TITRE DE L’INVENTION : POUDRE DE MONOMERE SALIFIE ET LEUR UTI LISATION DANS LES

PROCEDES D’AGGLOMERATION DE POUDRE

Domaine de l’invention

La présente invention concerne des poudres de monomère salifié et leur utilisation dans les procédés d’agglomération de poudre.

Arrière-plan technique

La technologie d'agglomération de poudres de polyamide sous un rayonnement électromagnétique, tel qu’un faisceau laser, serf à fabriquer des objets en trois dimensions tels que des prototypes et des modèles, notamment dans les domaines automobile, nautique, aéronautique, aérospatial, médical (prothèses, systèmes auditifs, tissus cellulaires...), le textile, l’habillement, la mode, la décoration, des boîtiers pour l’électronique, la téléphonie, la domotique, l’informatique et l’éclairage.

Cette technologie permet également d’atteindre des géométries fines et complexes, impossibles à réaliser par les techniques classiques de moulage.

Dans le cas du frittage laser, on dépose une fine couche de poudre de polyamide sur une plaque horizontale maintenue dans une enceinte chauffée à une température située entre la température de cristallisation Te et la température de fusion Tf de la poudre de polyamide. Le laser permet de fusionner des particules de poudre en différents points de la couche qui cristallise lentement après le passage du laser selon une géométrie correspondant à l'objet, par exemple à l'aide d'un ordinateur ayant en mémoire la forme de l'objet 3D et restituant cette dernière sous forme de franches 2D. Ensuite, on abaisse la plaque horizontale d'une valeur correspondant à l'épaisseur d'une couche de poudre (par exemple entre 0,05 et 2 mm et généralement de l'ordre de 0,1 mm) puis on dépose une nouvelle couche de poudre, le laser permet de fusionner des particules de poudre selon une géométrie correspondant à cette nouvelle couche qui cristallise lentement selon une géométrie correspondant à l'objet et ainsi de suite. La procédure est répétée jusqu'à ce que l’on ai† fabriqué tout l'objet. On obtient à l’intérieur de l’enceinte un objet entouré de poudre. Les parties qui n'on† pas été agglomérées son† donc restées à l'état de poudre. Après complet refroidissement, on sépare l'objet de la poudre qui peut être réutilisée pour une autre opération. Cependant, plusieurs problématiques existent pour les procédés de fabrication additive utilisant de la poudre de polyamide. En effet, l’utilisation de telles poudres de polyamide conduit à la présence de porosités sur les pièces et objets fabriqués pouvant nécessiter des traitements après leur fabrication. Par ailleurs, le recyclage des poudres de polyamide non utilisées n’est pas toujours possible car une partie de la poudre aura souvent évolué chimiquement et commencé à s’agglomérer lors du procédé de frittage laser.

Il est donc nécessaire de fournir des matières premières, alternatives aux poudres de polyamide, plus aisées à fabriquer et permettant une bonne cohésion de la matière dans les procédés d’agglomération.

Résumé de l’invention

La présente invention découle de la mise en évidence inattendue, par les inventeurs, qu’une poudre de monomère salifié, en particulier d’amine et d’acide carboxylique salifié peut être obtenue plus facilement sous forme de poudre que le polyamide correspondant et utilisée directement comme matière première dans un procédé d’agglomération. Cette poudre de monomère salifié apporte une très bonne cohésion de la matière par rapport aux poudres usuelles.

Ainsi, la présente invention concerne l’utilisation d’au moins une poudre de monomère salifié dans un procédé de fabrication additive.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication additive d’un objet dans lequel au moins une poudre de monomère salifié telle que définie ci-dessus est utilisée comme matière première.

La présente invention concerne également un produit d’impression 3D fabriqué en utilisant au moins une poudre de monomère salifié telle que définie ci-dessus.

Description détaillée de l’invention

Dans la présente description de l’invention, y compris dans les exemples ci-après, le D50, aussi appelé « diamètre médian en volume » correspond à la valeur de la faille de particule qui divise la population de particules examinée exactement en deux. Le D50 est mesuré selon la norme ISO 9276 - parties 1 à 6 : « Représentation de données obtenues par analyse granulométrique ». Dans la présente description, on utilise un granulomètre laser (Sympatec Helos) et un logicial (Fraunhofer) pour obtenir la distribution granulométrique de la poudre et en déduire le D50. L'analyse des caractéristiques thermiques du polyamide est faite par DSC selon la norme ISO 1 1357-3 « Plastics - Differential Scanning Calorimefry (DSC) Part 3: Détermination of température and enthalpy of melfing and crysfallization ». Les températures qui intéressent ici plus particulièrement l’invention sont la température de fusion lors de la première chauffe (Tfl ), la température de cristallisation (Te) et l’enthalpie de fusion.

Poudre de monomère salifié

La poudre de monomère salifié selon l’invention peu† être formée d’au moins une diamine e† d’au moins un acide dicarboxylique ou d’au moins un acide-aminé.

Selon un mode de réalisation, le monomère salifié es† un sel d’au moins un acide aminé ou un sel d’au moins un acide dicarboxylique e† d’au moins une diamine.

La poudre de monomère selon l’invention peu† comprendre deux acides dicarboxyliques ou plus. L’acide dicarboxylique selon l’invention peu† être aliphatique, aromatique ou être un mélange d’acide aliphatique e† aromatique.

De préférence, l’acide dicarboxylique aromatique selon l’invention es† sélectionné dans le groupe constitué de l'acide téréphtalique, l'acide 2,6-naphtalène dicarboxylique, l'acide biphényl-4,4'-dicarboxylique, l'acide isophtalique, l'acide naphtalène dicarboxylique, l’acide 5-hydroxyisophtalique, les sels de l’acide 5- sulfoisophtalique, l’acide furanedicarboxylique, ou une combinaison de ceux-ci. L'acide dicarboxylique aliphatique selon l’invention peu† être un acide dicarboxylique non cyclique, linéaire ou ramifié, ou un acide dicarboxylique cyclique, ou une combinaison de ceux-ci. L'acide dicarboxylique aliphatique selon l’invention peu† être un acide dicarboxylique aliphatique ayant 2 à 14 atomes de carbone.

De préférence, l'acide dicarboxylique aliphatique selon l’invention es† sélectionné dans le groupe constitué de l'acide oxalique, l'acide 1 ,4-butanedioïque, l'acide 1 ,6- hexanedioïque, l'acide cyclohexanedicarboxylique, l'acide 1 ,8-octanedioïque, l’acide azélaïque, l'acide sébacique, l’acide dodécanedioïque, e† l’acide tétradécanedioïque, ou une combinaison de ceux-ci.

Dans un mode de réalisation de l'invention, l'acide carboxylique consiste en :

(a) un acide dicarboxylique aromatique, e† (b) éventuellement un acide dicarboxylique aliphatique, e† (c) éventuellement un autre acide dicarboxylique. La diamine selon l’invention peut consister en un mélange de deux diamines ou plus. La diamine selon l’invention peut être aliphatique, arylaliphatique ou un mélange de celles-ci. Les diamines arylaliphatiques sont des diamines dans lesquelles chacun des groupes amines est directement connecté à un fragment aliphatique lesquels fragments aliphatiques son† également connectés à un fragment aromatique, telles que la m-xylènediamine et la p-xylènediamine.

La diamine aliphatique peut comprendre une diamine aliphatique linéaire, une diamine aliphatique ramifiée ou une diamine cyclo aliphatique, ou une combinaison de celles-ci. La diamine aliphatique comprend, de préférence, une diamine ayant de 2 à 15 atomes de carbone. La diamine aliphatique en C2-C15 est sélectionnée dans le groupe constitué de la 1 ,2-éthylènediamine, la 1 ,3-propanediamine, la 1 ,4- butanediamine, la pipérazine, la 1 ,5-pen†anediamine, la 1 ,6-hexanediamine, la méthyl-1 ,5-pen†anediamine, la 1 ,2-cyclohexanediamine, la 1 ,3-cyclohexanediamine, la 1 ,4-cyclohexanediamine, la 1 ,7-heptanediamine, la 1 ,8-octanediamine, la 1 ,3- bis(amino-méthyl)cyclohexane, la 1 ,9-nonanediamine, la triméthyl-hexanediamine, la 1 ,10-décanediamine la 1 ,1 1 -undécanediamine, la 1 ,12-dodécanediamine, la 4,4'- methylène-bis(dicyclohexylamine), la 3,3’-diméthyle-4,4’-diamino- dicyclohexylméthane, la p-phénylènediamine, la m-xylylènediamine et la p- xylylènediamine ou une combinaison de celles-ci.

De préférence, la diamine comprend une diamine linéaire en C4-C10, plus particulièrement la 1 ,4-butanediamine, la 1 ,5-pen†anediamine, la méthyl-1 , 5- pentanediamine, la 1 ,6-hexanediamine, la 1 ,4-cyclohexanediamine, la 1 ,3-bis(amino- méthyl)cyclohexane, et la 1 ,10-décanediamine, ou une combinaison de celles-ci. Dans un mode de réalisation de l’invention, la poudre de monomère salifié comprend au moins un acide aminé tel que l’acide 1 1 -aminoundécanoïque, l’acide 12- aminododécanoïque, l’acide N-heptyl-aminoundécanoïque, De préférence, l’acide aminé est l'acide 1 1 -aminoundécanoïque.

La poudre de monomère salifié selon l’invention comprenant au moins un acide dicarboxylique et au moins une diamine, ou au moins un acide-aminé aussi appelé « sel de carboxylate d’ammonium ».

La poudre de monomère salifié selon l’invention est, de préférence, obtenue par mise en contact d'un acide dicarboxylique et d'une diamine ou d’un acide-aminé. La poudre de monomère salifié selon l’invention es†, de préférence, le résulta† de la réaction de neutralisation entre l'acide dicarboxylique et la diamine.

De préférence, le sel de carboxylate d’ammonium est formé en imprégnant une diamine à une poudre d’acide dicarboxylique. De préférence, la poudre d’acide carboxylique est agitée à une température inférieure ou égale à la température de fusion de l'acide dicarboxylique. De préférence également, la poudre d’acide carboxylique est agitée à une température inférieure à la température de fusion du sel et supérieure ou égale à la température de fusion de la diamine.

De préférence, la température de réaction est de 40°C sous la température de fusion du sel de carboxylate d’ammonium, plus préférablement de 60°C sous la température de fusion du sel de carboxylate d’ammonium.

De préférence, la température de réaction est inférieure à 220°C, de préférence comprise entre 100°C et 210°C, plus préférablement entre 130°C et 150°C. La température de réaction peut également être comprise entre 0 et 20°C.

De préférence, le point de fusion de l'acide dicarboxylique utilisé dans la présente invention est supérieur à 100°C.

De préférence le point de fusion de la diamine utilisée dans la présente invention est compris entre 25 et 200°C.

L’agitation de la poudre d’acide dicarboxylique peut être effectuée par tout moyen bien connu de l’homme du métier tel qu’une agitation mécanique ou une agitation par flux de gaz.

La diamine peut être ajoutée à la poudre d’acide dicarboxylique par tout moyen connu de l’homme du métier. A titre d’exemple, la diamine peut être ajoutée à la poudre d’acide dicarboxylique en pulvérisant ou en faisant goutter la diamine dans la poudre d’acide dicarboxylique agitée. De préférence, la diamine est ajoutée graduellement à la poudre d’acide dicarboxylique. De préférence, le taux d’ajout de la diamine est de 0,07 à 6,7% en masse par minute par rapport à la quantité totale de la diamine à ajouter.

La réaction peut être réalisée en présence d’eau. De préférence, la quantité d’eau est comprise entre 1 et 10% en masse par rapport à la quantité totale de poudre d’acide dicarboxylique et de diamine. Plus préférablement la quantité d’eau est inférieure ou égale à 5% en masse par rapport à la quantité totale de la poudre d'acide dicarboxylique et d'une diamine. L’eau peut être éliminée par évaporation pendant la formation du sel. Un limiteur de chaîne ou un catalyseur de polymérisation peuvent être ajoutés à la poudre d’acide dicarboxylique et de diamine. On entend par « limiteur de chaîne » un agent capable bloquer l'extrémité des groupes fonctionnels terminaux d'un polymère. Des exemples d'un tel agent de blocage terminal comprennent l'acide acétique, l'acide laurique, l'acide benzoïque, l'octylamine, la cyclohexylamine e† l'aniline. De préférence, le limiteur de chaîne es† ajouté en une quantité de 5% en moles ou moins par rapport au nombre total de moles de la poudre d'acide dicarboxylique e† de la diamine.

Des exemples de catalyseurs de polymérisation comprennent l'acide phosphorique, l'acide phosphoreux, l'acide hypophosphoreux e† les sels de ces acides. La quantité utilisée du catalyseur de polymérisation es† de préférence de 2% en moles ou moins par rapport au nombre total de moles de la poudre d'acide dicarboxylique e† de la diamine.

Des additifs peuvent également être ajoutés à la poudre de sel de diamine e† d’acide dicarboxylique selon la présente invention à n’importe quel stade de la production du sel. A titre d’exemples de tels additifs, il es† possible de citer une charge ou un stabilisant, des pigments, des colorants, du noir de carbone, des nanotubes de carbone, des antioxydants, des anti-UV, ou encore des plastifiants. La quantité utilisée du ou des additifs es† de préférence de 20% en masse ou moins par rapport à la masse totale de la poudre d'acide dicarboxylique e† de la diamine.

De préférence, le diamètre médian en volume D50 des particules de la poudre de monomère salifié (aussi appelé « sel de carboxylate d’ammonium ») selon l’invention es† inférieur ou égale à 500 miti. De préférence, le diamètre médian en volume D50 des particules de la poudre de monomère salifié (aussi appelé « sel de carboxylate d’ammonium ») es† comprise entre 5 miti e† 250 miti. De préférence également, le diamètre médian en volume D50 des particules de la poudre de monomère salifié (aussi appelé « sel de carboxylate d’ammonium ») es† comprise entre 30 miti e† 80 miti. Des exemples de polyamides pouvant être obtenus par polymérisation de la poudre de sel de monomères selon l’invention incluent :

PA 1 1 : Polyundécanamide fabriqué à partir de l'acide 1 1 - aminoundécanoïque ;

PA 12 : Polylauroamide fabriqué à partir de l’acide 12-aminododécanoïque ;

P A4.6 : polytétraméthylène adipamide, fabriqué à partir de la 1 ,4- butanediamine e† de l’acide adipique ; PA6.6 : polyhexaméthylène adipamide, fabriqué à partir de l’hexaméfhylènediamine et de l’acide adipique ;

PA6.9 : polyhexaméthylène nonanediamide, fabriqué à partir de rhexaméthylènediamine et de l’acide 1 ,9-nonanedioïque ;

PA6.10 : polyhexaméthylène sébaçamide fabriqué à partir de rhexaméthylènediamine et de l’acide sébacique ;

PA6.12 : polyhexaméthylène dodécanediamide, fabriqué à partir de rhexaméthylènediamine et de l'acide 1 ,12-dodécanedioïque ;

PA10.10 : Polydécaméthylène sébaçamide fabriqué à partir du décanediamine et de l’acide sébacique ;

P Al 0.12 : Polydécaméthylène sébaçamide fabriqué à partir du décanediamine et de l'acide 1 ,12-dodécanedioïque ;

PA6.T : fabriqué à partir del ,6-hexanediamine et d'acide téréphtalique ;

PA4.T/6.T : fabriqué à partir de 1 ,4-butanediamine, del ,6-hexanediamine et d'acide téréphtalique ;

PA6.T/10.T : fabriqué à partir de del ,6-hexanediamine, de 1 ,10- décanediamine et d'acide téréphtalique ;

PA4.T/10.T : fabriqué à partir de 1 ,4-butanediamine, de 1 ,10-décanediamine et d'acide téréphtalique ;

PA6.6/6.T : fabriqué à partir de rhexaméthylènediamine, de l’acide adipique, de 1 ,6-hexanediamine et d'acide téréphtalique ;

PA4.T/DACH.T: fabriqué à partir de trans-1 ,4-diaminocyclohexane, de 1 ,4- butanediamine et d'acide téréphtalique ;

PA MXD.6 : fabriqué à partir de m-xylène diamine et d’acide adipique ;

PA MXD.10 : fabriqué à partir de m-xylène diamine et d’acide sébacique ;

PA BMACM.10 : fabriqué à partir de Iq bis(3-methyl-4-aminocyclohexyl) méthane et d’acide sébacique ;

PA PACM.12 : fabriqué à partir de p-aminocyclohexyl méthane et d’acide dodécanedioïque.

Utilisation

L’invention concerne l’utilisation de la poudre de monomère salifié selon l’invention dans un procédé de fabrication additive. On entend par procédé de fabrication additive un procédé de fabrication d’objet par agglomération de la poudre de monomère salifié.

L’utilisation de la poudre de monomère salifié selon l’invention dans une technologie d’agglomération est particulièrement avantageuse car elle apporte une très bonne cohésion de la matière par rapport aux poudres usuelles.

Les poudres de monomère salifié selon l’invention peuvent être utilisées dans le cadre du procédé de fabrication d’objets par fusion provoquée par un faisceau laser (laser sintering), un rayonnement IR ou un rayonnement UV. La technique du laser sintering est notamment décrite dans la demande de brevet EPI 571 173.

En outre, la poudre de monomère salifié selon l’invention peut également être utilisée dans des composites, des revêtements de substrat, des papiers transfert ou pour fabriquer des compositions cosmétiques.

Procédé de fabrication additive

L’invention concerne également un procédé de fabrication d’objets par agglomération de poudre de monomère salifié selon l’invention. De préférence, la poudre de monomère salifié selon l’invention est placée dans une enceinte chauffée à une température inférieure ou égale à la température de fusion de la poudre de monomère salifié.

De préférence, la température de l’enceinte est comprise entre 1 10°C et 1 75°C, plus préférablement, la température de l’enceinte est comprise entre 130 et 1 75°C. De manière encore plus préférée, la température de l’enceinte est comprise entre 150 et 175°C.

Le procédé de fabrication d’objet par agglomération de poudre de monomère salifié selon l’invention comprend une étape de polymérisation de la poudre de monomère salifié. Le procédé de fabrication d’objet par agglomération de poudre de monomère salifié selon l’invention comprend en outre une étape de construction 3D. De préférence, l’étape de polymérisation de la poudre de monomère salifié et l’étape de construction 3D sont réalisées simultanément.

De préférence, la polymérisation se poursuit à l’état fondu comme à l’état solide pendant le reste de la construction.

L’invention a également trait à un procédé de fabrication d’objet par agglomération de la poudre de monomère salifié selon l’invention au cours duquel : a. une fine couche de poudre de monomère salifié selon l’invenfion (couche 1 ) es† déposée sur une plaque horizontale maintenue dans une enceinte chauffée à une température inférieure à la température de fusion de la poudre de monomère salifié ; b. la poudre de monomère salifié (couche 1 ) es† fondue, polymérisée ef agglomérée simultanément selon une géométrie correspondant à l'objet à fabriquer, à l’aide d’un laser ;

c. la plaque horizontale est abaissée d'une valeur correspondant à l'épaisseur d'une couche de poudre de monomère salifié selon l’invention puis une nouvelle couche de poudre de monomère salifié selon l’invention est déposée (couche 2) ; d. la couche de poudre de monomère salifié (couche 2) est fondue, polymérisée et agglomérée simultanément selon une géométrie correspondant à cette nouvelle tranche de l'objet à fabriquer ;

e. la plaque horizontale est abaissée d'une valeur correspondant à l'épaisseur d'une couche de poudre de monomère salifié selon l’invention puis une nouvelle couche de poudre de monomère salifié (couche 3) selon l’invention est déposée ; f. la couche de poudre de monomère salifié (couche 3) est fondue, polymérisée et agglomérée simultanément selon une géométrie correspondant à cette nouvelle tranche de l'objet à fabriquer ;

g. les étapes précédentes sont répétées jusqu’à ce que l’objet soit terminé ; h. l’enceinte est refroidie, de préférence doucement.

Après complet refroidissement, l’objet et la poudre sont séparés.

Dans un mode de réalisation de l’invention, la poudre de monomère salifié n’ayant pas été utilisée est récupérée et réutilisée pour une autre opération.

Selon un autre aspect, la présente invention concerne un produit d’impression 3D fabriqué selon le procédé de fabrication additive tel que défini ci-dessus.

L’invention sera davantage explicitée de manière non limitative à l’aide de l’Exemple qui suit.

EXEMPLE

Les propriétés d’une poudre de monomère salifié selon l’invention sont étudiées dans un procédé d’agglomération de poudre. 1 . Poudre de monomère salifié

Une poudre d’acide 1 1 -aminoundécanoïque salifiéfproduif commercial vendu par Arkema), de diamètre médian en volume D50 des particules de 50 miti est utilisée.

2. Utilisation

La poudre est utilisée dans une machine LS en utilisant des températures dans la chambre de travail et de construction inférieures à 175°C pour ne pas faire fondre la poudre mais supérieures à 150°C pour favoriser la polymérisation même après le passage du laser.

Des pièces de bonne qualité sont obtenues.