DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne une tête d’impression à chauffage ohmique pour une imprimante 3D (3 dimensions), en particulier dans le domaine des produits de panification comme par exemple des cakes, des gâteaux, des pains, etc... , et plus généralement des produits pâteux du type mousses alvéolaires qui se solidifient sous Faction de la chaleur. La présente invention concerne également une imprimante 3D comportant une telle tête d’impression.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Depuis plusieurs années, la technologie d’impression 3D permet de réaliser des produits alimentaires. Une imprimante 3D permettant la mise en œuvre d’un tel procédé comporte généralement un réservoir de produit fluide, par exemple du type seringue ou cartouche, dont l’extrémité de sortie est équipée d’une tête d’impression. Une pression dans le réservoir expulse le produit par la sortie et cette pression est réalisée par un piston dans la seringue ou de l’air comprimé dans la cartouche. Le produit expulsé est par exemple une encre d’impression le plus souvent un gel ou une pâte non cuite pour les produits céréaliers.

Un autre type d’imprimante 3D comporte un lit de poudre par exemple un mélange de farine et de matières grasses, qui est chauffé et cuit de manière très localisée par un laser de puissance. Ce type de dispositif est utilisé pour réaliser par exemple des biscuits.

Un autre type d’imprimante 3D comporte une trémie qui se déverse au-dessus d’une vis sans fin à axe horizontal qui amène le produit jusqu’à la tête d’impression.

Lorsque le produit est du chocolat, la tête d’impression intègre des éléments chauffants comme par exemple des résistances.

L’utilisation d’une telle tête d’impression dans le domaine des produits de panification, et plus généralement des produits pâteux du type mousses alvéolaires qui se solidifient sous l’action de la chaleur, n’est pas possible car le produit fluide a tendance à se solidifier dans la tête d’impression au niveau de la paroi chauffée. Il en résulte alors une adhésion du produit aux parois chauffées (zones de surcuisson) du fait de la rigidification de la pâte cuite en surface alors que la partie centrale de l’écoulement serait encore fluide car non cuite. Ce déséquilibre de cuisson serait susceptible d’entraîner l’obturation de la tête d’impression. Le document « Study of continuous cake pre-baking in a rectangular channel using ohmic heating” de Khodeir ET AL divulgue une tête d’impression de l’état de la technique.

Il est donc nécessaire de trouver une technologie limitant l’apparition de zones de surcuisson.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

Un objet de la présente invention est de proposer une tête d’impression pour une imprimante 3D.

À cet effet, est proposée une tête d’impression pour une imprimante 3D, ladite tête d’impression comportant :

- deux grandes parois parallèles entre elles et en regard l’une de l’autre, et

- deux petites parois parallèles entre elles et en regard l’une de l’autre, et perpendiculaires aux grandes parois, où les quatre parois définissent entre elles, une cavité prenant la forme d’un parallélépipède rectangle qui s’étend entre une entrée et une sortie qui sont en regard l’une de l’autre et définissent entre elles, une direction d’évacuation, où chaque petite paroi est réalisée dans un matériau électriquement non conducteur, où, dans la cavité, chaque grande paroi comporte une paroi centrale et deux parois latérales de part et d’autre de la paroi centrale, où chaque paroi latérale est réalisée dans un matériau électriquement non conducteur, et où les deux parois centrales se font face, sont réalisées dans un matériau électriquement conducteur, et sont destinées à être électriquement reliées à un générateur électrique qui génère un courant alternatif et une différence de potentiel électrique entre elles.

Avec un tel agencement, la pâte présente dans la tête d’impression entre les électrodes n’est chauffée que dans un volume restreint et laisse ainsi une couche de pâte non cuite et fluide le long des parois et limite ainsi les risques d’obturation.

Avantageusement, la cavité présente une longueur Lo, la paroi centrale présente une largeur li qui est parallèle et inférieure à la longueur Lo, et chaque paroi latérale présente une largeur qui est égale à la moitié de la différence entre la longueur Lo de la cavité et la largeur li de la paroi centrale.

Avantageusement, pour chaque grande paroi, la paroi centrale et les deux parois latérales constituant ladite grande paroi sont coplanaires dans la cavité.

Avantageusement, la tête d’impression comporte un système de refroidissement arrangé à l’arrière des grandes parois par rapport à la cavité. Avantageusement, la tête d’impression comporte une plaque métallique qui est solidaire de la paroi centrale, qui est à l’arrière de la paroi centrale par rapport à la cavité, où la plaque métallique présente une largeur supérieure à la largeur de la paroi centrale et s’étend de part et d’autre de la paroi centrale, chaque petite paroi et les deux parois latérales qui sont voisines forment un seul et même élément prenant la forme d’un profilé en U, chaque paroi centrale est positionnée entre et dans le prolongement de deux parois latérales de deux profilés en U différents, et chaque plaque métallique se positionne à l’arrière des parois latérales encadrant la paroi centrale associée.

Avantageusement, le système de refroidissement prend la forme de deux échangeurs thermiques dans lesquels circulent des tubes alimentés avec un fluide caloporteur, où chaque échangeur thermique est accolé à l’arrière d’une des plaques métalliques.

Avantageusement, pour chaque échangeur thermique, la tête d’impression comporte une plaque de protection constituée d’un matériau électriquement isolant et disposée entre la plaque métallique et l’échangeur thermique.

Avantageusement, en aval de la sortie, la tête d’impression comporte deux blocs disposés de part et d’autre de la sortie, et chaque bloc présente un plan incliné qui prolonge la grande paroi et s’écarte vers l’extérieur en progressant dans le sens de la direction d’évacuation.

L’invention propose également une imprimante 3D comportant une tête d’impression selon l'une des variantes précédentes.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :

Fig. 1 est une vue en perspective d’une tête d’impression selon l’invention,

Fig. 2 est une vue en perspective et en coupe de la tête d’impression de la Fig. 1 par un plan médian vertical,

Fig. 3 est une vue éclatée de la tête d’impression de la Fig. 1,

Fig. 4 est une vue de dessus et en coupe de la cavité de la tête d’impression de la Fig. 1, et

Fig. 5 est un graphe représentatif de la distribution thermique à l’intérieur de la cavité de la tête d’impression.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION Les Figs. 1 à 3 montrent une tête d’impression 100 qui est mise en œuvre dans le cadre d’une imprimante 3D, en particulier dans le domaine des produits de panification, et plus généralement des produits pâteux du type mousses alvéolaires qui se solidifient sous l’action de la chaleur.

Selon un exemple, l’imprimante 3D comporte par ailleurs un réservoir de stockage de la pâte qui comme dans l’état de la technique peut prendre la forme d’une seringue ou d’une cartouche équipée d’une sortie par où la pâte est expulsée sous une pression exercée dans le réservoir. L’imprimante 3D peut également prendre la forme d’une trémie avec une vis sans fin comme dans l’état de la technique ou tout autre type d’imprimante 3D approprié. L’imprimante n’est pas décrite plus avant car elle peut être constituée par toute imprimante de l’état de la technique où seule la tête d’impression est différente. Ainsi tout autre type d’imprimante peut être utilisé dans le cadre de l’invention.

La pâte est ainsi conduite vers la tête d’impression.

La pâte souple est amenée à la tête d’impression 100 et s’écoule dans une cavité 102 de la tête d’impression 100. La cavité 102 présente une entrée 104 en partie haute et une sortie 106 en partie basse. La cavité 102 prend la forme d’un parallélépipède rectangle qui s’étend entre l’entrée 104 et la sortie 106 qui prennent alors chacune la forme d’un rectangle.

La pâte qui est introduite dans la cavité 102 par l’entrée 104 ressort par la sortie 106 et s’écoule donc parallèlement à une direction d’évacuation représentée par la flèche F qui est orientée verticalement du haut vers le bas pour faciliter le déplacement de la pâte par gravité en combinaison avec le système qui est en amont de la tête d’impression 100 et qui pousse la pâte. L’entrée 104 et la sortie 106 sont ainsi en regard l’une de l’autre et définissent entre elles, la direction d’évacuation F.

On appelle « hauteur Ho » de la cavité, la dimension parallèle à la direction d’évacuation F.

On appelle « longueur Lo » et « largeur lo » de la cavité 102, les deux dimensions de la cavité qui sont perpendiculaires à la hauteur Ho, où la longueur est la dimension la plus grande et la largeur est la dimension la plus petite. Si la longueur Lo et la largeur lo sont égales, la cavité

102 présente une section carrée. Dans la mesure où la Fig. 2 est une coupe par un plan médian, 1 seule la demi-largeur (- * l _Q ) est visible.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la longueur Lo est comprise entre 5 et 40 mm, la largeur lo est comprise entre 2 et 10 mm et la hauteur Ho est comprise entre 10 et 100 mm. La cavité 102 est ainsi délimitée par quatre parois latérales, à savoir deux grandes parois 108 et deux petites parois 110. Les grandes parois 108 sont celles dont la surface est égale au produit de la longueur Lo par la hauteur Ho et les petites parois 110 sont celles dont la surface est égale au produit de la largeur lo par la hauteur Ho. Les deux grandes parois 108 sont parallèles entre elles et en regard l’une de l’autre et les deux petites parois 110 sont parallèles entre elles et en regard l’une de l’autre. Les petites parois 110 et les grandes parois 108 sont perpendiculaires entre elles et elles définissent entre elles, la cavité 102.

Chaque petite paroi 110 est réalisée dans un matériau électriquement non conducteur comme par exemple en polycarbonate.

Chaque grande paroi 108 comporte une paroi centrale 112 et deux parois latérales 114. La paroi centrale 112 s’étend entre l’entrée 104 et la sortie 106, c'est-à-dire sur la hauteur Ho de la cavité 102, et présente une largeur li qui est parallèle et inférieure à la longueur Lo de la cavité 102. Les deux parois latérales 114 s’étendent de part et d’autre de la paroi centrale 112 qui est centrée sur la grande paroi 108. Chaque paroi latérale 114 s’étend entre l’entrée 104 et la sortie 106, c'est-à-dire sur la hauteur Ho de la cavité 102, et présente une largeur qui est égale à la moitié de la différence entre la longueur Lo de la cavité 102 et la largeur li de la paroi centrale 112.

Pour chaque grande paroi 108, la paroi centrale 112 et les deux parois latérales 114 constituant ladite grande paroi 108 sont coplanaires dans la cavité 102 pour assurer une face lisse de la pâte en sortie.

Chaque paroi latérale 114 est réalisée dans un matériau électriquement non conducteur comme par exemple en polycarbonate. Chaque paroi centrale 112 est réalisée dans un matériau électriquement conducteur et, comme cela est expliqué ci-dessous, chaque paroi centrale 112 est alimentée électriquement et constitue ainsi une électrode. Le matériau électriquement conducteur est par exemple de l’acier inoxydable, du titane, etc.

Ainsi, dans la cavité 102, chaque grande paroi 108 comporte une paroi centrale 112 et deux parois latérales 114 de part et d’autre de la paroi centrale 112. Les constitutions particulières de la paroi centrale 112 et des parois latérales 114 évitent le chauffage au niveau des parois latérales 114.

Les deux parois centrales 112 se font donc face et constituent deux électrodes en regard.

Selon un mode de réalisation particulier, la longueur Lo de la grande paroi 108 est comprise entre 5 et 40 mm, et la largeur lo de la cavité 102 est comprise entre 2 et 10 mm. Selon une configuration particulière la largeur li est de 35 mm, la longueur Lo est de 40 mm et la largeur lo est de 10 mm. ₀ -ii

D’une manière générale, le rapport - est supérieur à 0,5 avec une tolérance de ±0.1 h suivant la pâte utilisée.

Selon un mode de réalisation particulier, pour un produit Lo* lo variant de 5*2 à 40*2, la longueur (Lo-li) est supérieure ou égale à 1 mm, c'est-à-dire que chaque paroi latérale 114 électriquement non conductrice présente une largeur de 0,5 mm.

Selon un autre mode de réalisation particulier, pour un produit Lo* lo variant de 5*10 à 40*10, la longueur (Lo-li) est supérieure ou égale à 5 mm, c'est-à-dire que chaque paroi latérale 114 électriquement non conductrice présente une largeur de 2,5 mm.

D’une manière générale, la longueur Lo est supérieure ou égale à la largeur lo.

Ces valeurs peuvent varier selon la pâte utilisée, de la température de solidification de la pâte, la largeur lo de la cavité 102, etc.

Les deux parois centrales 112 sont électriquement reliées à un générateur électrique qui génère un courant alternatif et permet de générer une différence de potentiel électrique entre elles. La connexion électrique s’effectue par un câble électrique approprié.

Selon un mode de réalisation particulier, la différence de potentiel électrique est comprise entre 175 V et 180 V et la fréquence est comprise entre 50 et 60 Hz, en particulier dans le cas de parois centrales 112 en titane ou titane platinisé. Bien sûr des valeurs différentes sont possibles en fonction du débit de la pâte dans la cavité 102 et des dimensions de la tête d’impression 100, de la température souhaitée, comme dans l’exemple décrit ci-dessous où la différence de potentiel est de 65 V, et des fréquences plus élevées de l’ordre de 20 kHz peuvent également être utilisées, en particulier dans le cas de parois centrales 112 en acier inoxydable.

Lorsque la pâte traverse la cavité 102, elle est soumise à la différence de potentiel entre les deux parois centrales 112 et sous l’effet de cette différence de potentiel, la pâte est traversée par un courant électrique et chauffe par effet Joule. Ce chauffage est également appelé « chauffage ohmique » et il peut être ainsi mis en œuvre sans qu’il soit nécessaire de mettre en place des moyens de chauffage dans la tête d’impression 100.

Le fait que la largeur li des parois centrales 112 est toujours inférieure à la longueur Lo de la cavité 102, la pâte est moins chauffée et en particulier, elle n’est pas chauffée au niveau des petites parois 110 et des parois latérales 114 qui sont électriquement non conductrices, ce qui évite à la pâte en contact avec ces parois de se solidifier. Le long de ces parois, la pâte reste souple et non cuite évitant les risques d’obturation par solidification. Seule la portion de la pâte qui est entre les parois centrales 112 chauffe et la chaleur est ainsi diffusée lentement à travers le reste de la pâte qui n’a pas le temps de se solidifier avant de sortir de la cavité 102.

La Fig. 4 montre une vue en coupe de la tête d’impression 100 et la Fig. 5 montre des courbes de températures en fonction de la distance selon la direction Y à l’une des petites parois 110 pour différentes largeurs (X) des parois latérales 114.

Les courbes de la Fig. 5 sont issues d’une simulation numérique pour un débit de pâte de l,55.10 ³ kg/s, une différence de potentiel électrique de 65V, une longueur Lo de la cavité 102 de 4 cm, et une largeur lo de la cavité 102 de 1 cm.

La courbe 502 est représentative de l’état de la technique sans paroi latérale 114, c'est-à- dire d’une largeur des parois latérales 114 égale à X=0. La température le long des petites parois 110 (à 0 mm) est élevée (~ 50°C) ce qui peut conduire à une solidification de la pâte le long de ces parois et donc une possibilité de bouchage de la cavité 102.

La courbe 504 est représentative de l’invention pour une largeur des parois latérales 114 égale à X=0,75 cm. La courbe 506 est représentative de l’invention pour une largeur des parois latérales 114 égale à X=l,25 cm.

Pour les courbes 504 et 506, la température le long des petites parois 110 (à 0 mm) est plus faible (~ 27°C/24°C) ce qui permet, en restant sous la température de solidification de la pâte, d’éviter une solidification de la pâte le long des parois 108 et 110 et de conserver une pâte souple, tout en garantissant une cuisson à cœur lorsque l’on s’éloigne des parois 108 et 110 avec une température autour de 40 °C.

Comme le montre la Fig. 5, le profil de température est inversé entre l’état de la technique et l’invention, permettant ainsi le maintien d’une couche de pâte fluide sur la périphérie tout en permettant d’atteindre une température de solidification au cœur de la pâte. Cette phase fluide facilite en outre l’adhésion des couches imprimées successives en sortie de la tête d’impression 100, lorsqu’une couche imprimée est déposée sur une autre couche imprimée antérieurement. La chaleur qui est au cœur de la pâte tend à se diffuser vers la périphérie en entraînant une solidification au moins partielle de la zone de jonction entre deux couches successives assurant ainsi une meilleure cohésion de l’ensemble.

Pour contrôler au mieux la répartition de la chaleur dans la cavité 102 et, en cas de besoin, pour maintenir la température proche des parois 108 et 110, inférieure à la température de solidification, la tête d’impression 100 comporte en outre un système de refroidissement 120 qui assure le refroidissement de la tête d’impression 100. Le système de refroidissement 120 est arrangé à l’arrière des grandes parois 108 par rapport à la cavité 102. Dans le mode de réalisation de l’invention présenté ici, le système de refroidissement 120 prend la forme d’une pluralité de tubes 122 dans lesquels circule un fluide caloporteur et ces tubes 122 sont répartis à l’arrière des grandes parois 108 par rapport à la cavité 102. Les tubes 122 sont fluidiquement connectés à un réservoir externe et à un échangeur de chaleur externe. Le fluide caloporteur est mis en circulation depuis le réservoir par une pompe et il circule dans la tête d’impression 100 pour se charger en calories puis rejoint l’échangeur de chaleur externe où les calories sont évacuées vers une source froide avant de retourner vers le réservoir.

Selon un autre mode de réalisation, le système de refroidissement 120 pourrait fonctionner par effet Peltier.

La Fig. 3 montre une vue éclatée de la tête d’impression 100 selon un mode de réalisation particulier.

La tête d’impression 100 comporte une plaque supérieure 302 présentant une fente 304 qui est rectangulaire et matérialise l’entrée 104.

Chaque petite paroi 110 et les deux parois latérales 114 qui sont voisines forment un seul et même élément prenant la forme d’un profilé en U 306 où le fond du U constitue la petite paroi 110 et où chaque branche du U constitue une paroi latérale 114. Les deux profilés en U 306 sont orientés de manière à présenter leurs ouvertures l’une en face de l’autre.

Chaque paroi centrale 112 est positionnée entre et dans le prolongement de deux parois latérales 114 de deux profilés en U 306 différents et délimite la cavité 102.

Pour chaque paroi centrale 112, la tête d’impression 100 comporte une plaque métallique 310 qui est solidaire de la paroi centrale 112 et qui est à l’arrière de la paroi centrale 112 par rapport à la cavité 102. La plaque métallique 310 présente une largeur supérieure à la largeur li de la paroi centrale 112 et s’étend de part et d’autre de la paroi centrale 112 dans le sens de la largeur de la paroi centrale 112. La plaque métallique 310 se positionne à l’arrière des parois latérales 114 encadrant la paroi centrale 112 associée.

La paroi centrale 112 et la plaque métallique 310 forment ainsi une marche de part et d’autre de la paroi centrale 112 contre chacune desquelles une paroi latérale 114 vient en butée en s’appuyant également contre la plaque métallique 310 pour assurer un bon positionnement.

En outre, l’épaisseur de la paroi centrale 112 est égale à l’épaisseur des parois latérales 114 pour assurer une surface plane dans la cavité 102.

La paroi centrale 112 et la plaque métallique 310 peuvent constituer un seul et même composant ou être deux composants fixés l’un à l’autre. Le système de refroidissement 120 prend ici la forme de deux échangeurs thermiques 312 dans lesquels circulent les tubes 122 où chaque échangeur thermique 312 est accolé à l’arrière d’une des plaques métalliques 310.

En cas de besoin, pour éviter un court-circuit électrique entre une plaque métallique 310 et l’échangeur thermique 312 associé, une plaque de protection 314 constituée d’un matériau électriquement isolant est disposée entre la plaque métallique 310 et l’échangeur thermique 312.

Pour maintenir les différents éléments ensemble, la tête d’impression 100 comporte également un coffre 316 constitué de quatre plaques latérales 316a-d qui sont fixées les unes avec les autres autour des autres éléments. La fixation est assurée par tous moyens appropriés comme par exemple des vis.

La plaque supérieure 302 vient au-dessus du coffre 316.

Au-dessus de la plaque supérieure 302, la tête d’impression 100 comporte un raccord 318 sous forme d’un entonnoir descendant vers la fente 304 et autour duquel se fixe un conduit qui apporte la pâte.

En aval de la sortie 106, la tête d’impression 100 comporte deux blocs 320 disposés de part et d’autre de la sortie 106. Chaque bloc 320 présente un plan incliné 322 qui prolonge la grande paroi 108 et s’écarte vers l’extérieur en progressant dans le sens de la direction d’évacuation F, c'est-à-dire du haut vers le bas. La présence des plans inclinés 322 empêche l’apparition d’un point chaud juste après les parois centrales 112 et autorise une expansion de la pâte si besoin du fait de la surpression interne de la pâte conduisant en un possible phénomène de type « die Swell ».