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TETE D'IMPRESSION ET PROCÉDÉS DE FABRICATION ADDITIVE
DOMAINE
[0001] La présente divulgation concerne généralement la fabrication additive.
Plus
particulièrement, elle concerne des appareils de fabrication additive, plus
particulièrement une tête d'impression pour fabrication additive, un
dispositif d'émission
de radiation et des procédés de fabrication additive.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
[0002] Le dépôt de filament fondu ou fused deposition modeling (FDM),
parfois
également appelé fabrication par filament fondu ou fused fabrication
filament)) (FFF),
est la technologie d'impression par fabrication additive la plus utilisée.
D'autres procédés
d'impression par fabrication additive qui s'inspirent de cette technologie
sont en cours de
développement, par exemple le dépôt de gouttelettes fondues à partir de
granules telle
qu'exemplifiée par le procédé APF par la compagnie Arburgl, ou l'extrusion de
filament
fondu à partir de granules telle qu'exemplifiée par le système Pulsar de la
compagnie
Dyze Design.
[0003] La tête d'impression d'une imprimante FDM ou FFF doit être amovible.
Elle est
alimentée d'un filament de polymère rigide qui y est avancé mécaniquement et
est
constituée de deux sections, soit la zone froide et la zone chaude. Une
barrière thermique
est utilisée entre les deux zones pour minimiser le transfert de chaleur
indésirable de la
partie la plus chaude vers la partie froide. Dans des technologies de
fabrication additive
qui utilisent des granules, celles-ci peuvent être avancées mécaniquement, par
exemple
par une vis d'alimentation, un piston ou un mécanisme similaire.
[0004] Le filament rigide est utilisé comme un poussoir pour exercer une
pression sur
le polymère en fusion située au niveau de la zone chaude. Cette force de
poussée permet
de générer l'écoulement à travers l'orifice de la buse chaude. Si la force de
poussée n'est
pas suffisamment importante, l'écoulement sera trop faible ou simplement
stagnant.
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[0005] Pour sa part, la zone chaude permet la fusion rapide du filament de
polymère
afin qu'il puisse passer de l'état solide à l'état liquide et ensuite
atteindre une viscosité
suffisamment faible pour s'écouler facilement à travers l'orifice de la buse
chaude. Un
faible transfert d'énergie en provenance du bloc chauffant vers le polymère ne
permettra
pas au polymère d'atteindre la viscosité idéale recherchée pour l'extruder.
[0006] Le polymère fondu est extrudé à travers la buse chaude et forme une
couche de
l'objet à imprimer.
[0007] Fig. 12 montre un processus d'impression par fabrication additive FDM
ou FFF
selon l'art antérieur. Vendu sous forme de bobine (1), le filament de polymère
thermoplastique (2) est poussé par un extrudeur composé d'un système
d'engrenages
(3) à travers un bloc chauffant (5), où il est fondu, et une buse chaude (6),
où il est extrudé
sous forme d'un petit filament. Le diamètre du filament extrudé à la sortie de
la buse est
nettement inférieur (généralement moins d'un millimètre) au diamètre du
filament utilisé
au niveau de la bobine. L'imprimante déplace continuellement une tête
d'impression,
déposant le matériel fondu à des endroits précis sur un plateau d'impression
(8) en
suivant un trajet prédéterminé par le logiciel de découpe (slicer). Lorsque le
polymère
thermoplastique utilisé refroidit, il se solidifie, construisant la pièce
couche par couche.
[0008] Fig. 2 montre des buses de type VolcanoTM en laiton, en acier trempé et
en acier
inoxydable, fournies par l'entreprise E3D. D'autres matériels thermiquement
conductifs
peuvent être utilisés pour une buse d'impression et ressortiront aux personnes
qui
pratiquent la divulgation présente.
[0009] Fig. 3 montre une tête d'impression 30 pour fabrication additive,
modèle E3D V6.
La tête d'impression 30 comprend un tube de Bowden 33, requis lorsque
l'entraînement
n'est pas direct entre l'extrudeur et la tête d'impression. C'est un tube
constitué d'un
polymère thermoplastique, en Teflon qui guide le filament entre l'extrudeur et
la tête
d'extrusion. Le PTFE est utilisé étant donné qu'il possède l'un des plus
faibles
coefficients de frottement disponible sur le marché au niveau des matériaux
solides (il est
autolubrifiant). Elle comprend aussi un coupleur rapide 32 - un mécanisme de
verrouillage
standard à ajustement serré qui permet le maintien du tube de Bowden 33 en
PTFE en
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place. Il est important de s'assurer qu'il serre parfaitement le tube afin
qu'il ne soit pas
possible de le déplacer lorsqu'il est poussé ou tiré. Elle peut comprendre
aussi un
radiateur 34, une zone à ailettes métalliques, dont le but est d'extraire la
chaleur le plus
rapidement possible en provenance de la barrière thermique 37 ou du filament.
Ce
système de refroidissement est parfois relié à un ventilateur 35 qui accentue
la vitesse
d'évacuation de la chaleur par convection forcée en soufflant de l'air à
travers les ailettes.
[0010] La barrière thermique 37, aussi nommé heat break ou heat throat
, prend
la forme d'un tube métallique fileté qui relie la zone froide 31 à la zone
chaude 36. Sa
géométrie amincie permet de réduire le transfert de chaleur par conduction en
provenance de la zone chaude 36. Parfois, la barrière thermique permet le
passage du
tube en Teflon jusqu'à la buse.
[0011] La zone chaude 36 à l'autre extrémité de la barrière thermique 37
comprend le
bloc chauffant 38, la cartouche chauffante (non reproduite), la thermistance
(non
reproduite) ainsi que la buse chaude 39. Le bloc chauffant 38 est généralement
constitué
d'aluminium ou de cuivre qui accumule et transfère la chaleur générée par
l'élément
chauffant vers le filament afin d'enclencher sa fusion. Le diamètre de
l'orifice à l'entrée
du bloc chauffant doit correspondre au diamètre du filament utilisé (1.75 ou
2.85 mm). La
buse chaude 39 est un insert cylindrique fileté possédant un orifice au centre
permettant
l'écoulement du polymère fondu. La buse est vissée directement à l'intérieur
du bloc
chauffant jusqu'à ce que son extrémité supérieure entre en contact avec la
barrière
thermique. La buse est souvent constituée de laiton, mais peut aussi être en
acier trempé
ou en acier inoxydable. Elle possède un premier orifice à son entrée
permettant
d'accueillir soit des filaments dont le diamètre est de 1.75 mm ou soit 2.85
mm. Le choix
du diamètre à la sortie de la buse est très important, car il dicte plusieurs
paramètres
importants tels que l'épaisseur de la couche imprimée, la durée de
l'impression, la qualité
du fini de surface et la précision dimensionnelle de la pièce imprimée. Son
diamètre à la
sortie varie généralement de 0.2 mm à 1.2 mm pour les imprimantes à filament
et jusqu'à
mm les imprimantes à granules. Les objets imprimés avec une buse de plus grand
diamètre ont tendance à offrir de meilleures propriétés mécaniques (propriétés
en
traction, résistance aux chocs, etc.). Selon des tests réalisés par Prusa, les
objets
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imprimés avec une buse de 0.6 mm ont absorbé jusqu'à 25% plus d'énergie à
l'impact
que ceux imprimés avec une buse de 0.4 mm.
[0012] Fig. 4 montre les composantes d'une zone chaude d'une imprimante pour
fabrication additive telles que connues dans l'art antérieur. Le bloc
chauffant 41 reçoit la
barrière thermique 42 à une extrémité et la buse 43 à l'autre extrémité. Le
corps de la
buse 43 s'étend généralement sur une partie de la longueur du bloc chauffant
41 et entre
en contact avec la barrière thermique 42. Cela évite que le filament de
matériel
d'impression entre directement en contact avec le corps du bloc chauffant 41,
ce qui
nécessiterait une manutention accrue et un nettoyage fréquent du bloc
chauffant 41 lui-
même. Le bloc chauffant 41 reçoit aussi une cartouche chauffante 44 et une
thermistance
45.
[0013] Des structures de support sont requises lorsque la géométrie imprimée
est en
surplomb. Les structures de support peuvent être constituées du même matériel
que la
pièce imprimée et doivent alors être détachées manuellement lorsque
l'impression est
terminée. Il est aussi possible d'imprimer, à l'aide d'une seconde tête
d'impression, un
second matériel, possiblement soluble, afin de constituer la structure de
support.
[0014] Le procédé FDM regroupe une catégorie d'imprimantes dont la chambre
d'impression est fermée, chauffée et l'environnement y est contrôlé avec
précision afin
de répondre aux applications de pièces nécessitant des prototypes de haute
qualité
technique capables de résister à des efforts mécaniques importants.
[0015] Les pièces imprimées par la technologie FDM sont capables d'atteindre
une
précision relativement élevée de l'ordre de 0,127 mm ( 0,005 po) dans
certains cas
particuliers.
[0016] D'autre part, le procédé de fabrication par filaments fondus (FFF)
répond
généralement aux applications de prototypes permettant de valider la forme,
l'ergonomie
ou l'aspect visuel. Une imprimante de type FFF possède une chambre
d'impression
ouverte, dont l'environnement n'est pas contrôlé et, par conséquent, le
filament passe de
la tête d'extrusion chaude à travers un environnement ambiant froid ou chauffé
de
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manière inégale avant d'être déposé sur un plateau d'impression chaud. Par
contre, les
pièces imprimées ne sont généralement pas en mesure de respecter des
tolérances très
serrées et peuvent rarement résister à des efforts mécaniques importants.
[0017] L'adhésion entre les différentes couches empilées lors de l'impression
constitue
un défi de taille pour les procédés FDM ou FFF. Une mauvaise adhésion inter-
couches
augmente l'anisotropie des propriétés mécaniques selon la direction
d'empilement des
couches (axe Z). Malheureusement, les procédés FDM et FFF présentent des taux
d'anisotropie nettement supérieurs aux autres procédés de fabrication
additive, comme
décrit dans la Table 1, ce qui limite considérablement leur utilisation pour
fabriquer des
pièces fonctionnelles nécessitant une bonne résistance mécanique. Avec le
procédé
FDM, l'utilisation d'une chambre chauffée à environnement contrôlé permet de
réduire
les anisotropies comparativement au procédé FFF.
Procédés d'impression 3D Anisotropie mécanique. (%)
Dépôt de filaments fondus (FDM) --t. 50 %
Frittage sélectif par laser (SLS) --t. 10 %
La projection de matière (Polyjet) --t. 2 %
Photopolymérisation en cuve (SLA) .--: 1 A
Table 1: anisotropies mécaniques selon le procédé de fabrication additive
utilisé. 3
[0018] Les procédés FFF et FDM sont peu coûteux, simples et rapides
d'utilisation. Le
procédé FDM est fréquemment la technologie la plus économique permettant de
produire
des pièces en polymères thermoplastiques et des prototypes personnalisés par
fabrication additive. Ce procédé est très accessible, plusieurs gammes
d'imprimantes
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étant disponibles sur le marché. Les délais de livraison de pièces imprimées
par FFF ou
FDM sont courts (aussi rapides que la livraison le lendemain), en raison de la
vaste
disponibilité de cette technologie.
[0019] Une large gamme de matériaux thermoplastiques sont disponibles,
convenant à
la fois au prototypage et à certaines applications fonctionnelles
commerciales.
Additionnellement, les procédés FDM et FFF permettent de créer des pièces
possédant
une structure interne à géométrie complexe et partiellement évidée.
[0020] Nonobstant les avantages ci-dessus mentionnés, les procédés FFF et FDM
présentent plusieurs défis qui les rendent moins attrayants pour la
fabrication additive de
produits qui nécessitent de la précision et d'une solidité structurale.
[0021] Afin d'obtenir une impression de qualité, une pression suffisante doit
être
appliquée sur le filament fondu à partir de la buse lors de son dépôt afin
qu'il puisse
augmenter sa surface de contact avec la surface imprimée précédemment. Par
contre,
cette technique provoque une ovalisation du filament lors de son dépôt. Fig.
5A montre
schématiquement un processus de déposition d'un filament fondu 52 sans
l'application
d'une pression significative sur le filament fondu 52 par une buse 51. Fig. 5B
montre
schématiquement le même processus en appliquant une pression sur le filament
52 par
une buse 51. Le filament 52 est ovalisé en conséquence.
[0022] Malgré l'ovalisation du filament causée par la pression exercée par la
buse lors de
son dépôt, des petites porosités persisteront entre les couches. Celles-ci
peuvent générer
des concentrations de contraintes qui expliquent en partie les fortes
anisotropies
observées au niveau des propriétés mécaniques des pièces imprimées par FDM ou
FFF.
[0023] Dans les procédés de fabrication additive courants, le filament chaud
doit
transférer une partie de sa chaleur à la surface imprimée précédemment afin de
provoquer une refonte partielle et ponctuelle. Cette étape permet d'obtenir
une diffusion
moléculaire qui consiste à la création d'un enchevêtrement des chaines
moléculaires
entre le filament et la surface déjà imprimée. Dans les travaux publiés par
Sun et al.4 une
augmentation de la température du filament augmente la zone de contact entre
les
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différentes couches de filaments, permettant parfois une diffusion moléculaire
accrue.
Cela peut entrainer une certaine réduction du taux d'anisotropie ou du taux de
porosité.
Toutefois, cela nécessite un chauffage excessif du filament, entrainant une
détérioration
du fini de surface, un risque accru de déformation du produit imprimé et une
dégradation
potentielle du matériel d'impression. Fig. 6 montre un mécanisme exemplaire de
diffusion
macromoléculaire d'un polymère entre deux couches déposées lors d'un procédé
de
fabrication additive. Dans l'hypothèse que les températures des filaments sont
basses,
une zone de contact très faible existe entre les filaments, résultant en un
taux de porosité
élevé et un taux d'anisotropies très élevé. Une augmentation des températures
permet
au matériel de maintenir un degré faible de fluidité après son dépôt, la zone
de contact
entre les filaments se trouvant augmentée, toutefois aucune diffusion
moléculaire ne se
produit. Ainsi, le taux de porosité s'affaiblit, mais le taux d'anisotropie
demeure élevé.
Une optimisation des températures des couches permet d'optimiser la zone de
contact
entre les couches, par exemple entre deux filaments, et permet une diffusion
moléculaire
à l'interface entre les deux filaments. Des taux de porosité et des taux
d'anisotropie faibles
peuvent ainsi être obtenus.
[0024] Le mécanisme d'adhésion entre les couches rend les pièces imprimées par
FDM
ou FFF intrinsèquement anisotropes. L'orientation de la pièce lors de son
impression
influence ensuite ses propriétés mécaniques dans chacune des directions. La
juxtaposition des filaments de section circulaire génère des porosités ou
gaps
triangulaires qui affectent considérablement les propriétés physiques,
mécaniques ainsi
que l'étanchéité des pièces imprimées. Fig. 7 montre des mécanismes5,6 de
formation de
gaps triangulaires connus dans l'art. Par exemple, la déposition de filaments
circulaires
ou ovalisés 71 laisse des porosités triangulaires 72.
[0025] Le gauchissement est un problème majeur associé aux procédés FDM et
FFF.
Lorsque le matériel extrudé par la tête d'impression se refroidit et se
solidifie, son volume
diminue considérablement. Comme les différentes sections de la pièce imprimée
ne se
refroidissent pas toutes en même temps, le volume occupé par le plastique
évolue
différemment d'une couche à l'autre. Le refroidissement différentiel provoque
alors
l'accumulation de contraintes internes qui tirent la couche sous-jacente vers
le haut, la
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déformant. Fig. 8 montre un processus exemplaire de gauchissement d'un produit
fabriqué par fabrication additive. La nouvelle couche déposée refroidit,
causant un retrait
volumique. Celle-ci s'agrippe à la couche précédente et tire la pièce imprimée
vers le
haut. Cela entraine un risque de délamination entre la pièce imprimée et le
plateau ou
entre les différentes couches. Plus l'écart de température entre la couche
supérieure et
la couche de déposition est important, plus l'importance du retrait, des
contraintes
internes, des risques de délamination et du gauchissement augmenteront.
[0026] Les procédés d'impression FDM et FFF présentent une faible précision
dimensionnelle comparativement aux procédés traditionnels comme le moulage par
injection. Cela s'explique principalement par la limite inférieure permise au
niveau du
diamètre du filament fondu déposé et par des phénomènes de gauchissement et de
distorsion lors de l'impression. La tolérance dimensionnelle peut atteindre
0.5 % de la
dimension critique pour le procédé FDM avec une limite inférieure de 0.5 mm,
ce qui
s'avère aussi être une précision dimensionnelle inférieure comparativement aux
autres
procédés de fabrication additive tels que le frittage sélectif par laser, la
photopolymérisation en cuve, et la projection de matière.
[0027] Les pièces imprimées par FDM sont susceptibles de présenter des lignes
de
soudure visibles à la surface, un post-traitement est donc nécessaire pour
obtenir un fini
de surface plus lisse, entrainant des dépenses et des manipulations
supplémentaires.
[0028] Pour le procédé FFF, la précision dimensionnelle et la résolution sont
plus faibles
comparativement au procédé FDM et aux autres technologies de fabrication
additive, il
ne convient donc pas aux pièces possédant des géométries fines ou des petits
détails
complexes.
[0029] Il existe donc un besoin d'améliorer les processus de fabrication
additive FFF et
FDM afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques et la qualité des
produits imprimés
à l'aide de ces procédés.
SOMMAIRE DE LA DIVULGATION
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[0030] Il a été trouvé que les dispositifs et les procédés de la présente
divulgation
améliorent les caractéristiques des produits fabriqués par fabrication
additive ou par
extrusion. Plus particulièrement, une ou plusieurs caractéristiques d'un
produit fabriqué
par fabrication additive peuvent être modulées, y inclus le taux de porosité,
le
gauchissement, l'isotropie, la contrainte maximale, la contrainte interne, la
résistance à
l'impact, la résistance en flexion, la déformation à la rupture et le module
de rigidité.
[0031] La présente divulgation décrit des dispositifs pour la fabrication
additive
comprenant un moyen d'émission d'une radiation thermique, particulièrement une
plaque
radiante. Des procédés de fabrication additive et d'extrusion de matériaux
utilisant une
radiation sont aussi décrits.
[0032] La présente divulgation concerne une tête d'impression pour fabrication
additive,
comprenant un dispositif d'émission de radiation et une buse d'impression
configurée
pour délivrer un matériel d'impression. Le dispositif d'émission de radiation
comprend une
plaque radiante, comprenant une surface proximale et une surface distale, et
au moins
un élément chauffant. Le dispositif d'émission de radiation est configuré pour
recevoir la
buse d'impression de façon à ce que la buse soit à proximité de la plaque
radiante.
[0033] La présente divulgation concerne en outre un procédé de fabrication
additive
utilisant une tête d'impression comprenant une buse configurée pour délivrer
un matériel
d'impression et un dispositif d'émission de radiation comprenant une plaque
radiante et
au moins un premier élément chauffant. Le procédé comprend les étapes
suivantes :
chauffer le matériel d'impression circulant dans la buse, extruder une
première quantité
du matériel d'impression chauffé vers une surface de déposition à travers la
buse,
formant une couche de déposition, chauffer au moins une partie de la couche de
déposition par une radiation émanant de la plaque radiante, extruder au moins
une
deuxième quantité du matériel d'impression chauffé à travers la buse sur la
partie de la
couche de déposition ainsi chauffée.
[0034] La présente divulgation concerne en outre un dispositif d'émission de
radiation
pour un appareil de fabrication additive, comprenant une plaque radiante,
configurée pour
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être installée à proximité de l'appareil, comprenant une surface proximale et
une surface
distale, et au moins un élément chauffant configuré pour chauffer la plaque
radiante.
[0035] La présente divulgation concerne en outre un procédé d'extrusion d'un
matériel,
comprenant les étapes suivantes : chauffer le matériel, chauffer par radiation
au moins
une partie d'une surface de déposition, extruder le matériel chauffé vers la
surface de
déposition.
[0036] La présente divulgation concerne en outre un procédé de fabrication
additive,
comprenant les étapes suivantes : chauffer un matériel, extruder une première
quantité
du matériel chauffé vers une surface de déposition, formant une couche de
déposition,
chauffer au moins une partie de la couche de déposition par une radiation,
extruder au
moins une deuxième quantité du matériel chauffé sur la partie de la couche de
déposition
ainsi chauffée.
[0037] La présente divulgation concerne en outre l'utilisation d'une plaque
radiante
disposée à proximité d'une buse d'impression dans un procédé de fabrication
additive.
Cette utilisation permet de moduler une ou plusieurs caractéristiques d'un
produit
fabriqué par fabrication additive. Ces caractéristiques incluent le taux de
porosité, le
gauchissement, l'isotropie, la contrainte maximale, la contrainte interne, la
résistance à
l'impact, la résistance en flexion, la déformation à la rupture, le module de
rigidité et
l'étanchéité.
[0038] La présente divulgation concerne en outre l'utilisation d'une plaque
radiante
intégrée à une tête d'impression dans un procédé de fabrication par
fabrication additive.
Cette utilisation permet de moduler une ou plusieurs caractéristiques d'un
produit
fabriqué par fabrication additive. Ces caractéristiques incluent le taux de
porosité, le
gauchissement, l'isotropie, la contrainte maximale, la contrainte interne, la
résistance à
l'impact, la résistance en flexion, la déformation à la rupture, le module de
rigidité et
l'étanchéité.
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[0039] Selon certains modes de réalisation, la buse comprend une extrémité
d'extrusion
et est reçue par le dispositif d'émission de radiation de façon à ce que
l'extrémité
d'extrusion s'étende au-delà de la surface distale de la plaque radiante.
[0040] Selon certains modes de réalisation, l'extrémité d'extrusion s'étend
d'environ 0.1
à environ 500 millimètres au-delà de la surface distale de la plaque radiante.
Selon
d'autres modes de réalisation, l'extrémité d'extrusion s'étend d'environ 0.1 à
environ 200
millimètres au-delà de la surface distale de la plaque radiante. Selon
d'autres modes de
réalisation, l'extrémité d'extrusion s'étend d'environ 0.5 à environ 50
millimètres au-delà
de la surface distale de la plaque radiante. Selon d'autres modes de
réalisation,
l'extrémité d'extrusion s'étend d'environ 1 à environ 5 millimètres au-delà de
la surface
distale de la plaque radiante.
[0041] Selon certains modes de réalisation, le au moins un premier élément
chauffant est
configuré pour transmettre une énergie thermique par conduction à la surface
proximale
de la plaque radiante.
[0042] Selon certains modes de réalisation, la plaque radiante est configurée
pour
transmettre l'énergie thermique du au moins un premier élément chauffant par
radiation
via la surface distale au matériel d'impression délivré sur une surface de
déposition située
à proximité sous la surface distale.
[0043] Selon certains modes de réalisation, la tête d'impression est
configurée pour être
mobile par rapport à une surface de déposition.
[0044] Selon certains modes de réalisation, la tête d'impression comprend en
outre un
bloc chauffant, comprenant au moins un deuxième élément chauffant et configuré
pour
recevoir une extrémité supérieure de la buse. Le bloc chauffant est configuré
pour
chauffer le matériel d'impression circulant dans la buse d'impression.
[0045] Selon certains modes de réalisation, la tête d'impression comprend en
outre un
boitier de fixation configuré pour relier la surface proximale de la plaque
radiante et le
bloc chauffant.
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[0046] Selon certains modes de réalisation, le dispositif d'émission de
radiation comprend
en outre au moins un premier thermocouple en contact direct avec le au moins
un premier
élément chauffant. Selon d'autres modes de réalisation, le au moins un premier
thermocouple est en contact direct avec la plaque radiante.
[0047] Selon certains modes de réalisation, la tête d'impression comprend en
outre un
premier contrôleur de température, le au moins un premier élément chauffant
étant
fonctionnellement connecté au premier contrôleur de température. Selon
certains modes
de réalisation, la tête d'impression comprend en outre un deuxième contrôleur
de
température fonctionnellement connecté à au moins un deuxième élément
chauffant.
Selon certains modes de réalisation, la tête d'impression comprend un
contrôleur de
température fonctionnellement connecté aux au moins un premier élément
chauffant et
au moins un deuxième élément chauffant.
[0048] Selon certains modes de réalisation, le bloc chauffant comprend le au
moins un
premier élément chauffant et le au moins un deuxième élément chauffant. Selon
certains
modes de réalisation, le au moins un premier élément chauffant et le au moins
un
deuxième élément chauffant forment un seul élément chauffant et la plaque
radiante est
configurée pour transmettre l'énergie thermique du seul élément chauffant par
radiation
via la surface distale au matériel d'impression délivré sur une surface de
déposition située
à proximité sous la surface distale.
[0049] Selon certains modes de réalisation, le boitier de fixation définit une
zone
d'isolation entre le boitier et le au moins un premier élément chauffant.
Selon certains
modes de réalisation, le boitier de fixation définit une zone d'isolation
entre le boitier et le
bloc chauffant. Selon certains modes de réalisation, la zone d'isolation
comprend un
espace d'environ 0 à environ 100 millimètres Selon certains modes de
réalisation, la zone
d'isolation comprend un espace d'environ 0.1 à environ 50 millimètres. Selon
certains
modes de réalisation, la zone d'isolation comprend un espace d'environ 1 à
environ 10
millimètres. Selon certains modes de réalisation, la zone d'isolation comprend
au moins
l'un quelconque de : une surface réfléchissante, une matière isolante ou un
espace d'air.
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[0050] Selon certains modes de réalisation, la plaque radiante est de forme
annulaire.
Selon certains modes de réalisation, le au moins un premier élément chauffant
est de
forme annulaire.
[0051] Selon certains modes de réalisation, la tête d'impression est
configurée pour
recevoir le matériel d'impression sous forme de filament. Selon certains modes
de
réalisation, la tête d'impression est configurée pour recevoir le matériel
d'impression sous
forme de granules.
[0052] Selon certains modes de réalisation, le matériel avant le chauffage est
un filament.
Selon certains modes de réalisation, le matériel avant le chauffage est en
forme de
granules.
[0053] Selon certains modes de réalisation, le matériel est chauffé par au
moins une des
méthodes choisies parmi le groupe consistant de: conduction, convection.
[0054] Selon certains modes de réalisation, le matériel est chauffé à une
température
supérieure à sa température de transition vitreuse. Selon certains modes de
réalisation,
le matériel est chauffé à une température supérieure à sa température de
fusion.
[0055] Selon certains modes de réalisation, le matériel comprend un polymère
amorphe,
le polymère amorphe ayant une température de transition vitreuse (Tg), et la
au moins
une partie de la couche de déposition est chauffée par la radiation à une
température
d'environ 20 C au-dessous à environ 200 C au-dessus de la Tg, ou d'environ
10 C au-
dessous à environ 100 C au-dessus de la Tg, ou d'environ 5 C au-dessous à
environ
50 oc au-dessus de la Tg.
[0056] Selon certains modes de réalisation, le matériel comprend un copolymère
à blocs,
chaque bloc ayant au moins une température de transition vitreuse (Tg) et
optionnellement au moins une température de fusion (Tf), et la au moins une
partie de la
couche de déposition est chauffée par la radiation à une température d'environ
20 C au-
dessous de la moindre Tg parmi les Tg des blocs à environ 200 oC au-dessus de
la plus
haute Tg, optionnellement à environ 100 C au-dessus de la plus haute Tf,
parmi les Tg
et optionnellement les Tf des blocs. Selon certains modes de réalisation, la
au moins une
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partie de la couche de déposition est chauffée par la radiation à une
température
d'environ 10 C au-dessous de la moindre Tg parmi les Tg des blocs à environ
100 C au-
dessus de la plus haute Tg, optionnellement à environ 100 C au-dessus de la
plus haute
Tf, parmi les Tg et optionnellement les Tf des blocs. Selon certains modes de
réalisation,
la au moins une partie de la couche de déposition est chauffée par la
radiation à une
température d'environ 5 C au-dessous de la moindre Tg parmi les Tg des blocs
à environ
50 C au-dessus de la plus haute Tg, optionnellement à environ 50 C au-dessus
de la
plus haute Tf, parmi les Tg et optionnellement les Tf des blocs.
[0057] Selon certains modes de réalisation, le matériel comprend un polymère
semi-
cristallin, le polymère semi-cristallin ayant une température de transition
vitreuse (Tg) et
une température de fusion (Tf), et la au moins une partie de la couche de
déposition est
chauffée par la radiation à une température d'environ 20 C au-dessous de la
Tg à environ
100 oc au-dessus de la Tf, ou d'environ 10 C au-dessous de la Tg à environ
100 C au-
dessus de la Tf, ou d'environ 5 C au-dessous de la Tg à environ 50 C au-
dessus de la
Tf.
[0058] Selon certains modes de réalisation, le matériel comprend un mélange
comprenant au moins deux composantes choisies parmi le groupe consistant de:
un
polymère amorphe, un polymère semi-cristallin et un copolymère à blocs, chaque
composante ayant au moins une température de transition vitreuse (Tg),
optionnellement
au moins une température de fusion (Tf), et la au moins une partie de la
couche de
déposition est chauffée par la radiation à une température d'environ 20 C au-
dessous
de la moindre Tg parmi les Tg des composantes du mélange à environ 200 C au-
dessus
de la plus haute Tg, optionnellement à environ 100 C de la plus haute Tf,
parmi les Tg et
optionnellement les Tf des composantes du mélange. Selon certains modes de
réalisation, la au moins une partie de la couche de déposition est chauffée
par la radiation
à une température d'environ 10 C au-dessous de la moindre Tg parmi les Tg des
composantes du mélange à environ 100 C au-dessus de la plus haute Tg,
optionnellement à environ 100 C de la plus haute Tf, parmi les Tg et
optionnellement les
Tf des composantes du mélange. Selon certains modes de réalisation, la au
moins une
partie de la couche de déposition est chauffée par la radiation à une
température
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
15
d'environ 5 C au-dessous de la moindre Tg parmi les Tg des composantes du
mélange
à environ 50 C au-dessus de la plus haute Tg, optionnellement à environ 5 0 C
de la
plus haute Tf, parmi les Tg et optionnellement les Tf des composantes du
mélange.
[0059] Selon certains modes de réalisation, la tête d'impression est mobile
par rapport à
la couche de déposition, et une température du au moins un premier élément
chauffant
est ajustée en fonction d'une vitesse de déplacement de la tête d'impression
par rapport
à la couche de déposition.
[0060] Selon certains modes de réalisation, une température du au moins un
premier
élément chauffant est ajustée en fonction d'une longueur d'onde optimale
d'absorption
du matériel.
[0061] Selon certains modes de réalisation, le dispositif d'émission de
radiation est
configuré pour être attaché à un dispositif d'extrusion. Selon certains modes
de
réalisation, le dispositif d'émission de radiation est configuré pour être
attaché à une tête
d'im pression.
[0062] Selon certains modes de réalisation, la radiation permet de chauffer le
matériel
extrudé afin de ralentir son refroidissement.
[0063] Selon certains modes de réalisation, la radiation est une radiation
thermique et
une température d'une source de la radiation est ajustée en fonction d'une
vitesse de
déplacement de la source par rapport à la surface de déposition.
[0064] Selon certains modes de réalisation, la radiation est une radiation
thermique et
une température d'une source de la radiation est ajustée en fonction d'une
longueur
d'onde optimale d'absorption du matériel.
[0065] Selon certains modes de réalisation, la surface de déposition est un
plateau
d'impression. Selon certains modes de réalisation, la surface de déposition
est une
couche du matériel.
[0066] D'autres éléments et avantages de la présente divulgation seront
apparents à la
lecture de la description détaillée qui suit. La description détaillée et les
exemples
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
16
spécifiques indiquent des modes de réalisation et sont donnés pour des fins
illustratifs.
La portée des revendications ne doit pas être limitée par ces modes de
réalisation, mais
doit recevoir l'interprétation la plus large que la description permet.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0067] Fig. 1 est une représentation d'un processus d'impression par
fabrication additive
selon l'art antérieur.
[0068] Fig. 2 montre des buses de type Volcano en laiton, en acier trempé et
en acier
inoxydable, fournies par l'entreprise E3D, selon l'art antérieur.
[0069] Fig. 3 est un schéma d'une tête d'impression pour fabrication additive,
modèle
E3D V6, selon dans l'art antérieur.
[0070] Fig. 4 montre les composantes d'un bloc chauffant selon l'art
antérieur.
[0071] Fig. 5A et 5B sont des représentations d'un procédé de fabrication
additive par
dépôt de filament sans une pression appliquée (Fig.5A) et avec une pression
appliquée
(Fig.5B) par une buse lors de son dépôt selon l'art antérieur.
[0072] Fig. 6 est une représentation des effets de la température sur la
diffusion
macromoléculaire entre des filaments.
[0073] Fig. 7 est une représentation des mécanismes de formation de gaps
triangulaires
selon l'art antérieur.
[0074] Fig. 8 est une représentation du phénomène de retrait volumique entre
la couche
de déposition et la couche supérieure lors du refroidissement pouvant résulter
en un
processus de gauchissement ou de délamination de la pièce imprimée.
[0075] [0001] Fig. 9 est une représentation du processus de transfert
d'énergie par
radiation vers le matériel déposé.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
17
[0076] Fig. 10 est une représentation d'une tête d'impression selon un mode de
réalisation exemplaire de la présente divulgation.
[0077] Fig. 11 est une vue en perspective d'un dispositif d'émission de
radiation selon un
mode de réalisation exemplaire de la présente divulgation.
[0078] Fig. 12 est une coupe transversale d'un dispositif d'émission de
radiation selon un
mode de réalisation exemplaire de la présente divulgation.
[0079] Fig. 13 est une vue du dessous d'un dispositif d'émission de radiation
selon un
mode de réalisation exemplaire de la présente divulgation.
[0080] Fig. 14 représente les profils thermiques de deux couches formées selon
un
procédé de fabrication additive selon un mode de réalisation exemplaire de la
présente
divulgation.
[0081] Fig. 15 montre une éprouvette-échantillon imprimée avec indication des
axes
d'impression selon un mode de réalisation exemplaire de la présente
divulgation.
[0082] Fig. 16 montre les dimensions en millimètres d'un échantillon ASTM D638
type IV
selon un mode de réalisation exemplaire de la présente divulgation7.
[0083] Fig. 17 est un graphique illustrant l'évolution du module de Young d'un
échantillon
imprimé par fabrication additive en fonction de la vitesse d'impression et de
la
configuration d'un système de chauffage avec une plaque radiante selon un mode
de
réalisation exemplaire de la présente divulgation.
[0084] Fig. 18 est un graphique illustrant l'évolution de la contrainte
maximale d'un
échantillon imprimé par fabrication additive en fonction de la vitesse
d'impression et de
la configuration d'un système de chauffage avec une plaque radiante selon un
mode de
réalisation exemplaire de la présente divulgation.
[0085] Fig. 19 est un graphique illustrant l'évolution de l'élongation à la
rupture d'un
échantillon imprimé par fabrication additive en fonction de la vitesse
d'impression et de
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
18
la configuration d'un système de chauffage avec une plaque radiante selon un
mode de
réalisation exemplaire de la présente divulgation.
[0086] Fig. 20A et Fig. 20B sont des images de tomographie à rayons X de la
coupe
transversale d'un échantillon imprimé par fabrication additive sans (Fig. 20A)
et avec (Fig.
20B) un élément chauffant radiant selon un mode de réalisation exemplaire de
la
présente divulgation.
[0087] Fig. 21 est une représentation schématique d'un mécanisme potentiel de
réduction
du taux de porosité selon un mode de réalisation exemplaire de la présente
divulgation.
[0088] Fig. 22 est un graphique illustrant l'évolution du module de Young d'un
échantillon
imprimé par fabrication additive en fonction de la température, et en fonction
de l'appareil
utilisé, selon un mode de réalisation exemplaire de la présente divulgation.
[0089] Fig. 23 est un graphique illustrant l'évolution de la contrainte
maximale d'un
échantillon imprimé par fabrication additive en fonction de la température, et
en fonction
de l'appareil utilisé, selon un mode de réalisation exemplaire de la présente
divulgation.
[0090] Fig. 24 est un graphique illustrant l'évolution de l'élongation à la
rupture d'un
échantillon imprimé par fabrication additive en fonction de la température, et
en fonction
de l'appareil utilisé, selon un mode de réalisation exemplaire de la présente
divulgation.
[0091] Fig. 25A, 25B, 25C et 25B sont des images de tomographie à rayons X
d'un
échantillon imprimé par fabrication additive selon un mode de réalisation
exemplaire de
la présente divulgation - Fig. 25A: coupe transversale, imprimé sans élément
chauffant
radiant; Fig. 25B : coupe transversale, imprimé avec un élément chauffant
radiant; Fig.
25C: coupe en élévation, imprimé sans élément chauffant radiant; et Fig. 25D:
coupe
en élévation, imprimé sans élément chauffant radiant.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0092] Dans la présente divulgation, le terme fabrication additive
comprend, sans s'y
limiter, les procédés de formation d'un objet par déposition ou par un autre
moyen
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
19
d'addition de couches, y compris l'impression en trois dimensions. Plus
particulièrement,
le terme fabrication additive comprend les techniques de formation d'un
objet par
filaments et par alimentation de granules, ainsi que de formation d'un objet
par extrusion
de granules.
[0093] Dans la présente divulgation, le terme surface de déposition
comprend toute
surface qui reçoit du matériel selon la présente divulgation. Plus
particulièrement, le
terme surface de déposition comprend, sans s'y limiter, un plateau
d'impression et la
surface d'une couche de matériel précédemment déposée. Il ressortira à une
personne
versée dans l'art que, lors d'un procédé de fabrication additive, la première
couche de
matériel est déposée sur le plateau d'impression, et qu'une couche subséquente
est
déposée sur la couche précédemment déposée.
[0094] Dans la présente divulgation, le terme couche de déposition
comprend, sans
s'y limiter, une couche de matériel précédemment déposée ou fournie
indépendamment.
[0095] Dans la présente divulgation, le terme couche supérieure comprend,
sans s'y
limiter, une couche de matériel en cours de fabrication. Plus
particulièrement, le terme
couche supérieure comprend une couche de matériel déposée selon la présente
divulgation sur une surface de déposition.
[0096] Sauf indication contraire, les définitions et modes de réalisation ici
décrits sont
applicables à tous les modes de réalisation et aspects de la présente
divulgation pour
lesquels ils conviennent, comme le comprendrait une personne versée dans
l'art.
[0097] Tels qu'utilisés dans cette demande et dans les revendications, les
mots
"comprenant" (et toute forme de comprenant, comme "comprendre" et "comprend"),
"ayant" (et toute forme de avoir , comme " ont" et "a"), "incluant" (et
toute forme
d'inclusion, telle que "inclut" et "inclut") ou "contenant" (et toute forme de
contenant, telle
que "contient" et "contient"), sont inclusifs ou ouverts et n'excluent pas
d'éléments ou
d'étapes de processus supplémentaires non cités.
[0098] Le terme constitué et ses dérivés, tel qu'utilisé ici, sont
destinés à être des
termes fermés qui spécifient la présence des caractéristiques, éléments,
composants,
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
20
groupes, nombres entiers et/ou étapes déclarés, et excluent également la
présence
d'autres caractéristiques, éléments, composants, groupes, nombres entiers
et/ou étapes
non déclarés.
[0099] Le terme consistant essentiellement en , tel qu'utilisé ici, est
destiné à spécifier
la présence des caractéristiques, éléments, composants, groupes, nombres
entiers et/ou
étapes énoncés, ainsi que ceux qui n'affectent pas matériellement les éléments
de base
et nouvelle(s) caractéristique(s) de ces caractéristiques, éléments,
composants, groupes,
nombres entiers et/ou étapes.
[0100] Les termes "environ", "sensiblement" et "approximativement" tels
qu'utilisés ici
signifient une quantité raisonnable d'écart du terme modifié, de sorte que le
résultat final
n'est pas modifié de manière significative. Ces termes de degré doivent être
interprétés
comme incluant un écart d'au moins 5 % du terme modifié si cet écart ne nie
pas le
sens du mot qu'il modifie ou à moins que le contexte ne suggère le contraire à
une
personne versée.
[0101] Telles qu'utilisées dans la présente demande, les formes singulières
un , une
et le incluent des références plurielles à moins que le contenu ne s'y
oppose
clairement.
[0102] Le terme et/ou tel qu'utilisé ici signifie que les éléments énoncés
sont présents,
ou utilisés, individuellement ou en combinaison. En effet, ce terme signifie
qu' au moins
un des ou un ou plusieurs des éléments énumérés est utilisé ou présent.
[0103] Le terme "approprié" tel qu'il est utilisé ici signifie que la
sélection des conditions
particulières dépendra des étapes spécifiques à effectuer, de l'identité des
composants
et/ou de l'utilisation spécifique des composants, mais la sélection serait
tout à fait à la
portée d'une personne versée dans l'art.
[0104] La présente divulgation concerne une tête d'impression pour fabrication
additive.
La tête comprend un dispositif d'émission de radiation et une buse configurée
pour
délivrer un matériel. Le dispositif d'émission de radiation comprend une
plaque radiante
et au moins un premier élément chauffant. Le dispositif d'émission de
radiation est
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
21
configuré pour recevoir la buse de façon à ce que la buse soit à proximité de
la plaque
radiante. La plaque radiante comprend une surface proximale et une surface
distale.
[0105] La buse peut être à une distance de la plaque radiante, afin que le
corps de la
buse n'entre pas en contact avec la plaque radiante. La distance entre la buse
et la plaque
radiante permet de réduire la contamination thermique entre la buse et la
plaque radiante.
En effet, les températures de la buse et de la plaque radiante peuvent être
différentes, et
un contact direct entre ces deux composantes peut entrainer un transfert de
chaleur
imprévu. La distance entre la buse et la plaque radiante peut être d'environ
0.1 à environ
500 millimètres.
[0106] La buse comprend une extrémité d'extrusion. Le dispositif d'émission de
radiation
reçoit la buse de façon à ce que l'extrémité d'extrusion s'étende au-delà de
la surface
distale de la plaque radiante. La buse peut être une buse disponible dans le
commerce,
par exemple une buse SuperVolcano par la compagnie E3D. Une personne versée
dans
l'art comprendra que des modifications adéquates aux buses présentement
disponibles
dans le commerce peuvent être effectuées afin de pratiquer la présente
divulgation.
[0107] L'extrémité d'extrusion peut s'étendre d'environ 0.1 à environ 500
millimètres,
d'environ 0.1 à environ 200 millimètres, d'environ 0,5 à environ 50
millimètres, ou
d'environ 1 à environ 5 millimètres au-delà de la surface distale de la plaque
radiante,
selon les caractéristiques du matériel utilisé et selon les caractéristiques
de l'objet à
fabriquer. Par exemple, l'extrémité d'extrusion peut dépasser la surface
distale d'une très
petite distance lorsqu'une haute puissance doit être transmise rapidement à la
surface
de déposition.
[0108] Le au moins un premier élément chauffant peut être configuré pour
transmettre
une énergie thermique par conduction à la surface proximale de la plaque
radiante. Dans
ce cas, le au moins un premier élément chauffant est en contact direct avec la
surface
proximale de la plaque radiante. Un ou plusieurs matériaux conductifs peuvent
aussi être
interposés entre la surface proximale et le premier élément chauffant,
couvrant toute ou
une partie de la surface proximale. La chaleur du premier élément chauffant
serait alors
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
22
transmise de façon plus diffuse à la surface proximale. La plaque radiante
peut aussi être
chauffée par d'autres moyens, par exemple par induction ou électriquement.
[0109] La plaque radiante peut être une plaque radiante à haute émissivité. La
plaque
radiante est configurée pour transmettre l'énergie thermique du au moins un
premier
élément chauffant par radiation via la surface distale au matériel délivré sur
une surface
de déposition située à proximité sous la surface distale. La surface distale
de la plaque
radiante peut posséder une constante d'émissivité élevée. Différentes
techniques
peuvent être utilisées pour améliorer l'émissivité de la surface distale. Par
exemple, la
surface distale peut comprendre de l'aluminium anodisé ou des matériaux
abrasés ou
oxydés. La surface distale peut comprendre d'autres matériaux, seuls ou en
combinaison,
ayant un haut coefficient d'émissivité.
[0110] La tête d'impression pour fabrication additive peut être configurée
pour être mobile
par rapport à une surface de déposition. La mobilité n'est pas limitée à un
nombre d'axes.
Par exemple, une tête d'impression pour fabrication additive peut être
installée sur un
bras robotique afin d'être déplacée selon 3 axes par rapport à la surface de
déposition.
[0111] La tête d'impression pour fabrication additive peut comprendre en outre
un bloc
chauffant comprenant au moins un deuxième élément chauffant et configuré pour
recevoir une extrémité supérieure de la buse. Par exemple, la buse peut
comprendre une
partie vissable qui peut être vissée dans le corps du bloc chauffant. Un
matériel
d'impression circule dans la buse, et le bloc chauffant est configuré pour
chauffer le
matériel circulant dans la buse. Le bloc chauffant peut comprendre du matériel
qui
accumule et transmet la chaleur produite par le au moins un deuxième élément
chauffant
vers la buse et vers le matériel d'impression. Par exemple, le bloc chauffant
peut
comprendre de l'aluminium ou du cuivre.
[0112] La tête d'impression pour fabrication additive peut comprendre en outre
un boitier
de fixation configuré pour relier la surface proximale de la plaque radiante
et le bloc
chauffant. Le boitier de fixation peut définir une zone d'isolation entre le
boitier et le au
moins un premier élément chauffant. Le boitier de fixation peut définir une
zone d'isolation
entre le boitier et le bloc chauffant. La zone d'isolation peut comprendre un
espace
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
23
d'environ 0 à environ 100 millimètres, ou un espace d'environ 0.1 à environ 50
millimètres,
ou un espace d'environ 1 à environ 10 millimètres. La zone d'isolation peut
aussi
comprendre au moins une surface réfléchissante, une matière isolante, un
espace d'air,
ou une combination de ceux-ci. La surface réfléchissante peut être obtenue de
différentes
façons telles que le polissage. Le boitier de fixation peut posséder des
dimensions
standardisées facilitant l'installation d'un dispositif d'émission de
radiation sur plusieurs
types de dispositifs de fabrication additive disponibles sur le marché, par
exemple des
imprimantes FDM ou FFF, des dispositifs de fabrication additive alimentés par
granules,
ou des dispositifs de fabrication additive par dépôt de gouttelettes. La
plaque radiante
peut être reliée au boitier de fixation avec l'aide de vis. Les vis peuvent
s'assembler par
le dessus du boitier de fixation afin d'éviter toute discontinuité au niveau
de la surface
distale qui pourrait être causée par la présence de têtes de vis. Un trou peut
être prévu
au niveau du boitier de fixation pour permettre le passage des fils
d'alimentation
électrique de l'élément chauffant et de signal du thermocouple.
[0113] Le boitier de fixation peut être configuré pour être attaché au bloc
chauffant, par
exemple au moyen de vis de fixation, par exemple à l'aide de vis à six pans
creux.
D'autres moyens d'attache incluent des crochets, des pinces, ou d'autres
moyens
convenables. Optionnellement, le boitier de fixation peut être configuré pour
être attaché
à d'autres éléments de l'appareil de fabrication additive.
[0114] Le dispositif d'émission de radiation peut comprendre en outre au moins
un
premier thermocouple en contact direct avec le au moins un premier élément
chauffant.
Le au moins un premier thermocouple peut aussi être en contact direct avec la
plaque
radiante. La température du au moins un premier élément chauffant ou de la
plaque
radiante peut aussi être mesurée par d'autres moyens, par exemple au moyen
d'une
caméra thermique.
[0115] La tête d'impression pour fabrication additive peut comprendre en outre
un premier
contrôleur de température fonctionnellement connecté au premier élément
chauffant. Elle
peut comprendre en outre un deuxième contrôleur de température
fonctionnellement
connecté au deuxième élément chauffant. Le premier contrôleur de température
peut
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
24
modifier la température du premier élément chauffant en fonction de la
température de la
plaque radiante ou du premier élément chauffant. Optionnellement, le au moins
un
premier élément chauffant, le au moins un deuxième élément chauffant, le au
moins un
premier thermocouple et le au moins un deuxième thermocouple, ou une
combination
d'entre eux, peuvent être fonctionnellement connectés au même contrôleur de
température.
[0116] Le premier thermocouple et le premier contrôleur de température peuvent
opérer
en boucle fermée. Dans un tel mode de réalisation, le premier thermocouple
mesure
continuellement la température de la plaque radiante et le contrôleur de
température
ajuste la température du premier élément chauffant en fonction de la
température
mesurée par le premier thermocouple.
[0117] Dans certains modes de réalisation, la plaque radiante peut aussi être
une
prolongation du bloc chauffant. Le bloc chauffant peut comprendre le au moins
un premier
élément chauffant et le au moins un deuxième élément chauffant. Dans d'autres
modes
de réalisation, le premier élément chauffant et le deuxième élément chauffant
forment un
seul élément chauffant. La plaque radiante est configurée pour transmettre
l'énergie
thermique du seul élément chauffant, ou du premier et du deuxième élément
chauffant
par radiation via ladite surface distale au matériel délivré sur une surface
de déposition
située à proximité sous la surface distale. Dans ces modes de réalisation, la
température
du bloc chauffant et la température de la plaque radiante sont similaires.
[0118] La plaque radiante peut avoir plusieurs formes, par exemple elle peut
être
circulaire, annulaire, triangulaire, carrée, rectangulaire, ou d'une autre
forme convenable.
Une géométrie circulaire ou annulaire permet d'assurer la constance de la
durée
d'exposition ainsi que de la puissance transférée, peu importe la direction de
déplacement de la tête d'impression.
[0119] Les dimensions de la plaque radiante peuvent être adaptées selon les
dimensions
de l'objet à fabriquer. Par exemple, une plaque radiante de forme annulaire de
plus grand
diamètre extérieur peut être utilisée lorsqu'une pièce de grandes dimensions
est
fabriquée. L'utilisation d'une plus grande surface distale permet d'accroitre
l'énergie
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
25
transférée vers le matériel. A l'opposé, une plaque radiante de forme
annulaire de plus
petit diamètre extérieur peut être utilisée lorsqu'un objet de petites
dimensions est
fabriqué.
[0120] Dans certains modes de réalisation, la buse d'impression a un diamètre
d'environ
0.1 mm à environ 10 mm. Dans certains modes de réalisation, la buse
d'impression a un
diamètre d'environ 0.2 mm à environ 5 mm. Dans certains modes de réalisation,
la buse
d'impression a un diamètre d'environ 0.2 mm à environ 2.0 mm. Dans certains
modes de
réalisation, la buse d'impression a un diamètre d'environ 0.2 mm à environ 0.8
mm.
[0121] Dans certains modes de réalisation, la surface distale a une aire
d'environ 200 à
environ 200 000 mm2. Dans certains modes de réalisation, la surface distale a
une aire
d'environ 500 à environ 10 000 mm2. Dans certains modes de réalisation, la
surface
distale a une aire d'environ 1000 à environ 2000 mm2.
[0122] Le au moins un premier élément chauffant peut être de forme annulaire.
Le au
moins un premier élément chauffant peut être de la même forme que la plaque
radiante
et longer son périmètre. La plaque radiante peut aussi être chauffée par
plusieurs
éléments chauffants disposés dans un arrangement convenable. Par exemple,
plusieurs
éléments chauffants peuvent être disposés dans une formation à étoile.
[0123] La tête d'impression pour fabrication additive peut être conçue pour
s'adapter sur
une imprimante par dépôt de filament fondu de type FDM ou FFF. L'imprimante
FDM ou
FFF peut avoir une chambre d'impression, qui peut être chauffée ou non. La
tête
d'impression pour fabrication additive peut être utilisée avec une vaste gamme
de
matériaux polymères thermoplastiques pouvant être formulés avec des charges ou
non.
La tête d'impression pour fabrication additive peut aussi être conçue pour
s'adapter sur
une imprimante utilisant une technologie d'alimentation par granules. La tête
d'impression
pour fabrication additive peut aussi être adaptée pour un processus de
fabrication
additive par dépôt de gouttelettes.
[0124] La présente divulgation concerne aussi un procédé de fabrication
additive utilisant
la tête d'impression pour fabrication additive précédemment décrite. Le
procédé
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
26
comprend les étapes suivantes: chauffer le matériel circulant dans la buse,
extruder une
première quantité du matériel vers une surface de déposition à travers la
buse, formant
une couche de déposition, chauffer au moins une partie de la couche de
déposition par
une radiation émanant de la plaque radiante, extruder au moins une deuxième
quantité
du matériel à travers la buse sur la partie de la couche de déposition ainsi
chauffée.
[0125] Le matériel peut être un polymère amorphe, par exemple un
polyétherimide (PEI),
un polycarbonate (PC), un acrylonitrile butadiène styrène (ABS), un
l'acrylonitrile styrène
acrylate (ASA), un poly(methyl methacrylate) (PMMA), un polysulfone (PSU), un
polyphénylsulfone (PPSU), etc.
[0126] Le matériel peut être un polymère semi-cristallin, par exemple un acide
polylactique (PLA), un polyamide (PA), un polyéthylène, (PE), un polypropylène
(PP), un
polysulfure de phénylène (PPS), un polyétheréthercétone (PEEK), etc.
[0127] Le matériel peut être un élastomère thermoplastique (TPE) du type
copolymère à
blocs (rigide / souple), par exemple un copolymère à blocs constitué de
polyuréthane et
de polyéther ou de polyester (TPU), constitué de copolyester et de polyéther
(TPC),
constitué de copolyamide et de polyéther (TPA), constitué de polystyrène et de
polybutadiène (TPS). Le matériel peut être un mélange de polymères, par
exemple un
mélange de polycarbonate (PC) et d'acrylonitrile butadiène styrène (ABS),
aussi connu
sous l'acronyme PC/ABS.
[0128] Les exemples de matériels précédemment donnés ne sont pas limitatifs.
D'autres
matériels et mélanges convenables peuvent ressortir aux personnes versées dans
l'art
qui pratiquent la présente divulgation sans s'écarter des principes ici
énoncés.
[0129] Le matériel circulant dans la buse peut être chauffé par conduction,
par
convection, ou par une combination de celles-ci. Le matériel peut être chauffé
à une
température supérieure à sa température de transition vitreuse ou à sa
température de
fusion. Par exemple, un polymère amorphe peut être extrudé à une température
supérieure à sa température de transition vitreuse. Toutefois, la
détermination d'une
température de fusion n'est pas possible pour un polymère amorphe puisque sa
structure
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
27
interne ne comporte pas de structures cristallines. Dans le cas des polymères
semi-
cristallins, ils sont chauffés à une température supérieure à leur température
de fusion
avant d'être extrudés.
[0130] La distance entre la plaque radiante et la couche de déposition ou la
surface de
déposition peut être minimisée afin d'optimiser le transfert de chaleur par
radiation. Cette
distance peut être de l'ordre de seulement quelques millimètres. Par exemple,
la distance
peut être d'environ 0.15 à environ 500 millimètres, d'environ 0.15 à environ
200
millimètres, d'environ 0.5 à environ 50 millimètres, ou d'environ 1 à environ
10 millimètres.
[0131] Dans un exemple non limitatif, une partie de la couche de déposition
peut être
chauffée par la radiation à une température proche de ou supérieure à la
température de
transition vitreuse ou de fusion du matériel. La partie peut être une très
fine épaisseur de
la couche. Une partie de la couche supérieure déposée sur la couche de
déposition peut
aussi être chauffée par la radiation à une température proche de ou supérieure
à la
température de transition vitreuse ou de fusion du matériel. Il ressortira aux
personnes
versées dans l'art que la radiation peut aussi chauffer une plus profonde
épaisseur de la
couche. Dans d'autres exemples, la radiation peut chauffer toute l'épaisseur
de la
couche, ou une épaisseur comprenant plus d'une couche.
[0132] Le matériel peut comprendre un polymère amorphe ayant une température
de
transition vitreuse. Dans ce mode de réalisation, la partie de la couche de
déposition peut
être chauffée par la radiation à une température d'environ 20 C au-dessous à
environ
200 C au-dessus, d'environ 10 C au-dessous à environ 100 C au-dessus,
d'environ 5
C au-dessous à environ 50 C au-dessus de la température de transition
vitreuse du
matériel.
[0133] Le matériel peut comprendre un polymère semi-cristallin, ayant une
température
de transition vitreuse et une température de fusion. Dans ce mode de
réalisation, la partie
de la couche de déposition peut être chauffée par la radiation à une
température d'environ
20 C au-dessous à environ 100 C au-dessus, d'environ 10 C au-dessous à
environ
100 C au-dessus, ou d'environ 5 C au-dessous à environ 50 C au-dessus de,
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
28
respectivement, la température de transition vitreuse et la température de
fusion du
matériel.
[0134] Le matériel peut comprendre un ou plusieurs copolymères à blocs. Chaque
bloc
dans chaque copolymère à blocs possède une température de transition vitreuse.
Chaque bloc peut aussi optionnellement posséder une température de fusion, par
exemple s'il est un bloc semi-cristallin. Les températures de transition
vitreuse et,
optionnellement, les températures de fusion des blocs peuvent être
différentes. Dans ces
modes de réalisation, la partie de la couche de déposition peut être chauffée
à une
température d'environ 20 C au-dessous à environ 200 C au-dessus, ou
d'environ 10 C
au-dessous à environ 100 C au-dessus, ou d'environ 5 C au-dessous à environ
50 C
au-dessus de, respectivement, la moindre température de transition vitreuse
parmi les
températures de transition vitreuse des blocs, et la plus haute température de
transition
vitreuse parmi les températures de transition vitreuse des blocs. Lorsqu'une
ou plusieurs
températures de fusion sont présentes, la partie de la couche de déposition
peut être
optionnellement chauffée à une température d'environ 20 C au-dessous à
environ 100
C au-dessus, d'environ 10 C au-dessous à environ 100 C au-dessus, ou
d'environ 5
C au-dessous à environ 50 C au-dessus de, respectivement, la moindre
température
de transition vitreuse parmi les températures de transition vitreuse des
blocs, et la plus
haute température de fusion parmi les températures de fusion des blocs.
[0135] Les paramètres opérationnels décrits pour les modes de réalisation
comprenant
un ou plusieurs copolymères à blocs sont aussi applicables aux modes de
réalisation
comprenant des mélanges de polymères, y compris les mélanges comprenant des
polymères amorphes, des mélanges comprenant des polymères semi-cristallins,
des
mélanges comprenant des copolymères à blocs, ou des combinations de ceux-ci.
Ainsi,
les polymères et les copolymères composant le mélange peuvent posséder une ou
plusieurs températures de transition vitreuse et, optionnellement, une ou
plusieurs
températures de fusion. Les paramètres décrits à l'égard des températures de
transition
vitreuse et de fusion des blocs d'un copolymère à blocs sont applicables à
l'égard des
températures de transition vitreuse et de fusion des polymères ou copolymères
composant les mélanges.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
29
[0136] La tête d'impression pour fabrication additive peut être mobile par
rapport à la
couche de déposition. Le déplacement de la tête d'impression pour fabrication
additive
peut être guidé selon un trajet déterminé par un logiciel de découpe. La
température du
au moins un premier élément chauffant peut être ajustée en fonction d'une
vitesse de
déplacement de la tête par rapport à la couche de déposition.
[0137] Le au moins un premier élément chauffant peut être désactivé
temporairement, ou
générer une réduction de sa puissance de chauffage, lorsque la superficie de
la couche
à fabriquer est inférieure à la superficie de la plaque radiante afin d'éviter
une surchauffe
ou une dégradation du polymère. Dans certains exemples, la superficie de la
surface de
déposition de la couche à fabriquer peut être déterminée par un logiciel de
découpe et
comparée à la superficie de la plaque radiante.
[0138] Fig. 9 montre certaines interactions entre une énergie et un objet 90,
qui peut être
une surface de déposition, une couche de déposition, une couche supérieure, un
plateau
d'impression ou un autre objet. L'énergie émise par la plaque radiante n'est
pas absorbée
en totalité par l'objet, par exemple par une couche de matériel antérieurement
déposée.
Une portion 91 de cette énergie peut être absorbée. Une portion 92 de cette
énergie peut
être transmise à travers l'objet, par exemple à travers le polymère formant
une couche
de matériel. Une portion 93 peut être simplement réfléchie à sa surface. Seule
l'énergie
absorbée contribue à l'argumentation de la température du matériel en surface.
Afin
d'optimiser davantage la puissance absorbée, la température de la plaque
radiante peut
être déterminée de sorte que la longueur d'onde correspondant au pic
d'émission
d'énergie de la plaque radiante corresponde à la longueur d'onde de l'un des
pics de
haute absorption d'énergie du matériel antérieurement déposé.
[0139] Ces pics d'absorption varient d'un matériel à l'autre, en fonction de
sa composition
chimique. Chaque matériel d'impression peut comprendre plusieurs pics
d'absorption,
dont au moins un pic d'absorption maximale. La température correspondant à la
longueur
d'onde Amax associée au pic d'énergie d'émission est estimée par la loi du
déplacement
de VVien :
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30
2,89777291 x 10-3 m = K
Amax =
4.96511423174 kr71
D'où h est la constante de Planck, k est la constante de Boltzmann et c, la
vitesse de la
lumière dans le vide et Test la température de la plaque radiante en degrés
Kelvin.
[0140] Des charges spécifiques permettant d'accroitre l'absorption de
l'énergie émise par
la plaque radiante peuvent être intégrées au matériel. Ces charges peuvent
comprendre,
par exemple, des charges carbonées, tel le noir de carbone, la graphite, les
fibres de
carbone, les fibres de carbone poreuses, les nanoparticules de carbone, les
graphènes.
Elles peuvent aussi comprendre des nanoparticules de nickel, optionnellement
enrobées
de silice et de carbone, des nanoparticules d'or enrobées de graphène, ou des
nanoparticules d'oxyde de nickel enrobées de nanotubes de carbone multi-
feuillets, aussi
connus comme Multi Wall Carbon Nanotubes (MVVCNT).
[0141] La température du au moins un premier élément chauffant peut être
ajustée en
fonction d'une longueur d'onde optimale du matériel. La longueur d'onde
optimale du
matériel peut être une longueur d'onde optimale d'absorption. La longueur
d'onde
optimale peut correspondre au pic d'absorption maximale ou à un autre pic
d'absorption
connu. Dans certains exemples, le pic d'absorption maximale du matériel peut
correspondre à une température à laquelle la plaque radiante et le au moins un
premier
élément chauffant peuvent opérer. Dans d'autres exemples, le pic d'absorption
maximale
du matériel peut correspondre à une température dépassant la température
opérative
maximale de la plaque radiante ou du au moins un premier élément chauffant.
Dans ces
exemples, la longueur d'onde d'un autre pic d'absorption du matériel peut être
sélectionnée parmi les pics d'absorption connus. Dans un exemple prophétique,
cette
sélection peut être opérée par un logiciel de découpe. Dans un autre exemple
prophétique, cette sélection peut être opérée par le contrôleur de
température.
[0142] L'utilisation d'une radiation à haute puissance peut occasionner une
dégradation
du matériel d'impression aussi irradié, par exemple par oxydation. Lorsque le
système
radiant est utilisé à haute puissance, le procédé peut être exécuté dans une
chambre
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
31
fermée, et un gaz inerte tel que l'azote ou l'argon peut être utilisé dans la
chambre afin
d'éviter la dégradation du matériel à la surface de déposition qui est exposé
à la radiation.
[0143] La présente divulgation concerne aussi un dispositif d'émission de
radiation pour
un appareil de fabrication additive, comprenant une plaque radiante et au
moins un
élément chauffant configuré pour chauffer la plaque radiante. La plaque
radiante est
configurée pour être installée à proximité de l'appareil. La plaque radiante
comprend une
surface proximale et une surface distale. L'élément chauffant peut être
configuré pour
transmettre une énergie thermique par conduction à la surface proximale.
[0144] La plaque radiante peut être configurée pour transmettre l'énergie
thermique du
au moins un élément chauffant par radiation via la surface distale à un
matériel délivré
sur une surface de déposition.
[0145] Le dispositif d'émission de radiation peut comprendre en outre un
thermocouple
en contact direct avec le au moins un élément chauffant ou en contact direct
avec la
plaque radiante. Un contrôleur de température peut être fonctionnellement
connecté audit
au moins un élément chauffant.
[0146] Le dispositif d'émission de radiation peut être fourni indépendamment
d'un
appareil de fabrication additive. Il peut alors être configuré pour être
attaché à un tel
appareil, ou à un appareil d'extrusion. A cette fin, le dispositif d'émission
de radiation peut
comprendre des moyens d'attache à de tels appareils, par exemple des supports
vissables, des crochets, des pinces.
[0147] La plaque radiante peut être de forme annulaire. L'élément chauffant
peut être de
forme annulaire. La plaque radiante et l'élément chauffant peuvent avoir
d'autres formes,
par exemple ils peuvent être carrés, triangulaires, ovales, ou d'une autre
forme
convenable.
[0148] La présente divulgation concerne aussi un procédé d'extrusion d'un
matériel dans
lequel une surface de déposition est chauffée ponctuellement à une température
proche
ou supérieure à la température de transition vitreuse ou à la température de
fusion du
matériel. Les matériels extrudés qui entrent en contact avec une surface de
déposition
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
32
froide sont assujettis à un refroidissement soudain à la superficie en contact
avec la
surface de déposition, tandis que le corps du matériel extrudé demeure à une
température plus haute. Cette différence dans le taux de refroidissement au
sein du
matériel peut occasionner des déformations du produit extrudé, ainsi que des
tensions et
distorsions internes qui peuvent rendre le produit plus fragile. Toutefois,
l'échauffement
de toute la surface de déposition ou de tout l'environnement de fabrication,
par exemple
une chambre de fabrication, peut entrainer un assouplissement du matériel
déposé, une
réduction de l'adhésion du matériel au plateau de fabrication et une
dégradation
thermique du matériel. Par exemple, dans un processus de fabrication additive
FFF ou
FDF, un polymère déposé peut, lorsque surchauffé, perdre la capacité de
soutenir les
couches supérieures, ou se ramollir à sa surface en contact avec le plateau
d'impression.
Cela résulterait en un échec de la fabrication, par exemple causé par un
effondrement de
la structure en fabrication ou par un déplacement de l'objet en fabrication
sur le plateau
par rapport au dispositif de fabrication.
[0149] Le procédé d'extrusion d'un matériel comprend les étapes suivantes :
chauffer le
matériel, chauffer par radiation au moins une partie d'une surface de
déposition, extruder
le matériel vers la surface de déposition. Le matériel peut être chauffé par
conduction,
par convection, ou par une combination des deux. Le matériel peut être chauffé
à une
température proche ou supérieure à sa température de transition vitreuse ou à
sa
température de fusion.
[0150] La radiation permet aussi de chauffer ledit matériel extrudé afin de
ralentir son
refroidissement, réduisant ainsi les déformations et les contraintes
occasionnés par un
refroidissement rapide, par exemple dans une chambre d'impression non
chauffée.
[0151] Le matériel utilisé dans le procédé d'extrusion peut être le même
matériel utilisé
dans les modes de réalisation du procédé de fabrication additive utilisant une
tête
d'impression selon la présente divulgation précédemment décrit. Les paramètres
opérationnels du procédé de fabrication additive utilisant une tête
d'impression selon la
présente divulgation sont également applicables au procédé d'extrusion.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
33
[0152] La radiation peut être une radiation thermique. La température d'une
source de la
radiation peut être ajustée en fonction d'une vitesse de déplacement de la
source par
rapport à la surface de déposition. La température d'une source de la
radiation peut aussi
être ajustée en fonction d'une longueur d'onde optimale d'absorption du
matériel.
[0153] La radiation peut provenir d'une source de radiation intégrée au
dispositif
d'extrusion, par exemple à une tête d'impression. La radiation peut aussi
provenir d'une
source fixe alors que la surface de déposition est mobile. Par exemple, un
procédé de
fabrication d'un produit extrudé peut comprendre un plateau d'impression
mobile sur
lequel un dispositif d'extrusion fixe extrude un matériel. Une source de
radiation chauffe
ponctuellement le plateau d'impression avant que le produit n'y soit extrudé.
[0154] Dans certains modes de réalisation, le plateau d'impression est chauffé
à une
température d'environ 30 C à environ 300 C. Dans certains modes de
réalisation, le
plateau d'impression est chauffé à une température d'environ 50 C à environ
250 C.
Dans certains modes de réalisation, le plateau d'impression est chauffé à une
température d'environ 60 C à environ 220 C.
[0155] Dans certains modes de réalisation, la surface de déposition est un
plateau
d'impression. Dans certains modes de réalisation, la surface de déposition est
au moins
une partie d'une couche de matériel antérieurement déposée.
[0156] Le procédé d'extrusion précédemment décrit peut être un procédé de
moulage par
extrusion. Il peut aussi être un procédé de fabrication d'un objet par dépôt
de couches de
matériel extrudées séparément ou consécutivement. Il peut aussi être un
procédé de
fabrication additive par dépôt de gouttelettes fondues.
[0157] La présente divulgation concerne aussi un procédé de fabrication
additive,
comprenant les étapes suivantes: chauffer un matériel, extruder une première
quantité
du matériel vers une surface de déposition, formant une couche de déposition,
chauffer
au moins une partie de la couche de déposition par une radiation, extruder au
moins une
deuxième quantité du matériel sur la partie de la couche de déposition ainsi
chauffée.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
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[0158] Le matériel peut être chauffé par conduction, par convection, ou par
une
combination de celles-ci. Le matériel peut être chauffé à une température
supérieure à
sa température de transition vitreuse ou à sa température de fusion.
[0159] Le matériel utilisé dans ce procédé peut être le même matériel utilisé
dans les
modes de réalisation du procédé de fabrication additive utilisant une tête
d'impression
selon la présente divulgation précédemment décrit. Les paramètres
opérationnels du
procédé de fabrication additive utilisant une tête d'impression selon la
présente
divulgation sont également applicables.
[0160] La radiation peut être une radiation thermique et provenir d'une source
de
radiation, par exemple d'une plaque radiante. Selon les caractéristiques
d'absorption du
matériel d'impression, la radiation peut aussi être une autre composante du
spectre
électromagnétique, par exemple une radiation par longueurs d'onde infrarouge
ou des
micro-ondes.
[0161] La source peut être intégrée à un dispositif de fabrication additive,
par exemple à
une tête d'impression, ou être un élément séparé, par exemple un élément
intégré à la
chambre de fabrication.
[0162] La température d'une source de la radiation peut être ajustée en
fonction d'une
vitesse de déplacement de la source par rapport à la couche de déposition. La
température d'une source de la radiation peut être ajustée en fonction d'une
longueur
d'onde optimale d'absorption du matériel.
[0163] Selon certains modes de réalisation, ladite radiation est à une
température
d'environ 40 C à environ 1200 C. Selon certains modes de réalisation, ladite
radiation
est à une température d'environ 100 C à environ 800 C. Selon certains modes de
réalisation, ladite radiation est à une température d'environ 150 C à environ
600 C. Selon
certains modes de réalisation, ladite radiation est à une température
d'environ 200 C à
environ 500 C. Selon certains modes de réalisation, ladite radiation est à une
température
d'environ 200 C à environ 450 C.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
35
[0164] Selon certains modes de réalisation, une vitesse de déplacement de la
tête
d'impression est d'environ 5 mm/sec à environ 120 mm/sec. Selon certains modes
de
réalisation, dans lequel une vitesse de déplacement de la tête d'impression
est d'environ
mm/sec à environ 80 mm/sec Selon certains modes de réalisation, une vitesse de
déplacement de la tête d'impression est d'environ 12.5 mm/sec à environ 50
mm/sec.
[0165] Selon certains modes de réalisation, une hauteur de ladite couche de
déposition
est d'environ 0.07 mm à environ 4 mm. Selon certains modes de réalisation, une
hauteur
de ladite couche de déposition est d'environ 0.1 mm à environ 1.0 mm. Selon
certains
modes de réalisation, une hauteur de ladite couche de déposition est d'environ
0.2 mm
à environ 0.6 mm.
[0166] L'utilisation des procédés et des dispositifs décrits présente
plusieurs avantages.
Un avantage comprend la possibilité de réaliser un transfert de chaleur
ponctuel et
localisé par radiation à partir d'une source de radiation, par exemple une
plaque radiante.
La plaque radiante transfère la chaleur vers une partie de la partie
supérieure de la pièce
en fabrication, immédiatement avant le dépôt de la couche suivante afin
d'accroitre
localement et ponctuellement la température à la surface imprimée. Ce
chauffage
ponctuel et localisé permet de diminuer les déformations non désirées de la
pièce lors de
sa fabrication et les contraintes internes résultant des relaxations
macromoléculaires. Ce
chauffage ponctuel et localisé permet aussi, dans certains modes de
réalisation, de
réduire les risques de dégradation thermique au niveau du matériel
d'impression, en
permettant une diminution de la température de la chambre d'impression.
[0167] Un avantage ultérieur comprend l'accroissement ponctuel et localisé de
la
température du matériel d'impression proche ou supérieure à la température de
transition
vitreuse ou de la température de fusion qui favorise une plus grande mobilité
moléculaire,
favorisant à son tour une plus grande diffusion moléculaire entre les
différentes couches
imprimées. La diffusion moléculaire permet d'améliorer la cohésion ou
l'adhésion entre
les couches. Par exemple, lorsque le matériel d'impression est un polymère, la
diffusion
moléculaire permet aux chaines moléculaires de se déplacer au moins
partiellement et
d'interpénétrer les deux couches du matériel déposé, tel qu'illustré en Fig.
6. Une
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
36
modulation des propriétés mécaniques en traction est observée, modulant
l'isotropie
associée aux produits fabriqués par fabrication additive ou par extrusion.
[0168] Un avantage ultérieur comprend la possibilité de chauffer
ponctuellement au moins
une partie de la surface de déposition à une température proche de la
température de
transition vitreuse ou de fusion du matériel. Lorsqu'une chambre d'impression
est
présente, il n'est pas possible de chauffer la chambre d'impression à une
température
proche ou supérieure à la température de transition vitreuse ou de fusion du
matériel, car
la pièce fabriquée se déformerait de façon permanente suite à la plus grande
mobilité
moléculaire qui serait observée au niveau du matériel.
[0169] Un avantage ultérieur comprend l'amélioration des caractéristiques
structurales du
produit fabriqué par fabrication additive. L'accroissement ponctuel et
localisé de la
température du matériel à la surface de déposition permet de moduler le taux
de retrait
entre la couche supérieure et la couche de déposition, modulant aussi par le
fait même
les contraintes internes, la contrainte maximale, la résistance en flexion, la
résistance à
l'impact, la déformation à la rupture, le module de rigidité, le taux de
cristallinité et les
problèmes de gauchissement et de délamination fréquemment observés pour les
pièces
de plus grandes dimensions. L'accroissement ponctuel et localisé de la
température du
matériel à la surface de déposition permet aussi de moduler l'étanchéité du
produit
fabriqué.
[0170] Une meilleure adhésion entre les couches du produit, ainsi qu'une
diminution des
aspérités et de la porosité du produit, permettent de fabriquer des produits
étanches, par
exemple des récipients ou des canalisations destinés à contenir des fluides.
Ces mêmes
caractéristiques structurales peuvent être modulées pour un produit fabriqué
par
extrusion grâce à l'accroissement ponctuel et localisé de la température d'une
surface
vers laquelle le produit est extrudé. Le système radiant chauffe une partie de
la surface
de déposition, ce qui améliore considérablement l'adhésion inter-couches. Il
chauffe
aussi une partie de la couche supérieure, ce qui peut contribuer à la
diminution du taux
de porosité et à l'accroissement de la zone de contact entre la couche
supérieure et la
prochaine couche qui sera déposée ultérieurement.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
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[0171] Un avantage ultérieur comprend la possibilité d'imprimer plus
facilement des
polymères techniques ou de haute performance qui nécessitent généralement
l'utilisation
d'une chambre chauffée à environnement contrôlé sur des imprimantes de type
FFF ne
possédant pas une telle technologie.
[0172] Un avantage ultérieur comprend la fluidification ponctuelle et
localisée du matériel
de fabrication, qui permet de moduler l'amplitude des aspérités à la surface
de déposition,
favorisant une modulation du taux de porosités au sein de la pièce fabriquée.
[0173] Un avantage ultérieur comprend une augmentation de la vitesse de
fabrication.
Une augmentation de la puissance absorbée par le matériel occasionnée par
l'émission
par une source, telle une plaque radiante, d'une longueur d'onde correspondant
à l'un
des pics d'absorption du matériel d'impression permet d'accroitre la vitesse
de
déplacement de l'appareil de fabrication, par exemple d'une tête d'impression,
réduisant
par le fait même le temps de fabrication.
[0174] Un avantage ultérieur comprend l'amélioration de l'adhésion inter-
couches d'un
produit fabriqué par fabrication additive, tout en évitant de surchauffer le
matériel avant
sa déposition. Puisque tant le matériel extrudé que la partie de la couche où
il est déposé
sont proches ou supérieures à la température de transition vitreuse du
matériel, une
diffusion macromoléculaire entre les couches ainsi fabriquées peut se
produire. Cela
favorise la solidité structurelle du produit ainsi fabriqué, puisque chaque
couche adhère
plus fortement aux couches voisines.
[0175] La présente divulgation sera mieux comprise avec référence aux dessins.
[0176] Fig. 10 montre un mode de réalisation de la présente divulgation. Une
tête
d'impression pour fabrication additive 100 comprend un dispositif d'émission
de radiation
110 et une buse 130.
[0177] Le dispositif d'émission de radiation 110 comprend une plaque radiante
111, ayant
une surface proximale 112 et une surface distale 113. La tête d'impression est
configurée
pour que la buse 130 soit à proximité de la plaque radiante 111. Une distance
peut exister
entre la buse 113 et la plaque radiante 111.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
38
[0178] La buse 130 a une extrémité d'extrusion 131 qui correspond à sa sortie.
La tête
d'impression 100 est configurée pour recevoir la buse 130 et le dispositif
d'émission de
radiation 110 de façon à ce que l'extrémité d'extrusion 131 de la buse 130
dépasse la
surface distale 113 de la plaque radiante 111 en direction de la surface de
déposition
202. Par exemple, lorsque la plaque radiante 111 est de forme annulaire, la
buse 130 est
reçue à travers le centre de l'anneau formé par la plaque radiante 111. Dans
une telle
configuration, l'extrémité d'extrusion 131 se trouve à une distance moindre de
la surface
de déposition 202 que la surface distale 113 de la plaque radiante 111.
L'extrémité
d'extrusion 131 dépasse la surface distale 113 par une distance qui est
d'environ 0.1 à
environ 500, d'environ 0.1 à environ 200, d'environ 0.5 à environ 50, ou
d'environ 1 à
environ 5 millimètres. Pour fins illustratives, Fig. 10 montre aussi un
plateau d'impression
205 et une surface de déposition 202, plus particulièrement une couche de
déposition
201 de matériel déposé antérieurement. La couche de déposition 201 a une
surface de
déposition 202. Une couche supérieure 203 est déposée par la tête d'impression
100 sur
la surface de déposition 202. La couche supérieure, une fois déposée, a une
surface
supérieure 204. Dans cet exemple illustratif, la plaque radiante 110 chauffe
une partie
de la couche de déposition 201, comprenant au moins une partie de la surface
de
déposition 202, le matériel est extrudé de l'extrémité d'extrusion 131 de la
buse 130, et
la plaque radiante chauffe au moins une partie de la couche supérieure 203,
comprenant
au moins une partie de la surface supérieure 204. Il ressortira aux personnes
versées
dans l'art que, lorsque du matériel est déposé sur le plateau d'impression,
par exemple
au début de la fabrication d'un produit, le plateau d'impression 205 remplit
les fonctions
de la couche de déposition 201, et que la surface du plateau d'impression sur
laquelle le
matériel est déposé remplit les fonctions de la surface de déposition 202.
[0179] La plaque radiante 111 est chauffée par conduction au moyen d'un
premier
élément chauffant 115 qui transmet de l'énergie thermique à la surface
proximale 112.
Le premier élément chauffant 115 est en contact direct avec la surface
proximale 112 de
la plaque radiante 111. La chaleur du premier élément chauffant est ainsi
transmise par
conduction directement à la plaque radiante 111.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
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[0180] La plaque radiante 111 est configurée pour être chauffée et pour
transmettre une
radiation thermique via sa surface distale 113 vers la surface de déposition
202 et la
surface supérieure 204.
[0181] La plaque radiante 111 dans ce mode de réalisation est annulaire. Le
premier
élément chauffant 115 dans ce mode de réalisation est annulaire et longe le
périmètre de
la plaque radiante 111.
[0182] La tête d'impression 100 comprend un bloc chauffant 150. Le bloc
chauffant 150
comprend au moins un deuxième élément chauffant (non reproduit). Le bloc
chauffant
150 est configuré pour recevoir le au moins un deuxième élément chauffant dans
au
moins un logement 155.
[0183] Le bloc chauffant 150 comprend aussi au moins un deuxième thermocouple
(non
reproduit). Le bloc chauffant 150 est configuré pour recevoir le au moins un
deuxième
thermocouple dans au moins un logement 156.
[0184] Le au moins un deuxième élément chauffant et le au moins un deuxième
thermocouple peuvent être fonctionnellement connectés à un contrôleur de
température
(non reproduit) afin de contrôler et de modifier la température du bloc
chauffant 150.
[0185] Le bloc chauffant 150 est configuré pour recevoir au moins une partie
de la buse
130, par exemple son extrémité supérieure. Le bloc chauffant 150 est configuré
pour
recevoir la buse 130 de façon qu'un matériel d'impression circulant dans la
buse 130 soit
chauffé.
[0186] Le dispositif d'émission de radiation 110 comprend un boitier de
fixation 120. Le
boitier de fixation 120 est attaché à au moins une partie de la surface
proximale 112 de
la plaque radiante 111.
[0187] Le boitier de fixation 120 définit une zone d'isolation 121. La zone
d'isolation 121
réduit le transfert de chaleur entre le premier élément chauffant 115 et le
boitier de fixation
120. La zone d'isolation 121 comprend un espace d'air, une matière isolante,
une surface
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
40
réfléchissante, ou une combination de ceux-ci. D'autres options d'isolation
thermique
ressortiront aux personnes versées dans l'art qui pratiquent la présente
divulgation.
[0188] Le boitier de fixation 120 définit une zone d'isolation 122. La zone
d'isolation 122
réduit le transfert de chaleur entre le bloc chauffant 150 et le boitier de
fixation 120. La
zone d'isolation 122 comprend un espace d'air, une matière isolante, une
surface
réfléchissante ou une combination de ceux-ci. D'autres options d'isolation
thermique
ressortiront aux personnes versées dans l'art qui pratiqueront la présente
divulgation.
[0189] La dimension de chacune des zones d'isolation 121 et 122 comprend une
distance
entre le boitier de fixation et le bloc chauffant 150 ou le au moins un
premier élément
chauffant 115 d'environ 0 à environ 50, d'environ 0 à environ 10, ou d'environ
0 à environ
millimètres.
[0190] Le boitier de fixation 120 est configuré pour être attaché au bloc
chauffant 150 par
plusieurs moyens. Par exemple, il y est attaché au moyen de vis de fixation
129.
[0191] La barrière thermique 170 peut être une prolongation du bloc chauffant
150, de la
zone froide 180, ou une composante indépendante qui est configurée pour être
attachée
entre la zone froide 180 et le bloc chauffant 150.
[0192] En référence à Fig. 11, un mode de réalisation exemplaire d'un
dispositif
d'émission de radiation 110 de la présente divulgation est présenté. Le
dispositif
comprend une plaque radiante 111 et un boitier de fixation 120. Le dispositif
d'émission
de radiation 110 est configuré pour être attaché au bloc chauffant 150 au
moyen du boitier
de fixation 120.
[0193] En référence à Fig. 12, une coupe transversale en direction AA du mode
de
réalisation exemplaire de Fig. 11 est présentée. La plaque radiante 111 et le
boitier de
fixation 120 forment un dispositif d'émission de radiation 110. La plaque
radiante 111 est
configurée pour être attachée au bloc chauffant 150 au moyen du boitier de
fixation 120.
Une buse 130 est reçue dans le bloc chauffant 150. La buse 130 dépasse la
plaque
radiante 111.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
41
[0194] En référence à Fig. 13, une vue du dessous d'un mode de réalisation
exemplaire
de la présente divulgation est présentée. Une plaque radiante 111 de forme
annulaire a
une surface distale 113, formant un anneau. Une buse 130 est configurée pour
être reçue
à travers l'espace défini par l'anneau. L'extrémité d'extrusion 131 de la buse
130 dépasse
la surface distale 113 de la plaque radiante 111.
[0195] Fig. 14 montre le profil des températures de deux couches d'un produit
fabriqué
par fabrication additive dans le temps selon un procédé de fabrication
additive utilisant
les techniques de la présente divulgation. Dans cet exemple illustratif, le
procédé a lieu
dans une chambre de fabrication chauffée à une température T. Un matériel est
extrudé
vers une surface de déposition, le matériel ayant une température Tdep.
L'appareil de
fabrication additive, par exemple une tête d'impression ou un autre dispositif
d'extrusion,
se déplace en continuant la fabrication. Le matériel déposé se refroidit et sa
température
diminue au-dessous de la température de transition vitreuse Tg ou de la
température de
fusion -rf du matériel. La température du matériel en cours de refroidissement
tend vers
la température du plateau d'impression (non reproduite). L'appareil de
fabrication additive
s'apprête à déposer la prochaine couche de matériel. Juste avant la déposition
d'une
deuxième couche, la température TC d'au moins une partie de la couche déposée
est
chauffée au-dessus de Tg ou de Tf à une température TH. Du matériel est alors
extrudé
vers la première couche, formant une deuxième couche.
[0196] En Fig. 14, les profils thermiques avec ou sans utilisation d'un
système de
chauffage sont indiqués par les numéraires 1 et 2. Le scenario 1 indique le
profil
thermique sans l'utilisation d'un système de chauffage radiant. La couche 2
est alors
déposée sur la couche 1 lorsque cette dernière est au-dessous de sa
température de
transition vitreuse. Le scenario 2 indique le profil thermique lorsqu'un
système de
chauffage radiant est activé. La couche 2 est alors déposée sur la couche 1
lorsque au
moins une partie de cette dernière est à une température supérieure à sa
température de
transition vitreuse ou de fusion.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
42
[0197] Un procédé exemplaire de fabrication additive utilisant la tête
d'impression 100 est
présenté. Dans ce procédé exemplaire, un matériel d'impression, par exemple un
polymère, est extrudé à travers une buse sur une surface de déposition 202.
[0198] Une quantité de matériel d'impression circulant dans la buse 130 est
chauffée. Le
matériel peut être chauffé à une température supérieure à sa température de
transition
vitreuse. Le matériel peut aussi être chauffé à une température supérieure à
sa
température de fusion.
[0199] La tête d'impression 100 se déplace par rapport à une surface de
déposition 202.
La plaque radiante 111 est chauffée par le au moins un premier élément
chauffant 115
et transmet une radiation thermique vers la surface de déposition 202. Au
début du
procédé, la surface de déposition est un plateau d'impression 205. Après le
dépôt d'une
première couche de matériel, la surface de déposition 202 fait partie d'une
couche de
déposition 201.
[0200] Une première quantité du matériel chauffé dans la buse 130 est extrudée
à travers
l'extrémité d'extrusion 131 vers la surface de déposition, formant une couche
supérieure
203. Après l'extrusion, la plaque radiante 111 transmet une radiation
thermique vers la
surface supérieure 204 de la couche supérieure 203. Subséquemment, la couche
supérieure 203 peut se refroidir au-dessous de sa température de transition
vitreuse.
[0201] La tête d'impression 100 commence la déposition de la couche suivante.
La
couche supérieure 203 précédemment décrite est maintenant la couche de
déposition
201. La plaque radiante 111 transmet une radiation thermique vers la surface
de
déposition 202 de la couche de déposition 201. La radiation chauffe au moins
une partie
de la couche de déposition 201 à une température proche ou supérieure à la
température
de transition vitreuse ou de fusion du matériel. Une deuxième quantité du
matériel
circulant dans la buse 130 est extrudée à travers l'extrémité d'extrusion 131
sur la couche
de déposition 201, formant une couche supérieure 203.
[0202] Le procédé décrit ci-dessus peut être répété pour les couches
suivantes. Ainsi, la
deuxième quantité du matériel extrudée de la buse 130 forme la couche qui sera
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
43
subséquemment au moins partiellement chauffée par la plaque radiante 111 avant
de
recevoir une quantité ultérieure du matériel.
[0203] La présente divulgation peut être ultérieurement comprise avec l'aide
des études
suivantes. Les essais ne sont pas limitatifs et ne démontrent que des
avantages de
certains paramètres opérationnels d'un processus de fabrication additive qui
utilise les
enseignements de la présente divulgation. D'autres avantages, méthodes de
fabrication
et d'autres paramètres opérationnels convenables ressortiront aux personnes
qui
pratiquent la présente divulgation sans s'écarter des renseignements ici
énoncés.
Exemples
Exemple 1
Paramètres de fabrication additive utilisés
[0204] Fig. 15 montre un modèle d'échantillon imprimé selon les axes Z-X, soit
une
éprouvette standardisée ASTM D638 type IV.
[0205] Fig. 16 montre les dimensions en millimètres des modèles d'échantillon
imprimés
[0206] Des essais d'impression par fabrication additive ont été réalisés à
partir d'une
imprimante Aon-M2 de l'entreprise québécoise AON3D afin de valider
l'efficacité du
système de chauffage radiant intégré à la tête d'impression.
[0207] Les échantillons sont imprimés selon les axes Z-X afin de valider
directement
l'accroissement de l'adhésion inter-couches lors de l'essai en traction.
[0208] Le consommable utilisé est un filament de polyétherimide (PEI) Ultem
1010 dont
le diamètre est de 1,75 mm. Ce filament est commercialisé par l'entreprise
3DXTECH
Additive Manu facturing.
[0209] Le PEI 1010 est un polymère thermoplastique amorphe de haute
performance. Il
fut utilisé pour valider l'efficacité du système de chauffage radiant, car sa
température de
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
44
transition vitreuse est très élevée (217 C), complexifiant considérablement
son
impression 3D avec les technologies FDM ou FFF.
[0210] Les éprouvettes sont imprimées simultanément en lots de 6 échantillons
afin
d'accroitre le temps entre le dépôt de deux couches successives.
[0211] Avant les travaux d'impression, la bobine de PEI 1010 est séchée à 120
C
pendant une durée minimale de 4 heures dans un four. Les échantillons sont
ensuite
imprimés selon les paramètres d'impression suivants :
= Diamètre de la buse d'impression : 0,6 mm
= Température du bloc chauffant : 380 C
= Température de la chambre d'impression : 120 C
= Température du plateau d'impression : 150 C
= Facteur d'extrusion : 0,85
= Hauteur des couches : 0,2 mm
= Largeur des couches : 0,69 mm
= Taux de remplissage : 100 %
= Orientation du remplissage : 0 degré en tout temps.
= Vitesse de déplacement de la tête d'impression : variable, de 12,5 mm/sec
à 50
mm/sec
= Température du système de chauffage radiant : variable, entre 330 C et
420 C
Méthode d'évaluation des propriétés mécanique en traction
[0212] L'essai de traction est utilisé pour évaluer les propriétés mécaniques
d'un
échantillon subissant un chargement en traction. Les tests ont été menés sur
un appareil
de traction Zwick/Roell Z030 équipé d'une cellule de charge de 30 kN et d'un
vidéo-
extensomètre. Des éprouvettes de type IV ont été analysées selon la norme ASTM
D638
après un conditionnement à 23 C ( 2 C) et 50 % ( 10 %) d'humidité pendant
au moins
48 heures. Le module de Young (E), la contrainte maximale au maximum (a max)
et la
déformation à la rupture (E rup) ont été mesurés à une vitesse d'étirement
constante de 5
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
45
mm/min. Les données inconsistantes ont été éliminées et un minimum de 4
éprouvettes
ont été utilisées pour calculer la moyenne et l'écart type. Les résultats
obtenus sont
compilés sous forme de graphiques comparatifs.
Module de Young
[0213] En référence à Fig. 17, le module de Young des échantillons évolue en
fonction
de la vitesse d'impression et de la configuration de chauffage. Des essais
avec 4 vitesses
d'impression différentes (12.5, 25, 35 et 50 mm/sec) et avec 5 configurations
de
chauffage avec la plaque radiante (aucun chauffage, 330 C, 360 C, 390 C et
420 C)
sont illustrés.
[0214] Lorsque la plaque radiante n'est pas utilisée, le module de Young est
relativement
constant à 2200 MPa, peu importe la vitesse d'impression.
[0215] Lorsque la plaque radiante est utilisée, une hausse du module de Young
est
observée en tout temps. Cette augmentation de la rigidité en traction peut
s'expliquer par
une diminution du taux de porosité ainsi qu'une amélioration de l'adhésion
inter-couches.
[0216] Un module de Young maximal de 2697 MPa est obtenu lorsque la
température de
la plaque radiante est fixée à 390 C et que la vitesse d'impression est de 35
mm/sec.
[0217] Un écart type important est observé pour tous les essais d'impression
par
fabrication additive. Cette variation plus importante est fréquemment observée
pour les
procédés de fabrication additive FDM et FFF, comparativement avec le moulage
par
injection ou la compression.
Contrainte maximale
[0218] En reference à Fig. 18, la contrainte maximale lors d'essais en
traction évolue en
fonction de la vitesse d'impression (vitesse de déplacement de la tête
d'impression) et de
la température de la plaque radiante.
[0219] La contrainte maximale la plus faible (20 MPa) est obtenue lorsque le
système de
chauffage radiant n'est pas activé et que la vitesse d'impression la plus
lente de 12.5
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
46
mm/sec est utilisée. Les conditions sont alors réunies pour que la température
à la
surface de la couche imprimée précédemment soit la plus faible, limitant
considérablement la diffusion moléculaire à l'interface. La diffusion demeure
faible
lorsque la température du polymère au niveau de la couche précédente demeure
inférieure à la température de transition vitreuse du polymère, soit 217 C
dans le cas du
PEI.
[0220] Une augmentation de la vitesse d'impression favorise généralement une
augmentation la contrainte maximale en traction. Celle-ci permet de diminuer
le temps
nécessaire à l'impression d'une couche, limitant la chute de température à la
surface de
la pièce imprimée. Une température plus élevée favorise une plus grande
diffusion
moléculaire à l'interface entre les couches.
[0221] Par contre, lorsqu'une vitesse élevée de 50 mm/sec est utilisée, la
tendance
s'inverse et la contrainte maximale diminue. Une vitesse de déplacement trop
élevée
pourrait induire des défauts lors de l'impression (ex. : effets d'inertie au
niveau de la tête
d'impression peuvent induire des petites erreurs de positionnement, provoquant
une
augmentation du taux de porosité).
[0222] L'utilisation la plaque radiante permet d'accroitre considérablement la
contrainte
maximale obtenue et ce, pour toutes les vitesses d'impression expérimentées.
[0223] Lorsque la température utilisée au niveau de la plaque radiante est de
390 C, la
contrainte maximale atteint un sommet à 63 MPa, une valeur presque 3 fois
supérieure
à celle obtenue lorsque le système de chauffage radiant n'est pas activé (22
MPa). Le
système de chauffage radiant permet alors de maintenir une température à la
surface de
la pièce imprimée supérieure à sa transition vitreuse (217 C) malgré une
température de
la chambre d'impression qui se situe uniquement à 120 'C. Cela favorise une
plus grande
diffusion moléculaire. La contrainte maximale en Z est alors similaire à la
contrainte
maximale observée pour un échantillon imprimé en XY, éliminant ainsi le
phénomène
d'anisotropie.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
47
[0224] Une température de 420 C à la plaque radiante favorise une diminution
de la
contrainte maximale comparativement à une température de 390 C. Selon une
théorie,
un phénomène de dégradation à la surface du polymère pourrait expliquer
partiellement
cette diminution de la contrainte maximale.
Élongation à la rupture
[0225] En référence à Fig. 19, l'élongation à la rupture lors d'essais en
traction évolue en
fonction de la vitesse d'impression et de la température de la plaque
radiante.
[0226] L'élongation à la rupture est faible (environ 1%) lorsque le chauffage
radiant n'est
pas utilisé. Une délamination rapide à l'interface entre les couches lors de
l'essai en
traction limite la contrainte qu'il est possible d'appliquer sur
l'échantillon, limitant ainsi que
sa déformation élastique (loi de Hooke). Tel un ressort, plus la force imposée
est élevée,
plus la déformation (élastique ou plastique) sera grande.
[0227] L'élongation à la rupture augmente considérablement lorsque le système
de
chauffage radiant est activé. Une meilleure cohésion entre les couches permet
d'accroitre
la contrainte exercée sur l'éprouvette avant d'obtenir un bris. Une contrainte
plus élevée
engendre une déformation élastique plus importante au niveau du matériel (loi
de Hooke).
[0228] Une augmentation de la température de la plaque radiante permet
d'accroître
l'élongation à la rupture jusqu'à une température de 390 C. Lorsque la
température de la
plaque radiante atteint 420 C, la tendance s'inverse et l'élongation à la
rupture diminue
sensiblement. Ce même phénomène est aussi observé au niveau de la contrainte
maximale.
[0229] Pour chaque configuration de chauffage radiant, l'élongation maximale
est
toujours obtenue lorsque la vitesse d'impression est ajustée à 35 mm/sec.
[0230] L'élongation à la rupture atteint une valeur maximale à 2.9 % lorsque
la
température radiante est de 390 C et que la vitesse d'impression est de 35
mm/sec.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
48
[0231] Un accroissement de la vitesse d'impression favorise une élongation à
la rupture
plus importante, à l'exception de la vitesse de 50 mm/sec qui favorise une
inversion de
la tendance.
Porosité
[0232] En référence aux Figs. 20A et 20B, l'analyse par tomographie à rayons X
procure
des indications sur la structure interne des éprouvettes scannées. Une étude
comparative
est réalisée entre deux séries d'éprouvettes imprimées à une vitesse de 35
mm/sec, l'une
imprimée sans l'utilisation du système de chauffage radiant (Figure 20A) et
l'autre avec
un système de chauffage radiant fonctionnant à 390 C (Figure 20B). Le taux de
porosité
mesuré à l'intérieur des éprouvettes imprimées sans le système radiant est de
8 %, alors
que les éprouvettes imprimées avec l'élément chauffant indiquent un taux de
porosité
significativement plus faible, soit de 5 %. La diminution importante du taux
de porosité
indique qu'il y a moins de vide entre deux filaments consécutifs, ce qui
favorise une
meilleure adhésion entre les couches.
[0233] En référence à Fig. 21, un mécanisme potentiel contribuant à la
réduction du taux
de porosité en Fig. 20A et 20B comprend une redistribution des aspérités de
surface. Le
fini de surface avant le passage du système de chauffage radiant 2101 est
indiqué en
pointillé 2102. Si le système de chauffage radiant 2101 permet d'accroitre la
température
à la surface imprimée au-dessus de la transition vitreuse (217 C), une
certaine mobilité
moléculaire se développe au sein du polymère et permet alors à la matière qui
se situe
au sommet des aspérités 2103 de s'écouler vers le creux des gaps triangulaires
2104 qui
se forment entre les filaments (aires ombragées), réduisant par le fait même
le taux de
porosité. Le fini de surface après le passage du système de chauffage radiant
2101 est
indiqué en ligne solide 2105. Une réduction des aspérités de surface permet
aussi
d'augmenter la surface de contact entre les couches, favorisant une meilleure
diffusion
moléculaire ainsi que l'accroissement des propriétés mécaniques.
Exemple 2
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
49
[0234] Des essais de fabrication additive ont été réalisés à partir d'une
imprimante Aon
M2 de l'entreprise québécoise AON 3D, d'une imprimante F370 de Stratasys et
d'une
imprimante Prusa i3 Mk3s+ afin de valider l'efficacité du système de chauffage
radiant
intégré à la tête d'impression lors de l'impression de l'ABS M30 de Stratasys.
[0235] Les échantillons sont imprimés selon les axes Z-X afin de valider
directement
l'accroissement de l'adhésion inter-couches lors de l'essai en traction. Les
échantillons
imprimés sont des éprouvettes standardisées ASTM D638 type IV, tel qu'illustré
en
Fig.16.
[0236] Le consommable utilisé est un filament d'acrylonitrile butadiène
styrène (ABS)
M30 Ivory (formulation pour imprimantes Stratasys F123) dont le diamètre est
de 1.75
mm. Ce filament est commercialisé par l'entreprise Stratasys.
[0237] L'ABS M30 est un polymère thermoplastique technique amorphe dont la
température de transition vitreuse se situe à 105 C. Il est utilisé pour
comparer l'efficacité
du système de chauffage radiant sur une imprimante commerciale Stratasys F370
à
chambre conditionnée, ensuite sur une imprimante FDM Aon M2 à configuration
ouverte
possédant aussi une chambre conditionnée ainsi que sur une petite imprimante
FFF
Prusa Mk3s+ ne possédant pas de chambre d'impression conditionnée.
[0238] Les éprouvettes sont imprimées simultanément en lots de 6 échantillons
afin
d'accroitre le temps entre le dépôt de deux couches successives.
Paramètres de fabrication additive utilisés
[0239] Avant les travaux d'impression, la bobine d'ABS M30 est séchée à 80 C
pendant
une durée minimale de 8 heures dans un four et ensuite elle est conservée dans
une
chambre conditionnée à 75 C. Les échantillons sont ensuite imprimés selon les
paramètres de fabrication additive suivants :
= Diamètre buse d'impression : 0.6 mm (Prusa et Aon M2) et T14 ou 0.356
mm (Stratasys)
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
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= Température du bloc chauffant : 295 C (Prusa 13 Mk3s+) et 300 C (Aon
M2)
= Température de la chambre d'impression : 85 C (Stratasys et Aon M2)
= Température du plateau d'impression : 100 C (Aon M2 et Prusa), 85 C
(Stratasys)
= Facteur d'extrusion : 0.98 (Prusa et Aon M2)
= Hauteur des couches : 0.2 mm (toutes les imprimantes)
= Taux de remplissage : 100 %
= Orientation du remplissage : 0 degré (en tout temps)
= Vitesse de déplacement de la tête d'impression : 35 mm/sec
= Température du système de chauffage radiant : variable, entre 220 C et
280 C.
Évaluation des propriétés mécaniques en traction
[0240] L'essai de traction est utilisé pour évaluer les propriétés mécaniques
d'un
échantillon subissant un chargement en traction. Les tests ont été menés sur
un appareil
de traction Zwick/Roell Z030 équipé d'une cellule de charge de 30 kN et d'un
vidéo-
extensomètre. Des éprouvettes de type IV ont été analysées selon la norme ASTM
D638
après un conditionnement à 23 C ( 2 C) et 50 % ( 10 %) d'humidité pendant
au moins
48 heures. Le module de Young (E), la contrainte maximale (a max) et la
déformation à
la rupture (E rup) ont été mesurés à une vitesse d'étirement constante de 5
mm/min. Les
données inconsistantes ont été éliminées et un minimum de 5 échantillons ont
été utilisés
pour calculer la moyenne et l'écart type. Les résultats obtenus sont compilés
sous forme
de graphiques comparatifs en Fig. 22, Fig. 23 et Fig. 24.
Module de Young
[0241] Fig. 22 illustre l'évolution du module de Young pour les imprimantes
sélectionnées
et pour les 6 configurations de chauffage avec la plaque radiante (aucun
chauffage, 220
C, 240 C, 260 C, 270 C et 280 C).
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
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[0242] Lorsque la plaque radiante n'est pas utilisée, l'impression de l'ABS
M30 sur une
imprimante Aon-M2 possédant une chambre chauffée à 85 C permet d'accroître le
module de rigidité de 14 % à 2 231 --I- 78 MPa comparativement à un module de
1 921
--I- 58 MPa sur l'imprimante Prusa, qui ne possède pas de chambre chauffée. En
résumé,
l'utilisation de la chambre chauffée permet d'améliorer le module de rigidité.
[0243] Lorsque la plaque radiante est ajustée à 240 C, le module de rigidité
obtenu sur
une imprimante Prusa est de 2 028 --I- 94 MPa. Ce résultat est similaire au
module obtenu
sur une imprimante Aon-M2 qui s' élève à 2 130 --I- 99 MPa.
[0244] L'utilisation de la plaque radiante sur une imprimante Prusa permet
d'obtenir un
module de rigidité presque équivalent à celui obtenu sur une imprimante Aon-M2
ne
possédant pas d'élément radiant, mais muni d'une chambre chauffée à 85 C.
Cette
augmentation de la rigidité en traction observée sur l'imprimante Prusa peut
s'expliquer
par une diminution du taux de porosité ainsi qu'une amélioration de l'adhésion
inter-
couches.
[0245] Une légère tendance à la baisse du module de Young est observée lorsque
la
température de la plaque radiante augmente au-delà de 240 C.
Contrainte maximale
[0246] Fig. 23 illustre l'évolution de la contrainte maximale lors d'essais en
traction en
fonction de l'imprimante utilisée et de la température de la plaque radiante.
[0247] La contrainte maximale la plus faible, soit 19.0 3.5 MPa est obtenue
lorsque le
système de chauffage radiant n'est pas activé et que l'impression est réalisée
sur une
imprimante Prusa ne possédant pas de chambre chauffée. Les conditions sont
alors
réunies pour que la température à la surface de la couche imprimée
précédemment soit
la plus faible, limitant considérablement la diffusion moléculaire à
l'interface entre la
couche préalablement déposée et la couche suivante. La diffusion demeure
faible lorsque
la température à la surface de la couche préalablement déposée demeure
inférieure à la
température de transition vitreuse du polymère, soit 105 C dans le cas de
l'ABS M30.
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
52
[0248] Lorsque la même impression est réalisée sur une imprimante Aon-M2 munie
d'une
chambre chauffée à 85 C, la contrainte maximale augmente à 32.5 --I- 0.3 MPa,
soit une
différence de +71 % comparativement à l'imprimante Prusa. La chambre chauffée
favorise une augmentation de la température à la surface de la couche imprimée
précédemment ainsi qu'une meilleure diffusion moléculaire à l'interface entre
les couches
déposées.
[0249] L'utilisation de la plaque radiante permet d'accroitre considérablement
la
contrainte maximale obtenue sur une imprimante Prusa ne possédant pas de
chambre
chauffée. Lorsque la température de la plaque radiante est ajustée à 240 C,
la contrainte
augmente à 30.7 --I- 0.5 MPa, soit une augmentation de 61.5 % comparativement
à une
même impression réalisée sans la plaque radiante. De plus, la contrainte
obtenue est
comparable à celle obtenue sur une imprimante Aon-M2, munie d'une chambre
chauffée
à 85 C. Ce résultat démontre une meilleure adhésion à l'interface entre les
couches. Le
système de chauffage radiant permet alors de maintenir une température à la
surface de
la pièce imprimée supérieure à sa transition vitreuse (105 C) malgré la
présence d'une
température ambiante qui se situe environ à 22 C. Sans vouloir en être tenu à
la théorie,
cela semble favoriser une plus grande diffusion moléculaire.
[0250] Une augmentation de la température de la plaque radiante au-delà de 240
C
favorise une diminution progressive de la contrainte maximale. Un phénomène de
dégradation à la surface du polymère pourrait expliquer partiellement cette
diminution.
[0251] L'utilisation de la plaque radiante ne permet pas d'accroitre
significativement la
contrainte maximale obtenue sur une imprimante Aon-M2 possédant une chambre
chauffée.
[0252] Selon la fiche technique de l'ABS M30 de Stratasys, la contrainte
maximale
obtenue sur une imprimante Fortus 900 possédant une buse T16 (0.4 mm) et
imprimant
des couches d'épaisseur de 0.254 mm est de 27.5 0.28 MPa. Ce résultat
s'avère
inférieur à celui obtenu sur une imprimante Prusa à faible coût, munie du
système de
chauffage radiant.
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[0253] Selon un essai de fabrication additive réalisé avec une buse T14 (0.356
mm) et
imprimant des couches d'épaisseur de 0.254 mm sur une imprimante Stratasys
F370, la
contrainte maximale obtenue est de 20.4 6.1 MPa. Ce résultat s'avère
nettement
inférieur à celui obtenu sur une imprimante Prusa à faible coût, munie du
système de
chauffage radiant.
Élongation à la rupture
[0254] Fig. 24 illustre l'évolution de l'élongation à la rupture lors d'essais
en traction en
fonction de l'imprimante utilisée et de la température de la plaque radiante.
[0255] L'élongation à la rupture atteint une valeur maximale à 4.2 0.7 %
lorsque
l'échantillon est imprimé dans l'imprimante Aon-M2, sans l'utilisation de la
plaque
radiante. Par contre, l'écart type élevé démontre une variation importante au
niveau de
l'étirement.
[0256] Pour l'imprimante Prusa, l'élongation à la rupture est faible à 1.0
0.24 % lorsque
le système de chauffage radiant n'est pas utilisé. Une délamination rapide à
l'interface
entre les couches limite l'amplitude de la contrainte qu'il est possible
d'appliquer sur
l'échantillon avant sa rupture, favorisant une déformation de faible amplitude
(loi de
Hooke). Tel un ressort, plus la force imposée avant rupture est faible, plus
la déformation
sera petite.
[0257] Pour l'imprimante Prusa, l'élongation à la rupture double de 1.0 --I-
0.24 % à 2.1 --I-
0.35 % lorsque le chauffage radiant est ajusté à 240 C. Une meilleure
adhésion entre
les couches permet d'appliquer une contrainte plus élevée avant la rupture de
l'échantillon. Celui-ci se déforme davantage (loi de Hooke).
[0258] Lorsque la plaque radiante est activée, l'élongation à la rupture
demeure similaire
et constante (entre 1.8 et 2 %) entre l'imprimante Aon-M2 possédant une
chambre
chauffée à 85 C et l'imprimante Prusa i3 Mk3s+ ne possédant pas de chambre
conditionnée et ce, peu importe la température de la plaque radiante.
Porosité
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[0259] L'analyse par tomographie à rayons X procure des indications sur la
structure
interne des éprouvettes scannées. Une étude comparative est réalisée entre
deux séries
d'éprouvettes imprimées à une vitesse de 35 mm/sec, l'une imprimée avec une
imprimante Prusa 13 Mk3s+ sans l'utilisation du système de chauffage radiant
et l'autre
avec un système de chauffage radiant fonctionnant à 240 C. Le taux de
porosité mesurée
à l'intérieur de l'éprouvettes imprimées sans chauffage radiant est de 3.0
Ã1/0, alors que
les éprouvettes imprimées avec l'utilisation de l'élément chauffant indiquent
un taux de
porosité significativement plus faible, soit de 1.6 %. La diminution
importante du taux de
porosité indique qu'il y a moins de vide entre deux filaments consécutifs, ce
qui favorise
une meilleure adhésion entre les couches.
[0260] En conclusion, le système de chauffage radiant de la présente
divulgation permet
d'obtenir, avec l'ABS M30 de Stratasys, des propriétés mécaniques en traction
relativement similaires entre une imprimante FDM possédant une chambre
conditionnée
et une petite imprimante FFF Prusa i3 Mk3s+ ne possédant pas de chambre
conditionnée.
[0261] La présente divulgation a été décrite avec référence à certains modes
de
réalisation exemplaires. Rien dans la présente divulgation ne limite ses
enseignements
aux seuls modes de réalisation ici décrits. D'autres modes de réalisation
utiles et d'autres
utilisations utiles des dispositifs, des méthodes, des procédés et des
techniques ici décrits
seront apparentes aux personnes versées qui pratiquent la présente
divulgation. Les
principes généraux énoncés dans la présente divulgation peuvent être appliqués
à
d'autres modes de réalisation et applications sans s'écarter de ses
renseignements.
RÉFÉRENCES
1. The APF Process, en ligne https://www.arburg.com/en/products-and-
services/additive-manufacturing/the-apf-process/
2. B. Jellimann, L'impression 3D FDM, 2020, Editions ENI, Nantes
3. J.R.C. Dizon et al., Mechanical characterization of 3D-printed polymers,
Additive
Manufacturing 20 (2018), 44-67
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
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4. Q. Sun et al., Effect of processing conditions on the bonding quality of
FDM
polymer filaments, Rapid Prototyping Journal 14(2) (2008), 72-80
5. A review on 3D printed matrix polymer composites: its potential and future
challenges ¨ Illustration scientifique sur ResearchGate, en ligne
https://www.researchgate.net/fig u re/FDM-pri nted-fi ber-rei nforced-com
posite-with-
the-reduction-in-inter-layer-porosity-but_fig 15_337905012
6. W. Lin et al., Single-layer temperature-adjusting transition method to
improve the
bond strength of 3D-printed PCL/PLA parts, Composites Part A: Applied Science
and Manufacturing 115 (2018), 22-30
7. Source de l'illustration de déplacement de la tête d'impression :
https://grabcad.com/library/astm-d638-14-type-iv-1
Date Reçue/Date Received 2022-09-29
