Titre : Dispositif de traitement de données pour la génération de microstructures à propriétés déformables commandables

L’invention concerne le domaine de la fabrication additive. Plus particulièrement, elle concerne le domaine de la fabrication additive de structures et de microstructures à propriétés déformables.

Les travaux de la Demanderesse l’ont amenée à étudier la réalisation de structures présentant des propriétés de déformation anisotrope choisies et des propriétés déformables adaptées selon un cahier des charges fonctionnelles en général. Ainsi, elle a déposé une première demande de brevet français sous le numéro de demande FR 1652497 décrivant des mousses générées grâce à des cellules de Voronoï et présentant une élasticité variable dépendant de la structure retenue.

Rappelons qu’un diagramme de Voronoï s'applique à un ensemble de points d'un plan, ou d’un volume, appelés sites ou germes. Le diagramme est un réseau comportant des polygones convexes. Chacun délimite la zone dans laquelle tout point est plus proche de son germe que de tous les autres germes. Pour engendrer un diagramme de Voronoï seules certaines médiatrices sont utilisées et pas d'autres : les sites trop lointains ne sont pas pris en considération ; alors les segments utiles forment une triangulation ou partition du plan dite de Delaunay. On considère qu’en mécanique, une structure en triangulation de Delaunay minimise les carrés des aires des triangles. En comptant les frontières extérieures, chaque site est à l'intérieur d'un polygone convexe. Tous les points de ce polygone sont plus proches du point interne que de tous les autres points. Il s'agit d'un réseau en nid d'abeille irrégulier. À partir de ces fondements, il est possible de définir des segments (dans le plan) ou des surfaces bornées (dans l’espace). La connaissance de ces éléments discrets sert ensuite en fabrication additive pour réaliser un objet tridimensionnel ayant des propriétés mécaniques fonction de l’espace et des contraintes exercées sur l’objet. Plus tard, la Demanderesse a déposé une deuxième demande de brevet français sous le numéro de demande FR1754866 permettant de réaliser des mousses orthotropes présentant des champs de déformation décrivant les directions dans lesquelles la mousse est plus susceptible de se déformer en réponse à une contrainte.

Bien qu’intéressantes d’un point de vue académique, ces inventions sont délicates d’utilisation dans des produits commerciaux, car leur déformabilité était difficile à mettre en action.

L’invention vient améliorer la situation. A cet effet, elle propose un dispositif pour fabrication additive, comprenant une mémoire agencée pour recevoir des données de forme d’objet à fabriquer et des données d’actionneurs pour l’objet à fabriquer, un calculateur agencé pour déterminer un modèle additif définissant une mousse orthotropique à partir des données de forme d’objet à fabriquer et des données d’actionneurs pour l’objet à fabriquer.

Ce dispositif est particulièrement avantageux car il permet, par fabrication additive, de créer des objets dont la déformation est non seulement prévue, mais également commandable en présence d’une contrainte avantageusement mécanique.

Selon divers modes de réalisation, l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- les données d’actionneurs définissent les actionneurs pour l’objet à fabriquer en tant que structure additive, et dans lequel le calculateur est agencé pour déterminer un modèle additif définissant une mousse orthotropique qui intègre ces actionneurs,

- au moins un actionneur est réalisé au moyen d’une ou plusieurs structures fermées dans la mousse orthotropique, et par l’introduction dans celles-ci d’un gaz, d’un gel ou d’un fluide,

- G actionneur agit par transition ci du gaz, du gel ou du fluide, suscitée au moyen d’une électrovanne, d’une source pneumatique, ou par simple pression sur l’une des parties renfermant le gaz, le gel ou le fluide en contact fluidique avec une autre partie de la mousse orthotropique propre, - les données d’actionneurs définissent les actionneurs pour l’objet à fabriquer en tant qu’éléments non-additifs, et dans lequel le calculateur est agencé pour déterminer un modèle additif définissant une mousse orthotropique permettant l’introduction de ces actionneurs,

- les données d’actionneurs définissent les actionneurs pour l’objet à fabriquer comprend un élément déformable relié à divers points de la mousse orthotropique, de sorte que la déformation de l’élément déformable entraîne la déformation de la mousse orthotropique selon les directions privilégiées de déformation de chaque zone comprenant un point auquel est relié l’élément déformable, et

- le calculateur est agencé pour munir l’objet à fabriquer d’une peau sur tout ou partie de sa surface.

L’invention concerne également un procédé de détermination de données de modèle additif comprenant : a) recevoir des données de forme d’objet à fabriquer, b) recevoir des données d’actionneurs pour l’objet à fabriquer, c) déterminer un modèle additif définissant une mousse orthotropique à partir des données de forme d’objet à fabriquer et des données d’actionneurs pour l’objet à fabriquer.

Elle concerne également un produit de programme d’ordinateur comprenant des portions de code de programme pour mettre en œuvre le dispositif ou le procédé selon l’invention lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, tirée d’exemples donnés à titre illustratif et non limitatifs, tirés des dessins sur lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 représente un premier exemple d’une mousse présentant des propriétés de déformation anisotrope choisies,

[Fig. 2] La figure 2 représente un exemple de mousse selon la Figure 1 munie d’un actionneur mécanique, [Fig. 3] La figure 3 représente un deuxième exemple d’une mousse présentant un champ de déformations,

[Fig. 4] La figure 4 représente un exemple d’actionneur pouvant être introduit dans la mousse de la figure 1 ou la mousse de la figure 3, et

[Fig. 5] La figure 5 représente un exemple de diagramme schématique d’un dispositif selon l’invention.

Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

La figure 1 représente un premier exemple d’une mousse. Dans cet exemple, la mousse présente des propriétés de déformation anisotrope choisies. Comme on peut le voir sur cette figure, un objet 2 similaire à un doigt humain a été produit sous la forme d’une mousse présentant des propriétés de déformation élastique variable. Ainsi, l’objet 2 comprend une première portion d’extrémité 4, un élément médian 6 et une deuxième portion d’extrémité 8. La première portion d’extrémité 4 et l’élément médian 6 d’une part, et l’élément médian 6 et la deuxième portion d’extrémité 8 sont reliées entre elles respectivement par une première portion de jonction 10 et une deuxième portion de jonction 12.

Dans l’exemple décrit ici, cette mousse a été réalisée selon les enseignements de la demande FR1652497, c’est-à-dire qu’elle a été générée à l’aide de cellules de Voronoï et présente une densité moindre dans la première portion de jonction 10 et la deuxième portion de jonction 12 afin de créer des directions privilégiées de déformation lorsqu’une contrainte est appliquée sur la première portion d’extrémité 4 ou sur la deuxième portion d’extrémité 8. Ainsi, si l’on appuie sur l’une ou l’autre, le doigt se plie au niveau de ces portions, qui se comportent alors comme des phalanges.

La figure 2 représente une mousse selon l’invention qui tire avantage des propriétés de la mousse de la figure 1. En effet, un fil rigide a été attaché à une partie de la première portion d’extrémité 4, à l’élément médian 6, et à la deuxième portion d’extrémité 8. Ainsi, en tirant sur une extrémité du fil tandis que l’une de la première portion d’extrémité 4 et de la deuxième portion d’extrémité 8 est fixe, le fil actionne le doigt pour le faire se replier au niveau de la première portion de jonction 10 et de la deuxième portion de jonction 12. Dans l’exemple décrit ici, le doigt n’a pas été muni d’une enveloppe formant peau.

Il peut néanmoins être avantageux de le prévoir. En effet, en l’absence de cette enveloppe, la structure peut s’écraser sous la tension du fil et sa déformation peut être plus difficile à maîtriser. En variante, tout type d’actionneur solide intégré à la mousse ou rapporté à celle-ci peut être utilisé, voire être formé en même temps que la mousse.

Lorsque la mousse orthotrope est enveloppée par un matériau de même nature ou de nature différente, cela permet de limiter les déformations spatiales dans des directions privilégiées, les exaltant relativement à une mousse non enveloppée. Ainsi, la mousse orthotrope est entourée d’une enveloppe externe imposant des déformations dans des directions privilégiées de l’espace. En l’absence de cette « peau », les effets pourront être moins notables parce qu’elle impose des contraintes de continuité spatiale qu’on ne retrouve pas dans une mousse non enveloppée,

La figure 3 représente un premier exemple d’une mousse. Dans cet exemple, la mousse présente des propriétés orthotropes, et en particulier une carte de champs de déformations qui définit une pluralité de directions privilégiées lorsqu’une ou plusieurs contraintes sont appliquées. Cette mousse a été réalisée selon les enseignements de la demande FR1754866. D’une manière générale, les mousses fabriquées selon les enseignements de cette demande sont plus intéressantes que celles réalisées selon les enseignements de la demande FR 1652497, car elle permet une plus grande richesse de directions privilégiées que cette dernière. Il est ainsi possible de réaliser des objets ayant une cinématique complexe.

Quand un matériau constitué d’une mousse homogène est plié, ou quand il est constitué de mousses orthotropes, les déformations peuvent être très différentes. C’est cette différence que l’on exploite dans la présente invention. Afin de tirer avantage de cette structure, l’invention propose également des actionneurs du type de celui représenté sur la figure 4.

Dans l’exemple décrit ici, repose sur la réalisation d’une ou plusieurs structures fermées dans la mousse, et l’introduction dans celles-ci d’un gaz, d’un gel ou d’un fluide. L’idée ici est de faire transiter l’un de ces éléments d’une première partie de la mousse vers une deuxième partie de la mousse, qui se déformera selon ses directions privilégiées sous l’effet de la pression induite par l’excès de matière. La transition peut être suscitée avantageusement au moyen d’une électrovanne, d’une source pneumatique, ou par simple pression sur l’une des parties renfermant un gaz, un gel ou un fluide en contact fluidique avec une autre partie de la mousse propre à le recevoir. Par exemple, la pression exercée par le poids d’une personne sur un support placé par exemple dans une chaussure peut servir d’actionneur et entraîner des déformations souhaitées en termes de confort ou d’aide à la marche. Dans cet exemple, les raideurs introduites dans le ballonnet obligent une déformation dans des directions privilégiées.

Ainsi, sur l’exemple de la figure 4, une électrovanne introduit un gaz selon une direction 40 à travers un tuyau 42 dans une mousse orthotropique 44. La mousse orthotropique 44 comprend un réseau de tubes 46 qui sont reliés au tuyau 42, ainsi qu’une enveloppe en surface, de sorte que l’introduction du gaz va venir solliciter la mousse selon la direction 48.

En variante, les portions renfermant un gaz, un gel ou un fluide peuvent être entièrement fermées, de sorte qu’elles seules se déforment sous l’effet de la variation de pression interne. Néanmoins, les portions voisines étant elles-mêmes déformables, elles subiront au moins en partie une contrainte liée à la déformation de la portion sous pression. Dans ce cas le gaz, le gel ou tout autre fluide peuvent également être remplacés par un matériau à mémoire de forme que l’on active ou pas selon les besoins.

La figure 5 représente un exemple de mise en œuvre schématique d’un dispositif selon l’invention. Le dispositif 50 comprend une mémoire 52 qui reçoit des données définissant la forme générale à donner à un objet à fabriquer, ainsi que des données d’actionneurs qui définissent le type d’actionneur souhaité et leur emplacement dans l’objet.

Le dispositif comprend également un calculateur 54 agencé pour accéder aux données de la mémoire 52 et pour construire un modèle additif 56 pour réaliser la mousse ainsi que les éléments nécessaires pour que les actionneurs existent, c’est-à-dire les actionneurs eux -mêmes s’ils sont fabriqués de manière additive avec la mousse, ou les accès pour permettre leur installation ultérieure si nécessaire. Enfin le dispositif 50 commande une imprimante 60 de fabrication additive, connue par ailleurs, pour réaliser la mousse selon le modèle additif déterminé par le calculateur 54.