PROCEDE D'IMPRESSION EN TROIS DIMENSIONS A SECTION VARIABLE

Domaine technique de l'invention

L'invention concerne un procédé d'impression en trois dimensions d'une pièce.

L'invention concerne plus particulièrement un procédé d'impression en trois dimensions dit "par fil fondu" réalisé à partir d'un filament thermoplastique préalablement chauffé et liquéfié par un élément chauffant pour le liquéfier, et déposé au moyen d'une buse pour former des couches de la pièce à réaliser.

Arrière-plan technique

Un procédé d’impression 3D par dépôt de fil fondu consiste à faire passer un filament thermoplastique dans une tête d'impression comportant un élément chauffant et une buse calibrée. Une bobine de filament thermoplastique approvisionne l'élément chauffant qui liquéfie ce filament. La bobine pousse le filament au travers de l'élément chauffant vers une buse calibrée par laquelle il ressort en filament plus ou moins liquide, calibré selon une section de la buse. Le déplacement simultané de la tête suivant un parcours déterminé permet de créer une couche de la pièce en construction. Par un empilement de couches successives, pleines ou alvéolées, on constitue ainsi la pièce souhaitée.

Les buses calibrées sont généralement amovibles de manière à permettre un choix quant à la qualité de l'impression. Plus la buse possède une section de sortie réduite, plus elle permet de réaliser une impression fine capable de matérialiser avec précision des détails de la pièce, mais en contrepartie plus la vitesse d'impression est lente. Inversement, plus la buse possède une section de sortie élevée, plus elle permet de réal iser une impression grossière, mais de rempl ir rapidement de grandes surfaces avec une vitesse d'impression élevée.

Actuellement, il n'existe aucune possibil ité de changer les buses en cours d'impression . Le choix de la buse doit être fait avant le lancement de l'impression de sorte que l'impression d'une pièce résulte d'un compromis effectué préalablement avant l'impression entre la finesse de l’impression , réal isée au moyen d'une buse de section rédu ite, et la rapidité d’impression, réal isée au moyen d'une buse de section plus importante.

Cette conception ne permet donc pas d'optimiser l'impression .

En effet, si l'on choisit une buse de section rédu ite, celle-ci permet l'impression de détails agencés à proximité de bords libres de la pièce, mais le rempl issage des parties de la pièce qu i ne sont pas agencées à proxim ité de bords libres de la pièce s'effectue très lentement. Il en résulte un temps de réalisation de la pièce élevé.

Inversement, si l'on choisit une buse de section élevée, celle-ci permet un rempl issage rapide des parties de la pièce qu i ne sont pas agencées à proxim ité des bords libres de la pièce, mais ne permet pas l'impression des détails agencés à proximité de bords l ibres de la pièce avec une qual ité satisfaisante. Au temps de réal isation rapide de la pièce doit s'ajouter celui d'une étape de finition permettant d'obten ir les détails souhaités.

Résumé de l'invention

L'invention reméd ie à cet inconvén ient en proposant un procédé d'impression en trois dimensions mettant en œuvre une buse dont la section est variable en cours d'impression . Dans ce but, l'invention propose un procédé d'impression en trois d imensions d'une pièce, comportant une succession d'étapes au cours de chacune desquelles on réal ise une couche pleine ou alvéolaire de la pièce à obten ir, chacune de ces étapes comportant le passage d'un filament thermoplastique au travers d'un élément chauffant pour le liquéfier, pu is le passage du filament thermoplastique l iquéfié au travers d'au moins une buse ayant une section de sortie, pu is la dépose du filament thermoplastique liquéfié sortant de lad ite au moins une buse et le déplacement simultané de ladite au moins une buse en su ivant un parcours déterminé dont la total ité correspond à la couche de la pièce à obtenir, caractérisé en ce que, au cours d'au moins une étape de réal isation d'une couche par rempl issage, on util ise une dite au moins une buse dont un tronçon de sortie est de section de sortie variable entre une première section , maximale, et une seconde section , min imale, et en ce que l'on fait varier la section d'au moins une partie dudit tronçon de sortie de lad ite au moins une buse le long d'au moins une partie du parcours déterm iné, de manière à constru ire une paroi extérieure dél im itant la couche.

Selon d'autres caractéristiques du procédé :

- le procédé comporte une étape in itiale de réal isation d'une couche, préalable à lad ite au moins une étape de réal isation d'une couche par remplissage, au cours de laquelle on util ise ladite au moins une buse ayant sa seconde section minimale pour déposer un contour de ladite couche,

- au cours de l'étape de réal isation d'une couche par rempl issage, on util ise la prem ière section de la buse le long d'au moins une première partie du parcours associée à une partie pleine de la pièce exempte de détails,

- au cours de l'étape de réal isation d'une couche par rempl issage, on util ise la seconde section de la buse le long d'au moins une deuxième partie du parcours associée à une partie de la pièce comportant des détails, cette deuxième partie étant située à proximité d'un bord l ibre de la pièce,

- au cours de l'étape de réal isation d'une couche par rempl issage, on util ise au moins une section de la buse qui est interméd iaire entre les première et deuxième sections le long d'au moins une troisième partie du parcours interméd iaire entre les première et deuxième partie,

L'invention concerne aussi une buse d'impression pour une impression en trois dimensions à partir d'un filament thermoplastique, lad ite buse comportant un corps dans lequel est formé un conduit comportant au moins un tronçon d'entrée qui est configuré pour être alimenté en filament thermoplastique préalablement l iquéfié et un tronçon de sortie de section maximale, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de réduction mobiles de la section du tronçon de sortie selon une section minimale.

Selon d'autres caractéristiques de la buse :

- les moyens de réduction mobiles comportent un logement qu i débouche dans le tronçon de sortie de la buse et à l'intérieur duquel un tiroir est mobile entre une position rétractée dans le logement associée à la section maximale de la buse et une position étendue dans laquelle il fait saill ie dans le tronçon de sortie de la buse pour réduire sa section selon la section min imale,

- dans sa position étendue, une extrémité l ibre du tiroir est située au n iveau d'un orifice de sortie du tronçon de sortie de la buse,

- le condu it, le logement et le tiroir sont sensiblement cyl indriques et un axe du logement et du tiroir forme un angle déterm iné avec un axe du tronçon de sortie du condu it, - les moyens de réduction mobiles de la section du tronçon de sortie comportent un moyen de diaphragme agencé à l'extrém ité du tronçon de sortie, et

- la section maximale est au moins quatre fois supérieure à la section min imale.

Brève description des figures

L’invention sera m ieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui su it faite à titre d’exemple non lim itatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

[Fig.1] la figure 1 est une vue très schématique en perspective d'une pièce réalisée par un procédé d'impression en trois dimensions ;

[Fig.2] la figure 2 est une vue très schématique d'une couche de la pièce de la figure 1 ;

[Fig.3] la figure 3 est une vue très schématique du parcours su ivi par une buse conventionnelle de section réduite pour réal iser la couche de la figure 1 ;

[Fig.4] la figure 4 est une vue très schématique du parcours su ivi par une buse conventionnelle de section élevée pour réal iser la couche de la figure 1 ;

[Fig.5] la figure 5 est une vue très schématique du parcours su ivi par une buse selon l'invention de section élevée pour réal iser la couche de la figure 1 ;

[Fig.6] la figure 6 est une vue schématique en coupe d'une tête d'impression comportant une buse selon l'état de la techn ique ; [Fig.7A-7B] les figures 7 A et 7B sont des vues schématiques en coupe axiale et transversale d'une buse selon l'invention représentée en positon de section élevée ; et [Fig.8A-8B] les figures 8A et 8B sont des vues schématiques en coupe axiale et transversale d'une buse selon l'invention représentée en positon de section rédu ite.

Description détaillée de l'invention

On a représenté à la figure 1 de manière très schématique une pièce 10 réal isée par impression en trois dimensions.

La pièce 1 0 est ici un cube comportant, selon la direction verticale V, une encoche 1 2 sem i-cyl indrique qu i débouche dans une de ses faces 14, et un alésage 16.

La pièce 10 est obtenue par un procédé d'impression en trois dimensions comportant principalement une succession d'étapes au cours de chacune desquelles on réalise, par rempl issage, une couche 18 pleine ou alvéolaire de la pièce à obtenir du type de celle qui a été représentée à la figure 2. Les couches 18 sont donc empilées les unes sur les autres selon la direction verticale V pour obten ir au final la pièce 1 0. Chaque couche 1 8 comporte donc une encoche 1 2a, l'empilement des encoches 1 2a formant l'encoche 1 2. De même, chaque couche 18 comporte une ouverture circulaire 1 6a, l'empilement des ouvertures circulaires 1 6a formant l'alésage 1 6.

Chacune de ces étapes de réal isation d'une couche 18 par rempl issage est réal isée au moyen d'une tête d'impression 20 qu i a été représentée schématiquement à la figure 6.

La tête 20 comporte pour l'essentiel un élément chauffant 22 comportant un alésage chauffé 24 dont une extrémité 26 est destinée à être al imentée avec un filament thermoplastique fourni par une bobine (non représentée). Le filament traverse l'élément chauffant 22 jusqu'à être l iquéfié puis est achem iné en sortie de l'élément chauffant vers une buse 28 dont un orifice de sortie 30 présente une section de sortie de surface déterminée. La tête 20 est déplacée su ivant un parcours 32 déterm iné sur la couche 1 8, la total ité du parcours 32 correspondant à la couche 1 8 de la pièce 10 à obten ir, de sorte que le filament thermoplastique l iquéfié, sortant de la buse 28, se dépose le long de ce parcours.

La buse 28 présente, comme on l'a vu , une section de sortie de surface déterm inée. En fonction de la valeur de cette surface, un cordon de largeur plus ou moins importante de filament thermoplastique l iquéfié est susceptible d'être déposé le long du parcours 32 pour former la couche 18, comme l'illustrent les figures 3 et 4.

Selon la valeur de la surface de la section de sortie de la buse 28, ce dépôt est également réal isé avec un débit plus ou moins élevé de filament thermoplastique. La vitesse de déplacement de la tête 20 dépend aussi de ce débit, car elle est ajustée en conséquence pour fournir un dépôt régul ier de filament thermoplastique l iquéfié le long du parcours 32.

Classiquement, la réalisation d'une couche 1 8 selon un procédé d'impression en trois d imensions connu de l'état de la technique est effectuée à l'aide d'une seule buse 28 dont le cal ibre, c’est-à-d ire la section de passage, est choisie avant l'impression et conservée pensant toute l'impression .

La figure 3 illustre ainsi, superposée à la forme de la couche 18 de la pièce, une partie déjà réalisée 34 du parcours 32 réal isé par une buse 28, dont la position a été représentée schématiquement par une croix. Cette configuration correspond à une buse 28 de section réduite.

De man ière non l imitative, le parcours 32 peut couvrir la couche 1 8 de manière à n'interrompre qu'un minimum le dépôt de filament thermoplastique l iquéfié. Pour cela, la buse suit le parcours 32 en effectuant des allers et retours à la surface de la couche 18, et en interrompant le dépôt de filament thermoplastique liquéfié un iquement pour la réal isation de détails, c’est-à-d ire, dans le cas présent, la réal isation de l'encoche 1 2a et de l'ouverture circulaire 16a. Comme on le voit, du fait de la section réduite de la buse 28, le nombre d'allers et retours effectué par celle-ci pour parcourir la couche 1 8 est élevé, et de ce fait, la durée de réal isation de la couche 18 est élevée. En contrepartie, la section rédu ite de la buse 28 permet de réal iser finement des détails. Par exemple, des surplus de filament thermoplastique 1 2b à la surface de l'encoche 12a et 16b à la surface de l'ouverture circulaire 1 6a ne sont q ue d'épaisseur très rédu ite, cette épaisseur ayant été exagérée sur la figure 3 par souci de visibil ité. De ce fait, avec une buse 28 de section de rédu ite, la réalisation des surfaces de l'encoche 1 2a ou de l'ouverture circulaire 1 6a ne nécessite que peu ou pas d'opérations de reprise par usinage.

La figure 4 illustre quant à elle, superposée à la forme de la couche 18 de la pièce, une partie déjà réal isée 34 du parcours 32 réalisé par une buse 28 de section élevée.

Comme on le voit, du fait de la section élevée de la buse 28, le nombre d'allers et retours effectué par celle-ci pour parcourir la couche 1 8 est rédu it, et de fait la durée de réalisation de la couche 18 est réduite 1 8, car le remplissage des parties de la couche 18 exemptes de détail peut être effectué rapidement.

En contrepartie, la section rédu ite de la buse 28 ne permet pas de réal iser finement des détails. Par exemple, les surplus de filament thermoplastique 1 2b à la surface de l'encoche 1 2a et 1 6b à la surface de l'ouverture circulaire 1 6a sont d'épaisseur élevée et débordent largement sur la surface 12b de l'encoche 12a et sur la surface 1 6b de l'ouverture circulaire 1 6a . De ce fait, l'util isation d'une buse 28 de section de rédu ite nécessite des opérations de reprise par usinage des surfaces 1 2b de l'encoche 1 2a et 16b de l'ouverture circulaire 1 6a .

Actuellement, il n'existe aucune possibil ité de changer la buse 28 en cours d'impression . Le choix de la buse doit être fa it avant le lancement de l'impression de sorte que l'impression d'une pièce 1 0 résulte d'un compromis effectué, préalablement à l'impression, entre la finesse de l’impression , lorsque l'on util ise une buse 28 de section réduite, et la rapid ité d’impression, lorsque l'on util ise une buse 28 de section plus importante.

L'invention reméd ie à cet inconvén ient en proposant un procédé d'impression en trois dimensions, comportant comme précédemment décrit une succession d'étapes au cours de chacune desquelles on réal ise une couche 1 8 de la pièce 10 à obten ir. Au cours d'au moins une étape de réal isation d'une couche 18 par rempl issage selon ce procédé, on util ise une buse 28 à section variable du type de celle qu i a été représentée aux figures 7A et 7B.

La buse 28 comporte un corps 36 dans lequel est formé un conduit 38 comportant au moins un tronçon d'entrée 40 qui est configuré pour être alimenté en filament thermoplastique préalablement l iquéfié par l'élément chauffant 22 précédemment décrit en référence à la figure 6, lequel n'a pas été représenté sur les figures 7 A et 7B.

Le conduit 38 comporte aussi un tronçon de sortie 42 de section maximale, se terminant par l'orifice de sortie 30.

Conformément à l'invention, la buse 28 comporte des moyens 44 de réduction mobiles de la section du tronçon de sortie 42 selon une section minimale.

Selon un mode de réalisation de l'invention qu i pourrait être envisagé mais qui n'a pas été représenté, les moyens de réduction mobiles de la section du tronçon de sortie pourraient comporter un moyen de d iaphragme agencé à l'extrémité du tronçon de sortie 42, c’est-à-d ire au niveau de l'orifice 30. Un tel d iaphragme peut prendre de nombreuses formes, et être par exemple un diaphragme à palette mobile similaire aux tuyères à palettes mobiles util isées en sortie des turboréacteurs d'avions de chasse.

Toutefois, de préférence, comme l'illustrent les figures 7 A et 7B, les moyens de réduction mobiles 44 comportent un logement 46 qu i débouche dans le tronçon de sortie 42 de la buse 28 et à l'intérieur duquel un tiroir 50 est mobile. Le tiroir 50 est mobile entre une position rétractée dans le logement 46, comme représenté à la figure 7 A, et une position étendue, représentée à la figure 7B . La position rétractée de la figure 7 A est associée à la section maximale de la buse 28 et, dans la position étendue de la figure 7B, le tiroir 50 fait saillie dans le tronçon de sortie 42 de la buse pour rédu ire la section du tronçon de sortie 42 selon la section minimale.

De préférence, le condu it 38, le logement 46 et le tiroir 50 sont sensiblement cyl indriques. Pour éviter que le tiroir 50 en pénétrant dans le tronçon de sortie 42 ne perturbe l'écoulement du filament thermoplastique l iquéfié, il est nécessaire que celu i-ci ne soit pas agencé perpendiculairement à un axe A du condu it 38. A cet effet, un axe B du logement 46 et du tiroir 50 forme un angle a déterminé avec l'axe A du tronçon de sortie 42 du condu it 38. Cet angle résulte d'un compromis entre l'encombrement du tiroir 50 et un angle a aussi rédu it que possible. Il est par exemple de 30 à 45 degrés.

De préférence, comme l'illustre la figure 8A, également afin de ne pas perturber l'écoulement du filament thermoplastique liquéfié, dans la position étendue du tiroir 50, une extrém ité l ibre 52 du tiroir 50 est située au niveau de l'orifice de sortie 30 du tronçon de sortie 42 de la buse 28.

De préférence, comme l'illustre la figure 8B, l'extrém ité l ibre 52 du tiroir 50, dans sa position étendue, s'étend dans le plan de l'orifice de sortie 30 du tronçon de sortie 42 de la buse 28 et suivant toute la section de cet orifice 30.

Comme l'illustre la figure 8B, pour ne pas interrompre le flux de filament thermoplastique liquéfié, l'extrémité 52 comporte une cavité débouchante tubulaire creuse 54 qu i commun ique avec le tronçon de sortie 42, de sorte qu'elle opère une réduction de section du tronçon de sortie 42 sans interrompre le flux de filament thermoplastique.

Idéalement, la section maximale du condu it de sortie de la buse 28 est au moins quatre fois supérieure à sa section minimale dans la position étendue du tiroir 50. Cette configuration n'est évidemment pas l im itative de l'invention, et des rapports de section maximale à min imale différentes et supérieurs peuvent être envisagés. Par exemple, un rapport de section maximale à minimale de 4 est obtenu par exemple avec des sections de diamètre min imal 0,4mm à maximal 0,8mm . Avec des rapports de section de d iamètre min imal 0,3mm à maximal 0,9 mm ou plus, le rapport de section maximale à m in imale devient par exemple supérieur à 9.

Le tiroir 50 peut être mû de différentes façons, notamment par des moyens d'actionnement hydraul iques ou électromagnétiques, sans l im itation de l'invention .

Le tiroir 50 est, comme on l'a vu, mobile entre deux positions extrêmes, rétractée et étendue. Il sera compris que des positions interméd iaires peuvent être envisagées, pour peu que les moyens d'actionnement le permettent.

Dans cette configuration, une étape initiale de construction d’une couche consiste à déposer avec la buse le contour de la couche, de manière à constru ire une paroi extérieure dél imitant la couche. Pour ce faire, il est nécessaire d'util iser la buse avec sa seconde section m in imale, de manière à déposer un contour de ladite couche avec une précision fine.

Puis, au cours d'au moins une étape de rempl issage, le contour est rempl i de man ière pleine ou selon un quadrillage alvéolé plus ou moins dense.

A cet effet, au cours d'au moins une étape de réal isation de la couche par rempl issage, on fait varier la section d'au moins une partie du tronçon 42 de sortie de la buse 28 le long d'au moins une partie 32a, 32b du parcours 32.

Ceci sign ifie que la section en sortie du conduit 38 n'est pas constante, mais varie en fonction de la position de la buse 28, comme représenté à la figure 5.

Sur la figure 5, le parcours 32 comporte des prem ières parties 32a le long desquelles la buse 28 présente la section maximale. Sur ces parties 32a, le tiroir 50 occupe donc sa position rétractée. Ces parties correspondent à des parties pleines de la pièce 10, et donc de la couche 18, qu i est exempte de détails. Le long de ces parties la buse 28 assure un débit de filament thermoplastique l iquéfié élevé et par conséquent, un rempl issage rapide de la couche.

Le parcours 32 comporte des secondes parties 32b le long desquelles la buse 28 présente la section m in imale. Sur ces parties 32a, le tiroir 50 occupe sa position étendue. Ces parties correspondent à des parties de la pièce 10, et donc de la couche 18, comportant des détails. Ces deuxièmes parties sont généralement situées à proximité de bords libres de la pièce. Le long de ces parties, la buse 28 assure un débit de filament thermoplastique l iquéfié rédu it et par conséquent, un rempl issage plus lent de la pièce mais ceci permet de réal iser des détails complexes.

Naturellement, les sections de sortie de la buse 28 ne sont pas nécessairement l imitées un iquement aux sections m inimale et maximale, mais il est aussi possible d'envisager des sections interméd iaires et même des sections allant croissant ou décroissant progressivement entre les sections minimale et maximale pour peu que le tiroir 50 pu isse être déployé progressivement entre sa position rétractée de la figure 7 A et la position étendue de la figure 7B. Des moyens d'actionnement correspondants peuvent être prévus pour permettre au tiroir 50 de conserver ces positions interméd iaires.

Dans ce cas, au cours de l'étape de réal isation d'une couche 18, on peut util iser au moins une section de la buse 28 qu i est interméd iaire entre les première et deuxième sections le long d'au moins une troisième partie 32c du parcours intermédiaire entre les première 32a et deuxième partie 32b.

Cette troisième partie peut notamment correspondre à une zone de transition du parcours 32 entre des parties 32a et 32b.

Le procédé d'impression selon l'invention permet donc d'optimiser considérablement les temps de production d'une pièce en réservant la section minimale de la buse à la préparation du contour de la pièce et à l’impression des détails et en consacrant la section maximale de la buse au rempl issage de la pièce.