| WO/2001/024988 | METHOD OF PRODUCING SURFACE-STRUCTURED MOLDED ARTICLES |
| JP10315306 | ELECTROSTATIC CHARGE CASTING APPARATUS |
| JP55150328 | MANUFACTURE OF RESIN TUBE |
| 1. | Procédé de fabrication de pièces tridimensionnelles par liaison et solidification de sections successives superposées, comportant : la réalisation d'un cycle répétitif comprenant : le dépôt d'une couche de poudre d'un matériau sous forme d'un lit de particules (1) d'épaisseur déterminée, et la coulée, sur ladite couche de particules (1), selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, d'un matériau liant (10) sous forme liquide, pour produire, après migration dudit liant (10) à travers ladite couche et solidification dudit liant (10), une section constituée d'une couche de particufes (1) liées, sur laquelle est déposée la couche de particules (1) suivante, puis l'évacuation desdites particules (1) non liées de façon à dégager ladite pièce formée, procédé caractérisé en ce que lesdites particules (1) et ledit liant (10) sont constitués de matériaux thermoplastiques fusibles chimiquement compatibles et en ce que ledit matériau liant (10) est chauffé avant la coulée à une température qui est supérieure à son point de coulée de goutte et suffisamment élevée pour provoquer la fusion superficielle des particules (1) avec lesquelles il entre en contact, de façon à réaliser sa liaison avec cellesci après solidification, et en ce que la liaison de deux sections successives est réalisée, par le mme processus de fusion superficielle et solidification, entre des particules (1) situées à l'interface des deux sections et chacune des deux couches successives de liant, ou directement entre les deux couches successives de liant (10). |
| 2. | Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température de chauffage dudit liant (10) avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température dudit liant (10), lorsqu'il est en contact avec ledit matériau en poudre (1), est supérieure au point de goutte de ce dernier. |
| 3. | Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la température de chauffage dudit liant (10) avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies, en liaison avec la taille desdites particules (1), de telle façon que la fusion desdites particules (1) ne se fasse pas jusqu'à coeur. |
| 4. | Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de chacune desdites couches de particules (1) est choisie de façon à tre comprise entre 1 et 10 fois, de préférence entre 2 et 5 fois, la taille des plus grosses particules, et suffisamment faible pour assurer une bonne précision dimensionnelle. |
| 5. | Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse de déplacement de la coulée et le débit de coulée dudit liant (10) sont régulés de telle sorte que le volume dudit liant (10) coulé sur ladite couche soit au moins égal à 80 % du volume d'air présent entre lesdites particules (1) sur la surface de ladite couche recevant ladite coulée et sur une épaisseur égale à celle de ladite couche. |
| 6. | Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température de chauffage dudit liant (10) avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température dudit matériau liant (10) est supérieure à son point de coulée de goutte lorsqu'il entre en contact avec ladite poudre (1), et qu'elle atteint son point de solidification immédiatement après le moment où ledit liant (10) atteint la section précédente. |
| 7. | Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau liant (10) est choisi de telle sorte que son point de solidification soit proche de son point de coulée de goutte, et la température de chauffage dudit liant (10) avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température dudit matériau liant (10) lorsqu'il entre en contact avec ladite poudre (1) soit juste supérieure à son point de coulée de goutte, de façon à ce que sa migration dans ladite couche de poudre (1) soit bloquée suffisamment vite pour obtenir une bonne précision dimensionnelle. |
| 8. | Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la température de chauffage et le volume dudit liant (10) coulé sur ladite couche de particules (1) sont choisis, en liaison avec la taille desdites particules (1) et l'épaisseur de ladite couche de particules (1), de telle sorte que des particules (1) dépassent en partie de ladite section après solidification, et que le liant (10) coulé sur la couche suivante entre en contact avec ces particules (1) à une température supérieure au point de goutte du matériau les constituant, de telle manière que la liaison de deux sections successives est réalisée, par fusion superficielle et solidification, entre lesdites particules (1) et chacune des deux couches successives (N1 et N) de liant (10). |
| 9. | Procédé suivant la revendications 8, caractérisé en ce que les conditions de coulée, notamment la température de chauffage et le volume dudit liant (10) coulé sur ladite couche de particules (1), sont telles que ledit liant (10) coulé sur une couche entre également en contact avec le matériau liant (10) solidifié de la section précédente, à une température supérieure à son point de goutte, de telle manière que la liaison de deux sections successives soit également réalisée, par fusion superficielle et solidification, directement entre les deux couches successives (N 1 et N) de liant (10). |
| 10. | Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdites particules (1) et ledit liant (10) sont constitués de matériaux de mme nature. |
| 11. | Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites particules (1) et ledit liant (10) sont constitués de cire, notamment de paraffine. |
| 12. | Dispositif pour la fabrication de pièces tridimensionnelles, par liaison et solidification de sections successives superposées, caractérisé en ce qu'il comporte : une enceinte (2) pour recevoir des couches successives de poudre d'un matériau thermoplastique fusible sous forme de particules (1), dont le fond est mobile verticalement suivant l'axe Z d'un repère trirectangle XYZ entre chaque dépôt d'une desdites couches, d'une distance égale à l'épaisseur de la couche de particules (1) suivante, un système (3) de dépôt et de répartition de ladite poudre (1) en surface de ladite enceinte (2), permettant d'obtenir des couches d'épaisseur régulière, une buse de coulée (4) se déplaçant au moins dans un plan XY et déposant un liant (10), constitué d'un matériau thermoplastique fusible chimiquement compatible avec le matériau constituant ladite poudre (1), et sous forme liquide, sur ladite couche de particules (1), selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, ladite buse de coulée (4) comportant au moins un orifice de section variable, un dispositif de chauffage (5) dudit liant (10) alimentant ladite buse de coulée (4), un système de pilotage informatique (6) pour le contrôle du déplacement de ladite buse (4) et du fond de ladite enceinte (2), dudit système de dépôt et de répartition (3), de la température dudit dispositif de chauffage (5) et de la variabilité de ladite section variable, ledit système de pilotage (6) étant configuré, en fonction des paramètres que sont notamment la forme de la pièce à fabriquer et le degré de précision nécessaire, la taille desdites particules (1), le point de goutte dudit matériau sous forme de particules (1), le point de coulée de goutte et le point de solidification du matériau liant (10), la température ambiante et la hauteur de coulée, pour contrôler les conditions de coulée et notamment l'épaisseur desdites couches de particules (1), la température de chauffage dudit liant (10), le trajet et la vitesse de déplacement ainsi que le débit de ladite buse (4), et la largeur de ladite section variable, de manière à assurer : ledit matériau liant (10) se trouve dans ladite buse (4) à une température supérieure à son point de coulée de goutte, il se produise une fusion superficielle et non à coeur des particules (1) sur lesquelles ledit liant (10) est coulé, sans toutefois que la température desdites particules (1) n'atteigne leur point de coulée de goutte, la migration dudit liant (10) soit réalisée à travers toute l'épaisseur de ladite couche de particules (1), mais n'excède pas cette épaisseur, des particules relativement grosses dépassent en partie de chacune desdites sections et leur fusion superficielle est provoquée par l'entrée en contact avec le liant (10) coulé sur la couche suivante après migration de celuici à travers cette couche, de telle sorte que la liaison entre deux sections successives est réalisée, après solidification, entre lesdites particules relativement grosses et chacune des deux couches successives (N1 et N) de liant, ledit liant (10) coulé sur une couche de particules (1) atteigne au moins par endroits le liant (10) solidifié de la section précédente et provoque sa fusion superficielle, de telle sorte que liaison entre deux sections successives est également réalisée, après solidification, directement entre les deux couches successives (N1 et N) de liant (10). |
La réalisation du procédé suivant l'invention implique la liaison et la solidification de sections parallèles successives superposées, et repose sur la fusion superficielle de particules induite par contact avec un liant en fusion. Ce phénomène de fusion superficielle confère à la pièce ainsi formée une bonne solidité mécanique.
L'invention concerne également un dispositif pour la fabrication de pièces en trois dimensions dont les matériaux de base sont des matières thermoplastiques fusibles. Ce dispositif est automatisé et il comporte des moyens de pilotage informatique.
La fabrication d'objets tridimensionnels est réalisée couramment par procédé de prototypage rapide. Une grande diversité de matériaux de base est utilisée pour cette fabrication, dont les métaux, les céramiques, les plastiques...
Toutefois, l'utilisation, pour la fabrication d'objets tridimensionnels, de matériaux de base tels que la cire et la paraffine, a l'avantage de présenter des coûts de matière peu élevés. Toutes sortes de pièces ou moules, destinés à de multiples usages, peuvent tre fabriqués avec ces matériaux. Cependant, les pièces en cire, à cause de leur propriété de fusion à température peu élevée, trouvent une utilisation particulièrement intéressante en
fonderie, ou dans les activités analogues appliquant le procédé dit "à modèle perdu".
Ce procédé consiste à utiliser une pièce obtenue par prototypage rapide, dite modèle, et à en réaliser un moule, qui est ensuite utilisé pour la fabrication d'une pièce le plus souvent métallique identique au modèle. Un procédé de moulage au sable à résine auto-durcissante peut tre utilisé pour la réalisation du moule. La dernière étape de la fabrication du moule est l'évacuation du modèle, par fusion de celui-ci. Cependant, le moule ne résiste pas aux températures en général supérieures à 300°C qui provoquent la combustion de la résine maintenant le sable. II est donc particulièrement adapté dans cette technique d'utiliser un modèle constitué de matériaux fusibles tels que des cires et des paraffines, ce qui permet de réaliser efficacement la phase d'évacuation à des températures satisfaisantes.
II existe aujourd'hui différents procédés de prototypage rapide prenant pour matériau de base des matières thermoplastiques fusibles. On peut citer par exemple : -Le modelage par dépôt de matériau fondu, ou"Fused Deposition Modeling" (FDM), qui fonctionne à partir de deux buses construisant respectivement un volume tridimensionnel dit structure support, et un volume correspondant à la pièce à construire. Ces deux volumes, après solidification, se trouvent en fin de fabrication en contact"détachable"soit mécaniquement, soit par dissolution de la structure support. On obtient donc la pièce après séparation de ces deux volumes.
-Le frittage sélectif au laser, ou"Selective Laser Sintering" (SLS), qui fonctionne à partir d'un laser qui provoque l'agglomération de particules à la surface d'un volume, suivant des zones déterminées par le profil géométrique de la pièce à créer. Des couches de particules sont successivement appliquées et agglomérées sur ledit volume. En fin de fabrication un solide tridimensionnel est constitué à partir des différentes zones des couches qui ont été durcies par le laser. La pièce se sépare par évacuation des grains non agglomérés.
-Le"Topographic Shell Formation" (TSF). II consiste à superposer des couches successives de grains de sable collés entre eux par une puivérisation de paraffine fondue à différentes hauteurs suivant la zone à créer. En fin de fabrication, le solide tridimensionnel est constitué à partir des différentes zones des couches qui se sont collées entre elles.
Ces procédés présentent les inconvénients d'tre longs à mettre en oeuvre pour la fabrication de pièces de grandes dimensions, et de présenter des coûts de production élevés, qui deviennent exhorbitants si l'on cherche à les adapter à des conditions industrielles modernes pour des modèles prototypes de grandes dimensions.
Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé qui puisse tre mis en oeuvre pour des pièces de grandes dimensions (par exemple de taille supérieure à 3 m3), à des coûts de production réduits. II est en outre souhaitable, dans ce cadre, de se prter à une définition de la forme des pièces qui passe par des fichiers informatiques de données numériques tels qu'ils sont désormais couramment obtenus par les techniques et logiciels de conception assistée par ordinateur.
L'invention vise ainsi à proposer un procédé de prototypage pour la fabrication de pièces tridimensionnelles ayant pour base des matériaux thermoplastiques fusibles, et un dispositif adapté à la mise en oeuvre de ce procédé, qui soient tels qu'ils permettent la réalisation rapide, précise et peu onéreuse, de pièces de grandes dimensions. Elle vise aussi à ce que le procédé et le dispositif suivant l'invention soient particulièrement adaptés pour la fabrication de modèles dits de prototypage pour utilisation dans la technique de fabrication de moules"à modèle perdu"utilisés en fonderie, étant entendu que l'invention peut également tre utilisée, sans modification autre que celles qui sont à la portée des personnes du métier, pour toute application analogue nécessitant la fabrication de pièces tridimensionnelles en matériau fusible.
A cette fin, la présente invention propose d'avoir recours à un procédé de fabrication de pièces tridimensionnelles par liaison et
solidification de différentes sections bidimensionnelles parallèles de la pièce, définies comme des sections successives et superposées, du type comportant la réalisation d'un cycle répétitif comprenant le dépôt d'une couche de poudre d'un matériau sous forme de grains ou particules et la coulée sur ladite couche, selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, d'un matériau liant sous forme liquide de manière à produire, après solidification dudit liant, une section de la pièce finale constituée d'une couche de particules liées, sur laquelle est déposée une nouvelle couche de particules pour la réalisation de section suivante de la pièce. La dernière étape d'un tel procédé consiste en l'évacuation des particules non liées de façon à dégager la pièce formée.
Les techniques de ce genre qui sont connues sont plutôt adaptées à la réalisation de moules de fonderie, et non de modèles prototypes. On peut en particulier se référer ici à la demande de brevet EP 0 431 924, qui décrit la fabrication d'objets tridimensionnels par superposition et liaison de sections de différents profils, suivant une méthode qui utilise une poudre de grains ou particules, étalée en couches successives, en prévoyant de couler sur chacune d'elles un liant sous forme liquide.
Toutefois, tel qu'il est illustré par ce document, I'art antérieur à la présente invention n'est pas adapté aux objectifs que s'est fixés cette dernière. La méthode qui y est décrite est dirigée vers la fabrication de moules en métal et/ou en céramique, qui ne sont utilisables que directement comme moules de fonderie. II n'y est pas question de tirer profit comme le fait la présente invention, des propriétés particulières des particules constituées en un matériau thermoplastique fusible du type des cires et paraffines.
Le procédé suivant l'invention représente une amélioration notable des techniques connues de ce genre par le fait que les particules et le liant sont constitués de matériaux thermoplastiques fusibles chimiquement compatibles, et que le matériau liant est chauffé avant la coulée à une température qui est à la fois supérieure à son point de coulée de goutte et suffisamment élevée, par rapport au point de goutte du matériau en poudre, pour
provoquer la fusion superficielle des particules avec lesquelles il entre en contact, de façon à réaliser sa liaison avec celles-ci après solidification.
Conformément à l'invention, la liaison de deux sections successives est ainsi réalisée, par un processus similaire de fusion superficielle et solidification, agissant au moins soit d'une part entre des particules situées à l'interface des deux sections et le liant impliqué respectivement dans chacune des deux couches successives, soit d'autre part directement entre le liant relevant des deux couches successives de liant. Dans des modes de mise en oeuvre préférés de l'invention, la liaison entre deux sections successives de la pièce à fabriquer procède et de l'un et de l'autre, de sorte que chaque section de la pièce est solidaire de la suivante d'une part du fait de la liaison réalisée entre des particules relativement grosses et le liant à l'interface de deux sections successives, d'autre part du fait d'une liaison réalisée au moins par endroits entre la couche de liant relevant d'une section de la pièce et celle de la section suivante.
La liaison des particules et du liant, réalisée par fusion superficielle des particules et solidification conjointe avec le liant, peut tre désignée sous le terme de soudure, bien que ce terme soit normalement employé lorsqu'il s'agit de métaux à lier. On l'utilise cependant ici car il est très explicite quand on décrit une liaison d'éléments par fusion locale de leurs surfaces respectives en contact.
II convient également de préciser que par fusion superficielle des particules, on entend ici toute fusion partielle ou totale débutant sur la surface des particules. Toutefois, pour assurer une bonne résistance mécanique à la pièce finie, il est préférable que la fusion soit assez profonde pour assurer une liaison de résistance mécanique appropriée, mais qu'elle n'aille pas jusqu'à coeur dans chaque particule du matériau en poudre.
L'invention tire avantageusement parti des propriétés des matériaux utilisés, caractérisés par leur nature thermoplastique fusible. En effet, pour les matériaux thermoplastiques fusibles du
type des cires et paraffines, le passage entre l'état solide et l'état liquide n'est pas franc.
La température de fusion (ou melting point) est communément employée pour désigner la température à laquelle le matériau opère une transition de la phase solide ou semi-solide à la phase liquide.
Les termes suivants caractérisent plus avant les paraffines, et définissent son passage entre L'état solide et l'état liquide, ou vice-versa : -le point de solidification (ou congealing point), défini par la norme ASTM D938, est la température à laquelle le matériau cesse de couler lorsque la température décroît, -le point de goutte (ou dropping point), défini par la norme ASTM D566, est la température à laquelle la paraffine passe de l'état solide ou semi-solide à l'état liquide lorsque la température augmente, -le point de coulée de goutte (ou drop melting point), défini par la norme ASTM D127, est la température à laquelle le matériau commence à tre suffisamment fluide pour goutter à travers un orifice.
Ces termes peuvent tre applicables à d'autres matériaux fusibles, les colles thermo-fusibles par exemple, et pourront dans ces cas tre quantifiés et mesurés par des méthodes comparables aux méthodes ASTM précitées.
Le choix de la température de chauffage du liant suivant le procédé de l'invention est ainsi lié, d'une part au point de coulée de goutte du liant, pour permettre à celui-ci de se trouver sous une forme suffisamment fluide pour s'écouler de la buse sur la couche de particules, et d'autre part au point de goutte des particules, de façon à assurer la fusion superficielle de celles-ci. Ces propriétés, combinées suivant l'invention avec un choix pertinent de la température de chauffage du liant, induisent un résultat particulièrement intéressant, à savoir une résistance mécanique améliorée de la pièce finie, car la fusion superficielle des particules
permet d'obtenir une meilleure solidité mécanique de chaque section, mais également une meilleure solidité des liaisons entre les sections successives.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, la température de chauffage et le volume de liant coulé sur la couche de particules sont choisis, en liaison avec la taille des particules et l'épaisseur de la couche, de telle sorte que des particules dépassent en partie de la couche de liant dans chaque section après solidification du liant, et que le liant coulé sur la couche suivante entre en contact avec ces particules à une température supérieure au point de goutte du matériau les constituant, ou plus précisément à une température suffisante pour les amener en surface à une température supérieure à ce point de goutte, de telle manière que la liaison solidifiée rigidifiant la liaison entre deux sections successives est réalisée, par fusion superficielle et solidification, entre lesdites particules et chacune des deux couches successives de liant.
Dans d'autres modes de réalisation particulièrement avantageux du procédé suivant l'invention, les conditions de coulée, notamment la température de chauffage et le volume de liant coulé sur la couche de particules, sont réglées de manière que le liant coulé sur une couche de particules de matériau solide en poudre est porté à une température suffisante pour qu'il migre à travers ladite couche jusqu'à entrer en contact au moins par endroits avec le liant solidifié de la section précédente, et ce de sorte que le contact se produise à une température supérieure au point de goutte du liant, conduisant à une liaison solide entre les deux sections successives par fusion superficielle et solidification directement entre les deux couches de liant. Une meilleure résistance mécanique de la pièce finie est ainsi avantageusement obtenue.
Par ailleurs, toutes les combinaisons de matériaux peuvent tre utilisées pour les particules et le liant, à condition toutefois qu'ils soient chimiquement compatibles. Cependant, suivant une caractéristique secondaire de l'invention, les particules et le liant sont constitués de matériaux de mme nature.
Dans des modes de réalisation préférés, les particules et le liant sont constitués de cire. Dans certains de ces modes de mise en oeuvre pratique de l'invention, les particules de matériau en poudre sont constitués de paraffine, ainsi que le liant.
L'invention propose également un dispositif pour la fabrication de pièces particulièrement adapté à la réalisation du procédé qu'elle définit.
Un tel dispositif pour la fabrication de pièces tridimensionnelles, par liaison et solidification de sections successives superposées, est caractérisé en ce qu'il comporte : - une enceinte pour recevoir des couches successives de poudre d'un matériau thermoplastique fusible sous forme de particules, dont le fond est mobile verticalement suivant l'axe Z d'un repère trirectangle XYZ entre chaque dépôt d'une desdites couches, d'une distance égale à l'épaisseur de la couche de particules suivante, - un système de dépôt et de répartition de ladite poudre en surface de ladite enceinte, permettant d'obtenir des couches d'épaisseur régulière, - une buse de coulée se déplaçant dans un plan XY et déposant un liant, constitué d'un matériau thermoplastique fusible chimiquement compatible avec le matériau constituant ladite poudre, et sous forme liquide, sur ladite couche de particules, selon un chemin prédéterminé par la forme de la pièce à obtenir, ladite buse de coulée comportant au moins un orifice de section variable, -un dispositif de chauffage dudit liant alimentant ladite buse de coulée, -et un système de pilotage informatique pour le contrôle du déplacement de ladite buse et du fond de ladite enceinte, dudit système de dépôt et de répartition, de la température dudit dispositif de chauffage et de la variation de ladite section variable En particulier, le système de pilotage permet de contrôler, en fonction des paramètres fixes inhérents aux matériaux utilisés et à des conditions prédéterminées, tous les paramètres variables à
réguler lors de la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, dans ses modes de réalisation principaux et préférés tels qu'ils ont été définis ci-avant ou qu'ils seront décrits et illustrés plus loin dans la description.
De cette façon, en fonction de la forme de la pièce à fabriquer et du degré de précision nécessaire, de la taille des particules, du point de goutte du matériau sous forme de particules, du point de coulée de goutte et du point de solidification du matériau liant, de la température ambiante et de [a hauteur de coulée, le système de pilotage contrôle l'épaisseur des couches de particules, la température de chauffage du liant, le trajet et la vitesse de déplacement ainsi que le débit de la buse, et la largeur de la section variable.
L'invention sera maintenant plus avant précisée dans ses caractéristiques préférées, par la description de modes de réalisation particuliers qui font l'objet des exemples ci-après. Sauf stipulation contraire, toutes les grandeurs chiffrées ou autres indications seront exprimées en conformité avec la normalisation internationale.
Les matériaux choisis pour le liant et les particules sont des thermoplastiques fusibles tels qu'ils ont été définis précédemment, du type cires ou paraffines.
Un critère pour le choix des deux matériaux fusibles est leur compatibilité chimique. Toute combinaison de matériaux compatibles peut tre envisagée. Cependant il est préférable d'utiliser des matériaux de mme nature, comme deux cires micro- cristallines (par exemple les cires de qualités M7387 et M0745 vendues par Moore & Munger), ou deux cires de polyéthylène (par exemple les cires connues sous les dénominations commerciales Polyflo200 et Polyflo300 vendues par Moore & Munger), ou bien une mme paraffine synthétique pour les particules de poudre et pour le liant (par exemple le produit vendu par Schumann & Saso sous la dénomination commerciale Paaraflint H1N6).
Par ailleurs, le choix des matériaux est également lié aux températures qui régissent leur passage entre l'état solide et l'état liquide.
Ainsi, pour le liant, qui apporte l'énergie calorifique servant à lier les particules et les sections entre elles, les paramètres à prendre en compte seront principalement : -le point de solidification, qui détermine dans cette application les limites de la migration du liant dans la couche de particules, c'est-à-dire les limites du phénomène de capillarité. En effet, lors de la migration du liant, celui-ci se refroidit, et lorsque sa température atteint son point de solidification, l'écoulement entre les particules est stoppé, -le point de coulée de goutte, qui devra tre dépassé par la température du liant dans la buse afin de permettre son écoulement.
En ce qui concerne les particules, plusieurs caractéristiques sont à considérer : -le point de goutte, qui représente la température à atteindre pour provoquer leur fusion superficielle, -la granulométrie, en particulier la taille moyenne des particules et la taille des plus grosses d'entre elles.
L'application du procédé suivant l'invention passe donc par un choix de matériaux dont les caractéristiques citées ci-avant sont compatibles avec les propriétés requises pour les particules d'une part et le liant d'autre part.
Suivant une caractéristique secondaire de l'invention, la température de chauffage du liant avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température du liant, lorsqu'il est en contact avec le matériau en poudre, est supérieure au point de goutte de ce dernier.
On obtient ainsi de façon tout à fait avantageuse une soudure solide des particules avec le liant.
De façon générale, et ce dans tous les cas de réalisation de l'invention, il est préférable de garder une hauteur de coulée fixe et assez faible pour éviter une déperdition de chaleur importante du liant durant la coûtée. La maîtrise de la température du liant coulé est ainsi facilitée. De mme, la température ambiante doit tre idéalement fixée. Dans le cas contraire, il convient de faire évoluer les réglages du chauffage du liant à couler en fonction de cette température.
Suivant une autre caractéristique secondaire de l'invention, la température de chauffage dudit liant avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies, en liaison avec la taille des particules, de telle façon que la fusion des particules ne se fasse pas jusqu'à coeur. De cette façon une meilleure résistance à l'effondrement de la pièce durant la fabrication, et donc une meilleure stabilité dimensionnelle de la pièce finie, sont obtenues.
Ainsi, pour une coulée sans déperdition majeure de température entre la sortie de la buse et l'arrivée sur la couche de particules, il est avantageux de choisir une température de chauffage du liant de 10 à 30°C supérieure au point de goutte du matériau des particules. II en résulte une fusion superficielle, mais pas à coeur, des particules, quand notamment, suivant des conditions préférées de mise en oeuvre de l'invention, les particules de poudre présentent des dimensions comprises entre 0,01 et 10 mm, et notamment de l'ordre de 0,01 à 2 mm et qu'elles sont à la température ordinaire (20 à 25 °C).
Par exemple, si on utilise, pour les particules et pour le liant, la paraffine vendue sous la dénomination commerciale Paraflint H1 N6 citée précédemment, qui présente un point de solidification à 98 °C, un point de coulée de goutte à 112 °C et un point de goutte à 105°C, il conviendra optimalement de couler le liant à une température d'environ 125°C, afin d'opérer la soudure de la surface des particules avec le liant coulé.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, l'épaisseur des couches de particules est choisie de façon à tre comprise entre 1 et 10 fois, de préférence entre 2 et 5 fois, la taille
des plus grosses particules, et suffisamment faible pour assurer une bonne précision dimensionnelle. Le choix optimal pour l'épaisseur de chaque couche est ainsi déterminé par l'analyse de la granulométrie de la poudre et par la précision dimensionnelle escomptée pour la pièce fabriquée.
Si l'on prend par exemple une cire en poudre de ia dénomination commerciale Paraflint H1 N6 avec une granulométrie entre 1180 microns et 106 microns pour une moyenne de taille de grains à 600 microns, il conviendra de réaliser des couches d'épaisseur au moins égale à la taille des plus grosses particules afin d'éviter au système de dépôt des couches de heurter les particules qui pourraient dépasser de la dernière couche déposée.
La précision obtenue sur la pièce fabriquée pourra alors tre de l'ordre de 0,6 mm après finition.
Si l'on utilise une cire en poudre de la dénomination commerciale Acumist B-6 produite par Honeywell, avec une grosseur des particules ne dépassant pas 18 microns, l'épaisseur de couche peut tre réduite à quelques centièmes de millimètres et la précision des pièces optimisée. Ces conditions peuvent tre avantageuses, notamment, pour réaliser des couches de finition pour lesquelles on recherche essentiellement precision et l'uniformité, bien que ce soit aux dépens de la tolérance dimensionnelle quand il se produit une fusion à coeur des particules.
Suivant une caractéristique secondaire de l'invention, la vitesse de déplacement de la buse et le débit de coulée du liant sont régulés de telle sorte que le volume de liant coulé sur la couche de particules puisse remplir un taux au moins égal à 80 % du volume d'air présent entre les particules, sur la surface de la couche recevant la coulée et sur une épaisseur égale à celle de la couche.
En pratique, ce taux se situe entre 85 et 98 % de ce volume.
Outre les réglages de température et d'épaisseur de couche, le débit du liant en fonction de la vitesse de déplacement de la buse est avantageusement réglé de sorte que :
-le liant puisse traverser entièrement la couche de poudre pour créer la liaison avec la section précédente, au moins par endroits, -le volume de liant coulé ne soit pas excédentaire et ne dépasse pas en final du niveau de la surface de la couche, ou ne s'étale pas sur celle-ci.
Si l'on considère une poudre constitué de particules sphériques de rayon moyen égal à 300 microns comme la paraffine de dénomination commerciale Paraflint H1 N6, on peut évaluer à 40 % le volume d'air laissé libre entre les grains. Pour le combler à 100 % en réalisant un cordon de 1 mm2 de section moyenne à partir d'une buse se déplaçant à 100 mmls, le débit de la buse devra tre de 40 mm3/s dans des conditions optimales de température de coulée et de choix du liant coulé.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, la température de chauffage du liant avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température du matériau du liant est supérieure à son point de coulée de goutte lorsqu'il entre en contact avec ladite poudre, et qu'elle atteint son point de solidification immédiatement après le moment où le liant atteint la section précédente.
De cette façon, la migration du liant a avantageusement lieu sur toute l'épaisseur de la couche ; le liant entre en contact avec la section précédente afin d'en assurer la liaison, mais il ne déborde toutefois pas sur les couches de particules précédentes non fiées à l'état solide. Ceci permet d'assurer que les parties d'une section qui ne sont pas soutenues par un autre section solidifiée, mais par une couche de particules libres, possèdent néanmoins une épaisseur égale aux parties soutenues.
Par ailleurs, il est souhaitable, lors du choix de la température de chauffage du liant, de prendre en compte le fait que le matériau liant va se refroidir rapidement au contact des particules, et bien plus vite qu'au contact de l'air, si bien qu'à une température donnée de coulée la migration du liant dans la couche sera d'autant plus rapidement bloquée. C'est le cas par exemple
pour une température de chauffage de 120 °C, et un contact sur des particules à 25°C. La température de chauffage du liant doit donc tre alors adaptée en fonction de la température des particules, de façon à ce que d'une part la migration se fasse sur toute l'épaisseur de la couche, et que d'autre part le liant soit capable de provoquer la fusion superficielle des particules dépassant de la section précédente.
De plus, suivant une caractéristique secondaire particulièrement avantageuse, le matériau liant est choisi de telle sorte que son point de solidification soit proche de son point de coulée de goutte, et la température de chauffage dudit liant avant la coulée, la hauteur de coulée et la température ambiante sont choisies de telle façon que la température du matériau liant lorsqu'il entre en contact avec la poudre soit juste supérieure à son point de coulée de goutte, de façon à ce que sa migration dans la couche de poudre soit bloquée suffisamment vite pour obtenir une bonne précision dimensionnelle.
Ce dernier point est à combiner avec le choix de l'épaisseur des couches, qui permet également de jouer sur la précision dimensionnelle.
A titre d'exemple, un des modes de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention utilise un matériau sous forme de particules dont le point de goutte est relativement bas par rapport à la température du liant coulé, afin de fondre plus à coeur chacun des grains, et un liant coulé à une température juste supérieure à son point de coulée de goutte et tel que son point de solidification soit proche de son point de coulée de goutte afin de bloquer au plus vite la migration du liant dans la couche et assurer la précision dimensionnelle. Ce faible écart entre point de solidification et point de coulée de goutte est plutôt caractéristique des paraffines, et de ce fait, dans le cas de ce réglage, on pourra utiliser par exemple une poudre du produit vendu par British Petroleum sous la dénomination commerciale Kérawax 3538, présentant un point de goutte à 56 °C, et couler dessus une paraffine de la qualité Kérawax 1301, présentant un point de solidification à 67 °C et un point de
coulée de goutte à 71 °C, que l'on chauffe à 73 °C. Dans ce cas, le liant va se solidifier très rapidement, mais la surface des particules aura été soumise à un chauffage brutal à une température supérieure au point de goutte du matériau qui les constitue, et la soudure sera correctement réalisée.
Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, tous les paramètres définis ci-avant sont combinés et contrôlés de façon à assurer la simultanéité des conditions et résultats particulièrement avantageux suivants : -le matériau liant se trouve dans la buse à une température supérieure à son point de coulée de goutte, -il se produit une fusion superficielle et non à coeur des particules sur lesquelles le liant est coulé, -la migration du liant est réalisée à travers toute l'épaisseur de la couche de particules, -des particules dépassent en partie de chacune des sections et leur fusion superficielle est provoquée par l'entrée en contact avec le liant coulé sur la couche suivante après migration de celui-ci à travers cette couche, de telle sorte que la liaison entre deux sections successives est réalisée, après solidification, entre lesdites particules et chacune des deux couches successives de liant, -le liant coulé sur une couche de particules atteint le liant solidifié de la section précédente et provoque sa fusion superficielle, de telle sorte que la liaison entre deux sections successives est également réalisée, après solidification, directement entre les deux couches successives de liant.
De préférence, du moins dans certains cas d'application de l'invention, on s'assure en outre que le liant occupe tout l'espace présent entre les particules, dans un volume correspondant à la surface de la couche recevant la coulée sur une épaisseur égale à celle de ladite couche, afin notamment d'atteindre la meilleure précision dimensionnelle.
L'invention sera maintenant décrite plus avant en faisant référence aux figures 1 à 15, dans lesquelles :
-les figures 1 à 9 illustrent les différentes séquences du procédé de fabrication d'une pièce simple en vue de profil et en vue de dessus, -la figure 10 schématise la pièce tridimensionnelle obtenue par réalisation des différentes séquences illustrées sur les figures 1 à 9, -les figures 11 et 12 représentent une vue en coupe de pièces obtenues suivant le procédé selon l'invention, -la figure 13 illustre un dispositif suivant l'invention, -les figures 14. a à 14. c illustrent les coulées de liant réalisées au moyen de différents orifices de buse de formes variées, -et la figure 15 montre une vue éclatée des différents éléments du dispositif de la figure 13, en détaillant : le système de pilotage informatique contenant les informations sur la pièce à créer, le dispositif de chauffage du liant, le mécanisme permettant le déplacement de la buse et l'ouverture/fermeture de son orifice de coulée, et l'enceinte contenant les particules et le système de dépôt et de répartition de la poudre.
Les figures 1 à 9 illustrent les différentes étapes de la fabrication d'une pièce simple suivant le procédé selon l'invention.
Conformément à celui-ci, on génère la pièce tridimensionnelle à partir de la superposition et de la liaison par soudure de sections successives de différents profils, déterminés par la forme de la pièce que l'on veut réaliser.
Sur la figure 1, une couche de particules 1 en matériau thermoplastique fusible se trouve dans une enceinte 2 dont le fond est mobile. Un liant 10 en fusion est déposé sur cette couche par une buse de coulée 4. Le dispositif de chauffage du liant 10 n'est pas représenté sur ces figures.
La buse 4 se déplace dans le plan XY, comme illustré sur là figure 2, de façon à répartir le volume de liant 10 déposé sur toute la surface souhaitée. Au fur et à mesure de sa coulée, le liant 10 migre à travers la couche de particules 1. II se fixe durant sa solidification aux particules en contact avec lui par fusion superficielle de ces particules due à la température du liant.
Lorsque le liant 10 a été versé sur toute la surface à solidifier, comme indiqué sur la figure 3, le premier cycle est terminé. II n'est pas nécessaire d'attendre plus longtemps la solidification de la section formée, dans la mesure où les différents paramètres sont contrôlés de telle façon que le temps nécessaire au liant 10 pour atteindre son point de solidification soit, en chaque point de la coulée, égal à son temps de migration à travers l'épaisseur de la couche.
Toutes les étapes sont contrôlées par des moyens informatiques, qui ne sont pas représentés ici pour des raisons de clarté des dessins, mais qui seront décrits plus loin.
Le fond de l'enceinte 2 descend ensuite, pour libérer, au- dessus de la première couche, un espace égal à l'épaisseur de la deuxième couche, comme indiqué sur la figure 4.
Le système 3 de dépôt et de répartition des particules procède alors au remplissage de cet espace par une couche d'épaisseur régulière de particules 1. Cette étape est illustrée par la figure 5. Elle résulte en un lit stable de particules pour la réalisation d'une section de l'ensemble.
Ainsi, après chaque cycle, il se produit une descente du fond de l'enceinte 2, et un volume de poudre est réparti mécaniquement dans l'enceinte 2 à l'aide du système 3. L'épaisseur de la couche de particules 1 ainsi déposée entre deux niveaux de coulée est toujours égale à la hauteur de descente du fond de l'enceinte 2, ce qui permet de régler la distance qui sépare le haut des couches N et N-1.
La figure 6 représente l'ensemble en attente de la deuxième phase de coulée du liant 10.
La seconde coulée a ensuite lieu, avec déplacement de la buse 4 suivant un profil différent du premier, comme illustré sur les figures 7 et 8. Le liant 10 coule à travers toute l'épaisseur de la couche, et arrive jusqu'au niveau de la section précédente pour lier celle-ci par phénomène de soudure thermoplastique.
Lorsque le deuxième cycle est terminé, le fond de l'enceinte 2 descend à nouveau pour entamer le troisième cycle (figure 9).
Le procédé se poursuit ainsi de façon réitérative.
La dernière étape consiste à dégager la pièce solide des particules 1 non fiées. II est nécessaire alors de nettoyer les surfaces de la pièce des particules qui s'y seraient collées, et une finition peut tre nécessaire si un rendu lisse est souhaité.
L'utilisation de paraffines permet par exemple une finition facile de t'état de surface de la pièce fabriquée.
Lors de la fabrication, si une partie d'une section n'est pas soutenue par une autre partie solidifiée, elle ne se déformera pas car elle refroidira et durcira sur un lit stable de particules non fiées.
On obtient enfin une pièce telle que celle représentée sur la figure 10, issue de la mise en oeuvre du procédé de fabrication illustré sur les figures 1 à 9.
La liaison des différentes sections entre elles est illustrée sur les figures 11 et 12. Chacune des sections se lie à la précédente au travers de particules 1 qui sont liées d'une part au liant 10 coulé sur la couche N et d'autre part au liant 10 coulé sur la couche N-1, comme illustré sur la figure 11. De plus les sections peuvent aussi se lier entre elles directement, par endroits, par la liaison du liant 10 de la couche N au liant 10 de la couche N-1. La figure 12 représente le cas particulièrement avantageux où la liaison est réalisée à la fois par ces deux phénomènes. La meilleure solidité mécanique de la pièce est alors atteinte. Ceci est obtenu par un réglage adapté de la température de chauffage du liant 10 et des épaisseurs des couches, en fonction de la densité, de la forme et du point de goutte des particules 1, du point de solidification et du point de coulée de goutte du liant 10. D'autres conditions peuvent aussi intervenir dans les réglages, comme la température ambiante ou celle de l'enceinte.
En fonction de ces paramètres, une gestion optimale du volume de liant 10 déposé par unité de longueur permet également d'obtenir une précision sur les dimensions de la pièce finie de l'ordre de grandeur du rayon moyen des particules 1 utilisées.
Les différents éléments du dispositif suivant l'invention sont représentés sur les figures 13 et 15.
L'enceinte 2 reçoit les couches de particules 1. Elle a uniquement la particularité d'avoir un fond qui se déplace suivant l'axe Z. Ce déplacement, réalisé par pas de hauteur définie et variable, est commandé par un système de pilotage informatique 6 après la fin de la coulée du liant 10 sur la couche de particules 1, afin de libérer la place nécessaire pour la répartition de la couche suivante.
Le fond de l'enceinte 2 reste toujours parallèle à sa position de départ, dans des tolérances telles que la pièce en cours de construction ne subisse pas de distorsions non voulues. II peut tre, par exemple, lié à un vérin hydraulique commandé par un distributeur hydraulique et un automate, qui permettent son déplacement vertical et précis.
Le système 3 de dépôt et de répartition des particules en surface de l'enceinte 2 est purement mécanique. A chaque traversée de la surface de l'enceinte 2, il apporte un volume de poudre suffisant pour créer une couche plane d'épaisseur constante qui accueillera la coulée suivante, Cette couche peut recouvrir totalement toute la surface de la couche précédente, elle peut aussi laisser affleurer localement le haut de la traînée de liant 10 déversé sur la couche précédente, si celui-ci ne s'est pas entièrement infiltré entre les particules 1 et si il crée alors une surépaisseur par rapport à la surface des particules.
Dans ce cas, la liaison entre les sections s'effectuera directement entre les deux coulées de liant 10 successives. Rappelons toutefois ici que l'on préfère faire intervenir des particules non totalement fondues dans la liaison entre deux couches successives afin de favoriser la cohésion de l'ensemble.
Le système 3 peut tre par exemple constitué d'un rouleau roulant en appui sur deux bords parallèles de l'enceinte 2 et qui va transporter d'un bout à l'autre un surplus de poudre de telle manière à en déposer à coup sûr une épaisseur égale au maximum à la distance qui sépare le haut de la couche précédente et le haut des bords parallèles servant d'appui. Tout autre système qui rempli la fonction est bien sur utilisable. Ce système 3 est commandé par le système de pilotage informatique 6.
La buse de coulée 4 se déplace dans le plan XY grâce à un ensemble 7 et sous commande du système de pilotage informatique 6. Elle permet de canaliser le liant 10 fondu, qui s'écoule à travers elle sur les couches de poudre. La buse de coulée 4 peut comporter un ou plusieurs orifices de sections différentes et/ou variables. Une version préférée de la buse 4 pourra tre une buse à plusieurs orifices et commandée en rotation, qui permettra de déposer rapidement une largeur constante de liant 10, et donc en final permettra l'obtention d'une pièce présentant une épaisseur matière constante, ce qui est souvent recommandé en fonderie à modèle perdu.
Le débit de la buse 4 sera déterminé principalement par l'épaisseur des couches et la grosseur des particules 1 : plus les épaisseurs de couche seront importantes et plus le débit de liant 10 devra augmenter. Cette buse 4 est commandée en ouverture/fermeture, et son débit est de préférence régulé par le système de pilotage informatique 6, notamment par réglage de la pression exercée sur le liant 10. Le nombre des orifices en jeu peut tre réglé de la mme façon, ainsi que la forme et les dimensions de la buse.
L'ensemble 7 qui permet le déplacement de la buse 4 peut tre constitué d'une potence articulée en rotation autour de l'axe Z et dont le bras horizontal permet le déplacement sur une. grande distance d'un chariot qui contient la buse de coulée 4.
Le dispositif de chauffage 5 du liant 10 alimente la buse de coulée 4. 11 permet de fondre le liant 10 par chauffage à une température supérieure à son point de coulée de goutte. II s'agit,
dans une version simplifiée, d'un récipient chauffé électriquement par exemple, en surplomb de la buse 4 et relié à elle par un tuyau lui-mme chauffé. II est contrôlé par le système de pilotage informatique 6.
Le système de pilotage informatique 6 assure la commande de tous les éléments du dispositif. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, il s'agit d'un système de commandes électromécaniques et/ou électro-pneumatiques et/ou tout autre type de mécanismes, qui est piloté par un système informatique détenant les données sur la pièce à réaliser. 11 peut tre par exemple constitué d'un ordinateur dont des sorties analogiques et/ou numériques sont connectés à des automates qui commandent eux- mmes par exemple des vérins pneumatiques, ou des moteurs électriques pas à pas alliés à des pièces et systèmes mécaniques, qui coordonnent les mouvements et ouvertures de la buse 4 selon le chemin demandé par l'ordinateur, qui effectuent le déplacement du fond de l'enceinte 2 en fin de cycle, qui réalisent la répartition de la poudre en des couches d'épaisseur définies et qui contrôlent le chauffage du liant 10.
Le dépôt du liant 10 peut prendre plusieurs formes en fonction de l'orifice de la buse 4. Les figures 14. a, 14. b et 14. c illustrent plusieurs types de dépôts suivant des modes de réalisation préférés du dispositif suivant l'invention, obtenus respectivement à partir d'une buse à simple orifice rond, d'une buse à triple orifice et commandée en rotation et d'une buse à orifice longitudinal commandée en rotation.
Le liant 10 peut ainsi, suivant les cas, tre déposé en filet simple, ou en plusieurs filets, ou en nappe, selon la forme de l'orifice. Ceci permet de recouvrir de larges surfaces en un temps limité. Forme et dimensions peuvent tre réglées en conjonction avec le débit de liant et la vitesse de déplacement de la buse de manière à toujours respecter les conditions de température à imposer au liant déposé sur le lit de particules.
La buse 4 possède de préférence un orifice à section variable, par exemple à section rectangulaire de plus grande
longueur variable. Ce moyen de réglage des conditions de coulée du liant est particulièrement utile dans le procédé suivant l'invention. II peut en effet suffire de jouer sur ce paramètre pour recouvrir des surfaces de couches variables tout en conservant les mmes conditions de débit ponctuel de liant tel qu'il peut tre nécessaire, pour une couche de particules déterminée, afin d'assurer de manière régulière un taux de remplissage correct de l'espace entre particules et l'efficacité de liaison désirée.
La description qui précède explique clairement comment l'invention permet d'atteindre les objectifs qu'elle s'est fixés. En particulier, elle fournit un procédé et un dispositif pour la fabrication précise de pièces tridimensionnelles de bonne résistance mécanique, constituées à partir de matériaux thermoplastiques fusibles tels les cires et les paraffines.
Les applications principales de l'invention sont la réalisation de prototypes en paraffine qui seront moulés dans du plâtre réfractaire, dans de la céramique, ou dans du sable de fonderie, afin de donner lieu après l'évacuation de la paraffine par fusion à un moule de fonderie. La pièce métallique ainsi coulée dans le moule sera la réplique, au retrait dimensionnel prés, de la pièce fabriquée en paraffine. Cette application concernera particulièrement les pièces de grande taille, châssis de machine- outil, carters de grandes dimensions et statues d'art monumentales.
Ce nouveau procédé de prototypage particulièrement adapté aux grandes pièces pourra aussi tre appliqué à la réalisation de moules pour la fabrication de carapaces en résine telles que des coques de bateaux, des carrosseries plastique d'automobiles et autres.
En dernier exemple, le procédé suivant l'invention pourra tre utilisé pour la fabrication à faible coût de maquettes esthétiques en grandeur nature de prototypes tels qu'une nouvelle voiture, de l'électroménager, des décors, etc. Les maquettes pourront tre peintes et décorées.
Next Patent: UNITARY COMPOSITE ARTICLE AND METHOD OF MAKING