DE PREFERENCE POUR L'IMPRESSION 3D D'UN OBJET PAR STEREOUTHOGRAPHIE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication d'objets par photopolymérisation d'une résine. Elle s'applique de préférence à la réalisation d'objets par la technique d'impression 3D par stéréolithographie.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Une résine comprend des monomères dont le volume global diminue lors de la photopolymérisation. L'origine de cette diminution est à la fois chimique du fait de la formation de liaisons covalentes entre les monomères, et thermique du fait de la réaction exothermique et de la variation du coefficient d'expansion thermique entre la résine liquide et solide. Ce phénomène appelé « retrait » se produit de manière linéique ou volumique. Il correspond ainsi à la variation dimensionnelle entre le volume de résine liquide, et le volume correspondant polymérisé.

A cet égard, il est noté que conventionnellement, dans le domaine de la physique des polymères, le « volume libre » correspond au volume ou à l'espace dans lequel les monomères et les macromolécules peuvent se mouvoir. Ce volume libre est largement plus grand que le volume occupé uniquement par les monomères, dit volume de Van der Waals. Dans les résines photopolymérisables comme les résines à monomères acrylates, il existe un volume de gaz renfermé dans la résine liquide. En outre, cette résine liquide comprend des photoinitiateurs, ou encore des charges inorganiques et/ou organiques. Le volume libre est l'espace dans lequel tous ces constituants peuvent se mettre en mouvement. Après la polymérisation, le volume libre diminue, le réseau polymérisé / réticulé occupant moins de place que les monomères. Le volume libre se réduit alors à un espace dans lequel des segments de chaînes macromoléculaires ou des mailles macromoléculaires peuvent se mouvoir. Le phénomène de retrait précité se matérialise donc par la diminution du volume libre. Il peut s'avérer problématique pour la fabrication d'objets, surtout lorsque ces objets sont de dimensions importantes.

Pour illustrer ce propos, le tableau ci-dessous montre les variations dimensionnelles pour différentes échelles de pièces avec une résine photo-réticulable dont le retrait linéique est d'environ 2,5%.

Globalement, la variabilité dimensionnelle pour une résine de 2,5% de retrait linéique est proportionnelle à la taille de la pièce. L'imprécision varie par exemple de 2,5 μιη pour des pièces de 0,1 mm, à 25 mm pour des pièces de 100 cm. De telles imprécisions peuvent ainsi s'avérer inacceptables. Malgré l'anticipation du retrait par des outils numériques, cela peut nécessiter la mise en œuvre d'une ou plusieurs étapes de remise aux cotes de l'objet fabriqué, afin d'atteindre le niveau de précision requis. Ces étapes supplémentaires, réalisées par exemple par usinage, impactent évidemment les temps et coûts de fabrication de l'objet.

Plusieurs solutions techniques ont été envisagées pour solutionner au moins partiellement la problématique du phénomène de retrait. Par exemple, dans le cas d'une impression 3D par stéréolithograhie, il est possible d'envisager un prétraitement de l'image numérique, de manière à anticiper les retraits. Ce traitement nécessite d'importantes ressources en mémoire et requiert un flux élevé d'informations numériques à gérer en parallèle. Les limites des processeurs réduisent les possibilités en matière de rapidité des traitements. Une autre solution réside dans l'ajout d'une charge micrométrique dans la résine, pour réduire son taux de conversion qui est directement corrélé à l'amplitude du retrait. Encore une autre solution consiste à mettre en œuvre des moyens permettant de faire baisser la température de la résine durant la photopolymérisation, car la température est également directement corrélée à l'amplitude du retrait observé. La réduction de la température peut être effectuée par l'ajout de charges conductrices ou de charges à fortes capacité calorifique.

Malgré l'existence de plusieurs solutions pour limiter le phénomène de retrait, il subsiste un besoin d'optimisation du procédé de manière à le rendre plus simple, et éviter l'adjonction dans la résine d'additifs susceptibles d'altérer certaines de ses propriétés, comme ses propriétés optiques. EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'invention a donc pour but de répondre au moins partiellement au besoin identifié ci-dessus. Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un procédé de photopolymérisation d'une résine renfermant du gaz, ledit procédé comprenant une étape d'illumination de ladite résine et étant caractérisé par la mise en œuvre d'une étape de détente du gaz renfermé dans la résine, ladite étape de détente étant réalisée en plaçant la résine dans une cavité mise en dépression pendant au moins une partie de ladite étape d'illumination.

L'invention présente ainsi la particularité d'utiliser judicieusement le gaz habituellement renfermé dans la résine, en prévoyant la détente de ce gaz pour compenser tout ou partie du retrait observé durant la photopolymérisation. L'invention peut aussi utiliser les gaz les plus solubles dans la résine comme le C0 ₂ pour maximiser l'effet de la détente, en association ou non avec l'oxygène ou l'air pour préserver la stabilité chimique de la résine.

La dépression appliquée à la résine permet en effet au gaz de se détendre dans un espace plus important au sein de cette résine. Cette augmentation de volume à l'échelle moléculaire compense alors avantageusement le phénomène de retrait à l'échelle moléculaire, et participe donc à l'obtention d'objets polymérisés présentant des cotes précises. Le besoin en opérations de retouche devient avantageusement réduit ou nul, et ce sans altérer la composition de la résine qui conserve alors l'ensemble des propriétés désirées, notamment ses propriétés optiques. Typiquement, avec l'invention, le retrait peut être maintenu à une valeur inférieure à 0,1%.

Du fait de la détente du gaz au sein de la résine, la température de ce gaz diminue et réduit avantageusement l'étendue du phénomène de retrait, du fait de la corrélation entre ces deux paramètres.

L'invention prévoit par ailleurs, de manière préférentielle, au moins l'une quelconque des caractéristiques techniques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.

Durant au moins une partie de ladite étape d'illumination, ladite dépression s'accroît, de préférence à une vitesse de dépression comprise entre 7 et 300 mbar/s, et encore plus préférentiellement comprise entre 40 et 100 mbar/s.

Ladite étape d'illumination est initiée à un instant t2, et la mise en dépression de la cavité est initiée à un instant tl antérieur à l'instant t2. A cet égard, il est noté que si un mode de réalisation préféré de l'invention consiste en effet à débuter la mise en dépression avant d'initier l'étape d'illumination, les instants tl et t2 pourraient alternativement être confondus, sans sortir du cadre de l'invention.

La première vitesse de dépression VI appliquée durant les instants tl et t2 est de préférence inférieure à la seconde vitesse de dépression V2 appliquée après l'instant t2, durant l'étape d'illumination.

A titre indicatif, à l'instant t2 du début de l'étape d'illumination, la dépression est de l'ordre de 800 à 400 mbar, et à un instant t3 de fin d'illumination d'une couche de résine, la dépression est de l'ordre de 300 à 100 mbar.

De préférence, le procédé comprend, préalablement à la mise en dépression de la cavité, une étape de conditionnement de la résine dans cette cavité, ladite étape de conditionnement étant initiée à un instant tO et présentant une durée D0 préférentiellement inférieure à 3s. Cette étape de conditionnement peut par exemple consister en une solubilisation d'un gaz comme le C02 et/ou un mélange de gaz tel que C02-air. Cette étape permet de conditionner les couches superficielles du bain de la résine, dans l'optique de préparer la dépression durant la phase ultérieure initiée à l'instant tl. Cette étape de conditionnement initiée à l'instant tO peut présenter une durée DO de l'ordre de 0 à 30 secondes. Elle permet d'accroître la capacité d'expansion de la résine, surtout lorsque celle-ci est visqueuse (par nature ou à cause d'un chargement avec des charges minérales et/ou organiques).

De préférence, la résine comprend des monomères acrylates. D'autres types de résines sont également envisageables, comme les résines époxy.

De préférence, le gaz renfermé dans la résine est du dioxyde de carbone. D'autres gaz peuvent bien évidemment être envisagés, sans sortir du cadre de l'invention. Cependant, il est noté que la concentration du gaz dans la résine est proportionnelle à la solubilité et la pression partielle du gaz dissous, selon la Loi de Henri [C]=S.p(gaz). Or grâce à l'importante solubilité du dioxyde carbone, la fraction volumique de ce gaz dissous peut atteindre des valeurs supérieures ou égales à 1% du volume total de la résine. Ainsi, une résine conditionnée sous pression de dioxyde de carbone contiendra initialement plus de gaz et sera par conséquent plus sensible à la technique d'expansion volumique par la détente de son gaz dissous, également dit gaz solubilisé, qui est distribué dans la résine à l'échelle moléculaire.

L'invention a également pour objet une installation pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit ci-dessus, comprenant :

- des moyens d'illumination de la résine, permettant de générer un rayonnement lumineux pour la photopolymérisation de la résine ;

- une cavité définie en partie par une paroi configurée pour être traversée par ledit rayonnement lumineux ; et

- un système de pompe permettant de mettre ladite cavité en dépression.

De préférence, le système de pompe comprend des moyens permettant de réguler une vitesse de dépression ainsi que la valeur de la dépression au sein de la cavité.

Enfin, l'invention a également pour objet un procédé d'impression 3D d'un objet par stéréolithographie, ledit procédé comprenant une étape de réalisation d'une couche de l'objet par photopolymérisation d'une couche de résine réalisée par la mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus.

De préférence, la réalisation de chaque couche de l'objet est effectuée par la mise en œuvre de ce procédé de photopolymérisation.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;

- la figure 1 représente une vue schématique de face d'une installation pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'invention, visant à l'impression 3D d'un objet par stéréolithographie ;

- la figure 2 est un graphe montrant la synchronisation entre l'étape de détente du gaz enfermé dans la résine, et l'étape d'illumination de cette résine visant à la polymériser, l'axe des abscisses représentant le temps en secondes, et l'axe des ordonnées représentant la pression d'air (en mbar) au sein de la cavité ;

- la figure 3 est un graphe montrant l'effet de retrait linéique en fonction de la vitesse de dépression entre les instants tl et t2 ; et

- la figure 4 est un graphe montrant l'effet de retrait linéique en fonction de la durée entre les instants tO et tl.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS

En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une installation 1 pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'invention, visant à l'impression 3D d'un objet A par stéréolithographie.

L'objet A est ainsi destiné à être réalisé par tranches ou par couches Cl,

C2, ... Cn, Cn+1, chacune d'elles résultant de la photopolymérisation d'une couche de résine 2 initialement à l'état liquide. La résine 2 utilisée comprend des monomères acrylates et renferme un gaz, dit gaz dissous et solubilisé. Ce gaz, distribué à l'échelle moléculaire dans la résine et sous la pression duquel cette résine a été conditionnée, est préférentiellement du dioxyde de carbone.

L'installation 1 comporte des moyens 4 d'illumination de la résine 2, également dits moyens d'insolation, permettant de générer un rayonnement lumineux 6 pour la photopolymérisation de la résine. Ces moyens 4 sont situés en regard d'une cavité 8 définie en partie par réceptacle 10 en acier, fermé par une paroi en verre 12 transparente au rayonnement lumineux 6, de préférence un rayonnement UV. Un joint d'étanchéité 14 est prévu entre les deux éléments 10, 12 définissant la cavité 8.

En outre, l'installation 1 comporte un système de pompe 16 permettant de mettre la cavité 8 en dépression. Le système 16 comporte en particulier une pompe 18 pour la mise sous vide de la cavité 8, avec laquelle cette pompe communique par le biais d'une canalisation 20. Le système 16 comporte également des moyens 22 permettant de réguler une vitesse de dépression ainsi que la valeur de la dépression au sein de la cavité 8, ces moyens 22 prenant de préférence la forme de vis micrométriques.

L'installation 1 montrée sur la figure 1 est représentée dans un état dans lequel il est opéré la photopolymérisation de la couche supérieure de résine 2. Cette couche 2 est située au-dessus de la couche Cn+1 de l'objet A qui a déjà été polymérisée, lors d'un procédé identique ou analogue à celui qui va à présent être décrit en relation avec la couche de résine 2 sur laquelle le rayonnement lumineux 6 est focalisé.

L'une des particularités de l'invention réside dans le fait que le procédé de photopolymérisation de la couche de résine 2 met non seulement en œuvre une étape conventionnelle d'illumination de cette résine, mais également une étape de détente du gaz renfermé dans la résine. Pour assurer cette détente au sein de la résine et compenser ainsi en tout ou partie le phénomène de retrait observé classiquement lors de la polymérisation, la cavité 8 est mise en dépression durant au moins une partie de l'étape d'illumination, comme cela sera décrit ci-après. Cette mise en dépression augmente avantageusement le volume libre de la résine, du fait de la détente du gaz renfermée dans celle-ci.

Dans un mode de réalisation préféré du procédé de photopolymérisation schématisé sur le graphe de la figure 2, il est tout d'abord mis en œuvre une éta pe de conditionnement de la résine dans la cavité 8. Cette étape est initiée à un instant tO, et opérée pendant une durée DO comprise entre 0 et 30 secondes. De préférence, cette étape est réalisée sous la pression atmosphérique Patm, voire à une pression supérieure, par exemple de 1163 mbar à 1263 mbar selon le gaz utilisé pour augmenter la quantité du gaz solubilisé (air, oxygène, C02 ou mélange de ceux-ci). En effet, l'étape de conditionnement de la résine consiste de préférence en une solubilisation d'un gaz comme le C02 et/ou un mélange de gaz tel que C02-air. Cette étape permet de conditionner les couches superficielles de la résine de manière à préparer la dépression durant la phase ultérieure initiée à un instant tl, et faire ainsi en sorte d'accroître la capacité d'expansion de la résine.

L'instant tl correspond à la fin de l'étape de conditionnement de la résine, et également à l'initiation de la mise en dépression de la cavité. A cet insta nt tl, la pression de gaz au sein de la cavité 8 est égale ou proche de la pression atmosphérique Patm. A partir de cet instant tl et pendant une durée Dl, une dépression se forme dans la cavité grâce au système de pompe 16, le vide étant réalisé à une première vitesse de dépression VI, préférentiellement constante. La pression da ns la cavité 8 diminue donc pendant la durée Dl, jusqu'à un instant t2 auquel la dépression da ns la cavité 8 atteint une valeur intermédiaire Pint de l'ordre de 800 à 400 mbar.

A cet instant t2, l'étape d'illumination est initiée à l'aide des moyens 4 dédiés, capables de générer le rayonnement 6 pendant une durée D2 avec une énergie pa r exemple de l'ordre de 42 mJ. La dépression continue de s'accroître da ns la cavité 8, à une seconde vitesse de dépression V2 qui reste préférentiellement stable, et qui est supérieure à la vitesse VI pour l'obtention d'un résultat encore meilleur. La vitesse V2 est par exemple comprise entre 40 et 100 mbar/s, et encore plus préférentiellement entre 33 et 50 mbar/s. Cette vitesse V2 est conservée jusqu'à la fin de l'illumination de la couche de résine, c'est-à-dire jusqu'à un instant t3 correspondant à la fin de la durée D2, qui est relativement courte et par exemple de l'ordre de 3 secondes. A cet instant t3, la dépression Pmin est comprise entre 300 et 100 mbar.

Par ailleurs, la vitesse VI est inférieure à 40 mbar/s, tout en resta nt préférentiellement inférieure ou égale à la vitesse V2. Le graphe de la figure 3 montre à cet égard que pour des vitesses VI inférieures à 40 mbar/s, des gains significatifs sont observés en termes de limitation de l'effet de retrait, qui est inversement proportionnel à la vitesse VI.

En outre, le graphe de la figure 4 montre que l'effet de retrait est réduit pour des durées DO courtes, de préférence inférieures à 3s pour lesquelles le retrait observé est inférieur à 0,3% (mesures réalisées avec une vitesse de dépression VI comprise entre 33 et 50 mbar/s).

Les instants t2 et t3 définissent ainsi la durée D2 pendant laquelle l'étape de détente du gaz par dépression est donc poursuivie, et réalisée concomitamment avec l'étape d'illumination. A cet égard, il est noté que le rapport entre les durées Dl et D2 peut être compris entre 1 et 23.

L'augmentation du volume de la résine 2 observée entre les instants tl et t3 compense avantageusement le phénomène de retrait, en tout ou partie. Cette compensation résulte également du fait que la détente du gaz au sein de la résine entraîne une diminution de température de ce gaz, propice à une limitation de l'étendue du phénomène de retrait. Pour limiter encore davantage cette étendue du retrait au cours de la photopolymérisation, l'invention peut également prévoir la mise en œuvre d'autres moyens connus, comme le choix de monomères dont la structure est réputée appropriée vis-à-vis de la problématique du retrait. A titre indicatif, les structures longues et flexibles des monomères acrylates tendent à réduire le phénomène de retrait. La diminution de la température d'illumination, également dite température d'insolation, permet également de limiter le retrait volumique ou linéique.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.