutefois, la présence de ces charges dans le filament pose des problèmes dans la mise en œuvre du procédé d'impression 3D.

Ainsi, par exemple, dans le cas d'une charge constituée de fibres de verre, qui sont abrasives, il a été constaté que les composants de l'imprimante 3D en contact avec le filament (galets d'entraînement, tube d'alimentation, etc.) s'usent rapidement. Selon un autre exemple, dans le cas d'une charge constituée de particules métalliques, qui sont thermiquement conductrices, il a été constaté que, dans la tête d'impression, le filament est fondu sous l'action des moyens de chauffage mais que, par un effet de conduction thermique par les fibres métalliques, une partie du filament située en amont de la zone fondue s'échauffe également, se ramollit et colle aux parois du tube d'alimentation, bouchant ainsi ledit tube.

Un autre problème se posant avec l'utilisation de matériaux techniques tels que le polyamide est que, comme ce matériau est sujet à une importante reprise d'humidité, le filament absorbe une quantité d'eau importante avant son utilisation. Lorsque le matériau est chauffé dans la tête d'impression, l'eau absorbée se transforme en vapeur et des bulles se créent lors de l'impression, générant ainsi des défauts de l'objet.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

Un but de l'invention est donc de concevoir un filament pour impression 3D qui permette de s'affranchir des problèmes précités, tout en permettant l'obtention d'objets présentant des propriétés mécaniques variées, adaptées à l'usage prévu pour l'objet.

Conformément à l'invention, il est proposé un filament pour impression 3D, caractérisé en ce qu'il présente une âme présentant une première composition et une enveloppe entourant l'âme présentant une seconde composition différente de celle de l'âme, l'âme et l'enveloppe comprenant chacune un matériau thermoplastique, le matériau thermoplastique de l'enveloppe étant miscible avec celui de l'âme.

Selon un mode de réalisation, le filament présente une section dont la forme est celle d'un polygone régulier.

Par exemple, ladite section peut être en forme d'étoile.

De manière alternative, le filament peut présenter une section dont la forme est sensiblement celle d'un polygone régulier, avec au moins un côté et/ou un sommet arrondi.

Selon une forme d'exécution, l'âme comprend une charge sous la forme de fibres ou d'une poudre et l'enveloppe est dépourvue d'une charge.

Selon un mode de réalisation, la charge de l'âme comprend des fibres de verre, de carbone, de poly(p-phénylène-2,6-benzobisoxazole) (PBO) et/ou d'aramide.

De manière avantageuse, les fibres sont des fibres coupées ou broyées présentant un diamètre compris entre 18 et 70 μηη et une longueur comprise entre 50 et 500 μηη.

Selon un mode de réalisation, la charge de l'âme comprend une poudre de particules thermiquement conductrices.

De manière avantageuse, les particules thermiquement conductrices comprennent des particules métalliques. Selon une forme d'exécution, l'âme comprend du polyamide et l'enveloppe est réalisée en un matériau imperméable à l'humidité et/ou présentant un taux de reprise d'humidité inférieur à celui du polyamide de l'âme.

De manière avantageuse, l'âme comprend du PA6, du PA6/66 ou du PA6/66/12. Le matériau de l'enveloppe comprend de préférence du polyamide 12, du polyamide

10 ou du polyamide 1010.

De préférence, lequel l'enveloppe présente une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,30 mm, de préférence entre 0,05 et 0,20 mm.

Le diamètre du filament est typiquement compris entre 1 et 3 mm.

Un autre objet concerne un procédé de fabrication du filament décrit ci-dessus.

Selon ledit procédé, l'enveloppe est formée autour de l'âme par coextrusion.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'objet par impression 3D, dans lequel on utilise un filament tel que décrit ci-dessus.

L'invention concerne également un procédé pour limiter le retrait d'un objet fabriqué par impression 3D au moyen d'une charge contenue dans un filament, dans lequel on fournit un filament tel que décrit ci-dessus, dans lequel l'âme comprend une charge sous la forme de fibres ou d'une poudre et l'enveloppe est dépourvue d'une charge, on entraîne ledit filament vers une tête d'impression dans lequel ledit filament est chauffé localement, et on extrude le filament fondu au travers d'une buse d'une imprimante 3D de sorte à former l'objet par superposition de couches successives, l'enveloppe préservant les composants de l'imprimante 3D d'une usure par la charge de l'âme.

L'invention concerne également un procédé pour contrôler le ramollissement d'un filament comprenant une charge de fibres thermiquement conductrices lors de la fabrication d'un objet par impression 3D, dans lequel on fournit un filament tel que décrit ci-dessus, dans lequel la charge de l'âme comprend une poudre de particules thermiquement conductrices, notamment métalliques, on entraîne ledit filament vers une tête d'impression dans lequel ledit filament est chauffé localement, et on extrude le filament fondu au travers d'une buse d'une imprimante 3D de sorte à former l'objet par superposition de couches successives, l'enveloppe formant une barrière thermiquement isolante limitant le ramollissement du filament en amont de la zone de la tête d'impression où il est chauffé.

L'invention concerne enfin un procédé pour éviter la formation de bulles lors de la fabrication d'un objet par impression 3D avec un filament comprenant du polyamide, dans lequel on utilise un filament tel que décrit ci-dessus, dans lequel l'enveloppe est réalisée en un matériau imperméable à l'humidité et/ou présentant un taux de reprise d'humidité inférieur à celui du polyamide de l'âme, l'enveloppe formant ainsi une barrière à la reprise d'humidité par le filament. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est un schéma de principe d'une imprimante 3D,

- la figure 2 est une vue d'un filament selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 3 présente des vues en coupe d'un filament selon différentes formes d'exécution de l'invention.

Pour des raisons de lisibilité des figures, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

La figure 1 est un schéma de principe d'une imprimante 3D. La structure d'une telle imprimante étant connue en elle-même, seuls les composants utiles à la compréhension de l'invention sont décrits ici.

L'imprimante 100 est alimentée par une bobine d'un filament 1 .

Ledit filament 1 est introduit dans l'imprimante puis entraîné et guidé vers une tête d'impression 101 qui comprend, de l'amont vers l'aval sur la trajectoire du filament, une zone dite « froide » 1010, une zone dite « chaude » 101 1 comprenant des moyens de chauffage du filament adaptés pour le faire fondre localement, et une buse 1012 au travers de laquelle le matériau fondu est extrudé.

Un support 200 est placé en regard de la buse 1012 pour recevoir le matériau fondu et supporter l'objet au cours de sa fabrication par empilement de couches.

La zone froide 1010 est maintenue à une température sensiblement inférieure à celle de la zone chaude de sorte à ne pas provoquer de fusion du filament dans ladite zone 1010. En effet, une fusion voire un ramollissement significatif du filament occasionnerait un colmatage de la tête. A cet effet, la zone froide peut comporter des moyens de refroidissement.

Sur son trajet vers la tête 101 , le filament est entraîné par des moyens d'entraînement 102 tels que des galets par exemple. Avant d'entrer dans la tête 101 , le filament est guidé dans un tube 103.

Naturellement, la structure représentée sur la figure 1 est donnée à titre d'illustration et n'est en aucun cas limitative en ce qui concerne la structure des imprimantes 3D susceptibles d'utiliser le filament selon l'invention.

On va maintenant décrire différents modes de réalisation du filament.

Par « composition » on entend l'ensemble des constituants de l'âme et de l'enveloppe. Ces constituants comprennent :

- au moins un matériau thermoplastique (ou un mélange de matériaux thermoplastiques) formant une matrice présentant un point de fusion convenant à la fusion dans une tête d'impression d'une imprimante 3D puis à l'extrusion au travers d'une buse en sortie de la tête, et

- éventuellement : une charge sous la forme de particules (billes, fibres, etc.) et/ou des additifs (par exemple : agents compatibilisants, assouplissants, colorants etc.) permettant d'ajuster les propriétés de la composition.

L'âme et l'enveloppe présentent des matériaux thermoplastiques qui sont miscibles l'un avec l'autre, de sorte que, bien que l'enveloppe forme une couche distincte de l'âme lorsque le filament est introduit dans l'imprimante 3D, le matériau de l'objet fabriqué est un mélange intime desdits matériaux.

Les compositions de l'âme et de l'enveloppe peuvent différer par la nature de leurs constituants et/ou par la proportion de chaque constituant.

La figure 2 illustre un filament selon un mode de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, le filament présente une section circulaire, mais l'invention n'est pas limitée à une géométrie particulière. Lorsque le filament n'est pas circulaire, on considère le diamètre d'un filament circulaire dont la section présente une aire identique.

Le diamètre du filament est typiquement compris entre 1 et 3 mm, les diamètres les plus répandus à l'heure actuelle pour les filaments pour impression 3D étant de 1 ,75 mm, 2,85 mm et 3 mm. Toutefois, ces valeurs ne sont pas limitatives et pourront évoluer selon les besoins du marché.

La fabrication du filament comprend la formation de l'âme par extrusion au travers d'une filière appropriée. L'enveloppe peut être formée par extrusion en même temps que l'âme (coextrusion) ou par une autre technique de recouvrement mise en œuvre au cours de la fabrication de l'âme ou ultérieurement, en reprise. Le procédé de coextrusion est préféré dans la mesure où il permet d'obtenir l'âme et l'enveloppe en une unique opération.

Le procédé de fabrication est configuré pour assurer une tolérance très précise sur le diamètre du filament, de l'ordre du centième de millimètre.

A cet égard, il est à noter que les fils de coupe pour débroussailleuse, qui présentent typiquement un diamètre du même ordre de grandeur que les filaments pour impression 3D décrits dans le présent texte, ne conviennent pas pour l'impression 3D. En effet, le mécanisme d'entraînement du filament dans l'imprimante requiert une très grande précision dimensionnelle du filament, la tolérance sur le diamètre du filament étant, comme indiqué plus haut, de l'ordre du centième de millimètre. Les fils de coupe pour débroussailleuse ne requièrent pas une telle précision dimensionnelle et présentent une tolérance sur le diamètre de l'ordre du dixième de millimètre. Il en résulte que de tels fils ne pourraient être entraînés correctement dans une imprimante 3D, les variations de diamètre engendrant un entraînement irrégulier du fil et occasionnant rapidement un colmatage de la tête d'impression. L'enveloppe 1 1 forme une couche entourant entièrement l'âme 10 et présente une épaisseur sensiblement constante sur toute la périphérie de l'âme et sur la longueur du filament.

L'épaisseur de l'enveloppe est de préférence la plus fine possible pour remplir une fonction de barrière (dont des exemples sont exposés plus bas), sans affecter notablement les propriétés de l'objet obtenu par impression 3D. Ainsi, le matériau de l'enveloppe ne forme qu'une faible proportion du matériau de l'objet formé par impression 3D, qui est constitué d'un mélange intime des matériaux de l'âme et de l'enveloppe.

Par exemple, pour un filament de 1 ,75 mm de diamètre, l'épaisseur de l'enveloppe est avantageusement comprise entre 0,05 mm et 0,20 mm ; pour un filament de 2,85 ou 3 mm de diamètre, l'épaisseur de l'enveloppe peut être comprise entre 0,05 mm et 0,30 mm.

Selon un mode de réalisation, l'âme comprend une charge sous la forme de particules telles que des fibres ou une poudre.

Parmi les charges préférées, on peut citer :

- du verre,

- de l'aramide,

- du carbone,

- du poly(p-phénylène-2,6-benzobisoxazole) (PBO), commercialisé sous le nom ZYLON™, qui est utilisé dans de nombreux produits demandant une grande résistance mécanique et une bonne stabilité thermique,

- un métal,

- une céramique.

Lesdites charges peuvent se présenter sous la forme de poudre ou de fibres coupées. Eventuellement, il peut s'agir également de fibres continues.

S'agissant de fibres coupées ou broyées, le diamètre des fibres est typiquement compris entre 18 et 70 μηι. La longueur des fibres peut aller de 50 μηη jusqu'à 100 μηι, voire jusqu'à 500 μηι, des fibres longues ayant pour effet de liant de l'objet fabriqué par impression 3D à partir d'un tel filament.

Par ailleurs, suivant la nature et la quantité de charges incorporées au matériau de l'âme, lesdites charges peuvent avoir pour un ou plusieurs des effets suivants :

- augmenter la densité de l'objet,

- limiter le retrait de l'objet après impression,

- améliorer les propriétés mécaniques, thermiques, et/ou de conductivité électrique de l'objet,

- modifier l'aspect de l'objet. Par exemple, une forte proportion de charges métalliques dans l'âme permet de donner un aspect métallique à l'objet, d'augmenter sa densité et d'augmenter sa conductivité thermique et/ou électrique.

Selon un autre exemple, une charge telle que des fibres de verre permet de bloquer le retrait de l'objet et d'augmenter sa résistance mécanique.

Naturellement, l'homme du métier pourra utiliser les charges susmentionnées en combinaison, et pourra éventuellement y ajouter d'autres charges.

Au contraire de l'âme, l'enveloppe est dépourvue de charges.

Ainsi, l'enveloppe ne présente aucun caractère abrasif susceptible d'endommager les composants de l'imprimante 3D.

Des essais comparatifs ont ainsi été réalisés avec d'une part un filament constitué uniquement d'un matériau thermoplastique chargé de fibres de verre et d'autre part un filament conforme à l'invention, comprenant une âme constituée d'un matériau thermoplastique chargé de fibres de verre et une enveloppe constituée d'un matériau thermoplastique non chargé et miscible avec le matériau de l'âme. Avec le premier filament, l'imprimante 3D s'est colmatée en quelques minutes et un démontage de l'imprimante a montré une usure nette des galets d'entraînement du filament. Avec le second filament, l'imprimante a pu être utilisée pendant plusieurs heures sans présenter de signe d'usure.

Par ailleurs, l'enveloppe peut avantageusement être en un matériau formant une barrière à l'humidité. Ainsi, même si le matériau de l'âme présente une reprise d'humidité importante, l'enveloppe empêche la pénétration de l'eau au sein du filament et limite ainsi les variations dimensionnelles du filament.

Par exemple, l'âme peut comprendre du PA 6/66/12, qui présente un taux de reprise d'humidité de 4,5% dans une atmosphère à 20°C présentant un taux d'humidité de 50%.

Selon un autre exemple, l'âme peut comprendre du PA6/66 ou encore du PA6, qui présentent également un taux de reprise d'humidité élevé.

Ces polyamides, qu'ils soient chargés ou non, présentent des propriétés mécaniques intéressantes, permettant d'obtenir des objets présentant une bonne tenue mécanique, y compris en température.

L'enveloppe est avantageusement réalisée en PA12, en PA10 ou en PA1010, qui présentent un taux de reprise d'humidité inférieur à celui du PA6, du PA6/66 ou du PA6/66/12. Ainsi, le PA12 présente un taux de reprise d'humidité relativement faible (de l'ordre de 0,8%) et présente l'avantage d'adhérer parfaitement au matériau de l'âme (notamment s'agissant de PA6/66/12). Le PA10 présente un taux de reprise d'humidité encore plus faible (de l'ordre de 0,4%).

D'une manière plus générale, tout matériau imperméable et/ou présentant un faible taux de reprise d'humidité peut être employé pour former l'enveloppe, pour autant qu'il présente une adhésion suffisante vis-à-vis du matériau de l'âme (lequel n'est pas limité à du polyamide). On évite ainsi la formation de bulles dans l'âme lors du chauffage du filament.

L'enveloppe peut également former une barrière thermique permettant d'éviter un ramollissement excessif d'un filament dont l'âme comprendrait une charge thermiquement conductrice, comprenant typiquement un ou plusieurs métaux. Ladite enveloppe étant dépourvue d'une telle charge, elle procure une isolation thermique de l'âme qui évite le problème de colmatage évoqué en préambule.

Naturellement, selon le matériau choisi, l'enveloppe peut remplir tout ou partie des différentes fonctions mentionnées ci-dessus.

La figure 3 illustre différentes formes non circulaires que peut prendre la section du filament. L'épaisseur de l'enveloppe 1 1 étant sensiblement constante sur toute la périphérie du filament, la forme de l'âme 10 est sensiblement identique à celle de la section du filament complet.

Bien que les imprimantes 3D actuelles fonctionnent exclusivement avec des filaments de section circulaire (la tête d'impression présentant une ouverture de section circulaire pour le passage du filament), des filaments non circulaires présentant un périmètre augmenté par rapport au périmètre d'un cercle à aire équivalente présentent des avantages particuliers.

En effet, un tel filament non circulaire présente une surface de chauffage dans la tête d'impression supérieure à celle d'un filament rond. Par conséquent, à section ou masse égale, le temps de chauffe de ce filament est plus court, et l'on obtient notamment plus rapidement une fusion au centre de l'âme du filament.

De manière avantageuse, le filament présente une forme polygonale régulière, c'est- à-dire que sa section présente au moins un axe de symétrie, avec des côtés et des angles égaux. Le polygone peut être concave ou convexe. Le polygone s'inscrit avantageusement dans un cercle.

Un exemple particulièrement préféré est un filament en forme de polygone étoilé, comprenant de trois à huit sommets, de préférence de cinq à huit sommets.

Selon un autre exemple, le filament présente une section hexagonale régulière.

Selon une variante aux polygones précités, le filament peut présenter une forme polygonale « arrondie », c'est-à-dire avec au moins un côté non droit et/ou un sommet non pointu.

Pour la mise en œuvre d'un tel filament, certains composants de l'imprimante 3D doivent être adaptés à la forme du filament, mais ces adaptations sont à la portée de l'homme du métier. Enfin, il va de soi que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.