FR3157254A1 - Procédé de fabrication additive par ajout de couches thermoplastiques activées par plasma - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication additive par ajout de couches thermoplastiques activées par plasma Un aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication additive par ajout de couches (14) à base de matériau thermoplastique (8), de manière superposée les unes sur les autres, dans lequel le matériau thermoplastique de chaque couche de rang n de la superposition est activé par plasma avant d’être recouvert par la couche de rang n+1, cette activation se faisant avant, pendant ou après l’ajout de la couche de rang n. Un autre aspect de l’invention concerne une machine de fabrication additive (1) permettant la mise en œuvre de ce procédé, qui comprend un dispositif de réalisation (7) des couches à base de matériau thermoplastique, et un dispositif d’activation (15) comprenant au moins une buse plasma (16) agencée de manière à activer le matériau thermoplastique de chaque couche de rang n avant qu’il ne soit recouvert par la couche de rang n+1. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1

Description

Procédé de fabrication additive par ajout de couches thermoplastiques activées par plasma DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

Le domaine technique de l’invention est celui de la fabrication additive par ajout de couches successives de matériaux polymère ou composite. L’invention se rapporte aussi bien à la fabrication additive par extrusion notamment par dépôt de filaments, qu’à la fabrication par dépôt de bandes, ou encore au frittage de poudres par laser.

La présente invention concerne un procédé de fabrication par ajout de couches thermoplastiques successives activées par plasma. Elle concerne également une machine permettant la mise en œuvre de ce procédé.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Pour fabriquer des pièces en matériaux polymères thermoplastiques ou thermoplastiques composites, de nombreux procédés de fabrication additive ont été développés. Il s’agit de procédés itératifs d’ajout de couches superposées, qui permettent de réaliser les pièces couche par couche. A chaque nouvelle couche, la chaleur du matériau nouvellement apporté provoque le soudage avec la couche précédente, conférant ainsi une cohésion d’ensemble aux pièces réalisées. Les pièces obtenues sont ainsi constituées d’un empilement de couches de matière superposées soudées les unes aux autres.

Cependant, quel que soit le procédé de fabrication additive utilisé, on constate que les propriétés mécaniques de la pièce obtenue ne sont pas identiques dans toutes les directions. Elles sont fortement diminuées lorsqu’on sollicite la pièce dans l’axe d’empilement des couches, plutôt que dans une direction appartenant au plan de dépose, l’abattement pouvant aller jusqu’à 30 à 50%.

Cette dégradation des propriétés mécaniques est due à la mauvaise qualité du soudage entre les couches. En effet, pendant la fabrication, la couche inférieure n’est pas suffisamment réchauffée par le contact de la matière chaude de la couche suivante pour que le soudage soit satisfaisant.

La situation est encore pire avec les matériaux polymères thermoplastiques semi-cristallins qui cristallisent et se consolident en refroidissant. La chaleur apportée par la couche suivante n’est pas non plus suffisante pour faire fondre les cristallites ou sphérolites formés lors du refroidissement, qui bloquent la mobilité des chaînes polymère et gênent le soudage.

L’invention enseigne un procédé de fabrication additive par ajout de couches polymères thermoplastiques successives, qui améliore les propriétés mécaniques du produit obtenu dans les directions n’appartenant pas au plan de dépose, notamment sa résistance au cisaillement inter-laminaire et à la fatigue.

L’invention enseigne également une machine de fabrication additive permettant de réaliser ce procédé.

Un premier aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication additive par ajout de couches à base de matériau polymère thermoplastique, lesdites couches étant ajoutées les unes sur les autres de manière à former une superposition de N couches, avec N≥ 2, chaque couche ayant un rang dans la superposition allant de 1 à N. Selon ce procédé, le matériau polymère thermoplastique de chaque couche de rang n, avec 1≤n<N, est activé par plasma avant d’être recouvert par la couche de rang n+1, cette activation se faisant avant, pendant ou après l’ajout de la couche de rang n.

N et n, étant des nombres de couches, sont évidemment des nombres entiers.

Le plasma est un gaz ionisé électriquement neutre, qui, lorsqu’il est projeté sur une couche à base matériau polymère thermoplastique, augmente l’énergie de surface de cette couche. Cette activation par plasma provoque la rupture de certaines liaisons moléculaires à la surface de la couche traitée, créant ainsi des sites hautement réactifs qui se lient beaucoup plus facilement avec les molécules de la couche suivante lorsqu’elles sont mises en contact. La liaison entre les deux couches à base de matériau polymère thermoplastique est ainsi grandement favorisée et le soudage résultant est de bien meilleure qualité.

Cette activation par plasma du matériau polymère thermoplastique se traduit par une augmentation de la tension de surface du matériau qui améliore l’adhésion entre les couches.

En outre, le traitement par plasma crée des nano ou microporosités de surface qui augmente encore cette adhésion.

Ainsi, on constate une cohésion renforcée entre les couches adjacentes, ce qui améliore les propriétés mécaniques d’ensemble de la pièce résultante dans la direction d’empilement des couches.

Avantageusement, dans le cas des matériaux polymères semi-cristallins, l’activation par plasma permet en plus de la création de sites réactifs dans le matériau, de faire fondre au moins partiellement les cristallites et sphérolites d’interface qui ont pu apparaitre pendant le refroidissement du matériau. En faisant disparaitre ces phases cristallines, l’activation par plasma permet une plus grande mobilité des chaines polymère, améliorant leur réactivité, et favorise le soudage entre les couches.

Lorsque le matériau contient des fibres, notamment des fibres de carbone, l’activation par plasma permet également de supprimer les zones de transcristallinité qui ont tendance à se former autour de ces fibres. Le volume libre est augmenté et une plus grande mobilité des chaines polymère est obtenue, améliorant leur réactivité et ainsi la qualité du soudage inter-couche.

Dans le cadre de l’invention, le traitement par plasma des couches à base de matériau polymère thermoplastique n’est pas un simple nettoyage de ces couches, qui consiste à casser les molécules de substances polluantes se trouvant sur la surface des couches pour les en détacher, mais une réelle activation du matériau constitutif des couches elles-mêmes, c’est-à-dire de la matière polymère thermoplastique appartenant à ces couches.

Le matériau polymère thermoplastique utilisé dans le procédé selon l’invention peut être quelconque, du moment qu’il est compatible avec la fabrication additive et qu’il est susceptible d’être activé par plasma. On peut citer à titre d’exemples préférentiels les polyaryléthercétones (PAAEK), les polyétherimides (PEI), les polyéthersulfones (PESU), les polyphénylènesulphures (PPS), les polyphénylènesulfones (PPSU), les polycarbonates (PC) ou les polyamides (PA).

Les couches peuvent être composées uniquement d’un ou plusieurs matériaux polymère thermoplastiques.

Ces couches peuvent également contenir d’autres éléments en plus, par exemple des charges et/ou des fibres, notamment des fibres de verre, de carbone ou d’aramide, conférant des propriétés complémentaires à la pièce fabriquée selon les applications visées.

Ces couches peuvent également être réalisées à partir de bandes composites, formées d’une matière appropriée quelconque imprégnée de résine polymère thermoplastique.

Une fois qu’une couche est activée par plasma, elle est recouverte par la couche suivante pour que les sites réactifs créés dans le matériau polymère thermoplastique de cette couche réagissent et se lient avec les molécules de la couche suivante.

Si la couche traitée est laissée libre, les sites réactifs disparaissent peu à peu, car ils réagissent entre eux et avec leur environnement. Cependant, le traitement d’activation par plasma a avantageusement une durée d’efficacité importante, de l’ordre d’une ou plusieurs heures avec un matériau polymère thermoplastique, qui est largement supérieure aux durées opérationnelles rencontrées en fabrication additive. Une fois l’activation par plasma du matériau polymère thermoplastique réalisée, Il n’est donc pas nécessaire que la couche activée soit immédiatement recouverte par la couche suivante.

On appelle durée d’efficacité, la période qui débute au moment de l’activation par plasma et qui dure tant que l’activation est suffisante pour que le soudage soit satisfaisant.

Le traitement d’activation par plasma du matériau polymère thermoplastique peut donc indifféremment être réalisé avant, pendant ou après l’ajout de la couche concernée.

Au cours du procédé, le matériau polymère thermoplastique de la couche de rang n peut être activé par plasma avant l’étape d’ajout de la couche de rang n.

Dans ce cas, l’activation peut avantageusement être réalisée sur le matériau avant qu’il n’atteigne le dispositif de réalisation de couche, par exemple à la sortie de la zone de stockage ou juste avant son passage dans le dispositif de réalisation de couche.

La durée d’efficacité du traitement d’activation est largement suffisante pour que le matériau puisse ensuite atteindre le dispositif de réalisation de couche, que la couche n puisse être ajoutée par celui-ci, puis être recouverte par la couche n+1, sans perdre le bénéfice du traitement d’activation, l’ensemble de ces étapes ne durant que quelques secondes à quelques minutes selon le type de fabrication additive et la taille de la pièce réalisée.

Ainsi, le dispositif d’activation peut avantageusement être fixe, indépendant du dispositif de réalisation de couche et placé loin de celui-ci, dans une zone moins encombrée où il ne gênera pas le déplacement du dispositif de réalisation de couche. Le dispositif d’activation sera techniquement plus simple à réaliser et moins coûteux.

Alternativement, le matériau polymère thermoplastique de la couche de rang n peut être activé par plasma pendant l’étape d’ajout de la couche de rang n sur une portion déjà ajoutée de la couche de rang n.

Alternativement encore, le matériau polymère thermoplastique de la couche de rang n peut être activé par plasma pendant l’étape d’ajout de la couche de rang n+1 sur une portion non encore recouverte de la couche de rang n.

Dans ces deux derniers cas, l’activation par plasma est avantageusement réalisée après que le matériau thermoplastique a traversé le dispositif de fabrication de couche. L’efficacité de l’activation ne risque donc pas d’être amoindrie par le traitement subi par le matériau dans ce dispositif.

De plus, l’activation par plasma est également réalisée après que le matériau thermoplastique a commencé à refroidir. Si le matériau polymère thermoplastique est semi-cristallin ou contient des fibres, le traitement d’activation par plasma réduit avantageusement les phases cristallines ou les zones de transcristallinité, qui se forment quelques centièmes de seconde à quelques secondes après le début du refroidissement.

En outre, le traitement d’activation se fait simultanément à l’étape d’ajout d’une couche, que ce soit celle de rang n ou de rang n+1. Le dispositif d’activation peut alors avantageusement être couplé au dispositif de réalisation de couche, par exemple intégré sur celui-ci et/ou placé sur le même bras robotique. Les deux dispositifs peuvent être pilotés simultanément, ce qui facilite l’opération de pilotage et simplifie la machine.

Au cours du procédé, l’activation par plasma peut être réalisée uniquement sur la face de la couche de rang n destinée à être en contact avec la couche de rang n+1.

Dans ce cas, l’activation ne se fait que d’un seul côté de chaque couche, ce qui est facile à réaliser avec un équipement simple et peu coûteux, comme une buse plasma de type barrette par exemple.

L’activation est néanmoins suffisante car elle crée des sites réactifs dans la partie de la couche n qui se retrouvera en contact avec la couche n +1. A chaque interface entre deux couches successives, l’une des couches comporte donc sur sa face de contact des sites réactifs améliorant le soudage entre les deux couches.

Selon un autre exemple, l’activation par plasma peut être réalisée sur toutes les faces de la couche de rang n.

Dans ce cas, l’activation est complète sur l’ensemble des faces extérieures des couches. A chaque interface entre deux couches successives, les deux couches comportent des sites réactifs sur leur face de contact. Le soudage entre les deux couches est donc encore amélioré.

Le procédé selon l’invention est avantageusement compatible avec tout type de fabrication additive par ajout de couches superposées à base de matériau polymère thermoplastique.

Il peut s’agir par exemple d’un procédé de fabrication additive par extrusion (« Extrusion Additive Manufacturing » en anglais) que ce soit par dépôt de filaments, également appelé dépôt de fils fondus (« Fused Filament Fabrication » ou « Filament Deposition Molding »^TMen anglais), ou par extrusion à partir d’autres types de matière solide ou liquide, notamment à partir de cartouches cylindriques, de pâte ou de granulés (fabrication par granulés fondus ou « Fused Granular Fabrication » en anglais).

Il peut s’agir également d’un procédé de fabrication additive par dépôt de bandes, c’est-à-dire d’un dépôt couche par couche de bandes de largeur quelconque formées préalablement, notamment de bandes composites imprégnées de résine polymère thermoplastique, comme un procédé de placement de fibres automatisé (« Automated Fiber Placement » ou « micro Automated Fiber Placement » en anglais), ou un procédé de nappage ou superposition de bandes automatisé(e) (« Automated Tape Layup » en anglais).

Il peut s’agir encore par exemple d’un procédé de fabrication additive par frittage de poudres tel que le frittage sélectif par laser (« Selective Laser Sintering » en anglais).

Un second aspect de l’invention concerne une machine de fabrication additive permettant la mise en œuvre d’un tel procédé. Cette machine comprend un dispositif de réalisation de couche capable d’ajouter des couches à base de matériau polymère thermoplastique les unes sur les autres de manière à former une superposition de N couches, avec N≥ 2, chaque couche ayant un rang dans la superposition allant de 1 à N, et un dispositif d’activation qui comprend au moins une buse plasma agencée de manière à pouvoir activer le matériau polymère thermoplastique de chaque couche de rang n, avec 1≤n<N, avant que ce matériau soit recouvert par la couche de rang n+1.

Cette machine peut être par exemple une machine de fabrication additive par extrusion, notamment une machine de fabrication par dépôt de filaments, de fils fondus ou de granulés fondus, ou encore une machine de fabrication additive par de dépôt de bandes préalablement formées, notamment une machine de placement de fibres automatisé, de micro-placement de fibres automatisé ou de superposition de bandes automatisé, ou encore une machine de fabrication additive par frittage sélectif par laser.

Avantageusement, la buse plasma de cette machine peut être une buse rotative ou une buse annulaire.

Dans une buse rotative l’angle de sortie du plasma est modifiable, ce qui permet avantageusement de traiter une plus grande largeur de matière et de répartir uniformément l’effet du plasma sur toute la surface à traiter. Avec une unique buse rotative, on peut ainsi traiter des bandes larges ou plusieurs bandes ou filaments simultanément, notamment si la machine comporte plusieurs têtes d’extrusion, ou les cordons aller et retour d’un même filament. On évite ainsi d’avoir à utiliser plusieurs buses plasma.

Une buse annulaire permet avantageusement de réaliser un traitement d’activation sur toutes les faces de la couche à traiter. En effet, la buse annulaire projette le plasma de sa circonférence vers l’intérieur de l’anneau où passe la matière thermoplastique, activant ainsi toutes les faces de la couche correspondante.

Alternativement, une buse rotative susceptible de tourner autour de la matière thermoplastique permet également de réaliser un tel traitement sur toutes les faces de la couche concernée.

Avantageusement, la buse plasma peut être liée directement ou indirectement au dispositif de réalisation de couche, de manière que la buse plasma se déplace avec le dispositif de réalisation de couche.

La buse plasma est ainsi pilotée avec le dispositif de réalisation de couche, ce qui simplifie la machine.

La buse plasma peut par exemple être directement placée sur le dispositif de réalisation de couche ou sur le même bras robotique que celui-ci. Elle y est généralement fixée par des moyens standards, notamment de vissage ou de clipsage. En cas d’encombrement, la buse plasma peut également être déportée par rapport dispositif de réalisation de couche.

Lorsqu’elle est liée au dispositif de réalisation de couche, la buse plasma peut par exemple être positionnée en amont de ce dispositif. Dans ce cas, la buse projette du plasma sur la partie non encore recouverte de la couche n précédemment ajoutée, pendant que le dispositif de réalisation de couche ajoute la couche n+1.

Selon un autre exemple, la buse plasma peut être positionnée en aval du dispositif de réalisation de couche. Dans ce cas, la buse projette du plasma sur la partie de la couche n que le dispositif de réalisation de couche vient juste d’ajouter.

Selon encore un autre exemple, la buse plasma peut être positionnée alternativement en amont et en aval du dispositif de réalisation de couche.

Cette situation se produit lorsque la buse plasma est liée à un dispositif de réalisation de couche qui ne pivote pas lorsqu’il arrive en bout de course, mais repart en sens inverse après s’être décalé latéralement.

L’amont et l’aval sont définis par rapport au sens de déplacement du dispositif de réalisation de couche.

Avantageusement, la buse plasma de cette machine peut également être agencée de manière à pouvoir activer le matériau polymère thermoplastique avant qu’il n’atteigne le dispositif de réalisation de couche.

Dans ce cas la buse plasma peut avantageusement être fixe et indépendante du dispositif de réalisation de couche.

L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.

FIG. 1,FIG. 2etFIG. 3sont des vues en perspective schématiques de trois variantes d’une machine de fabrication additive par dépôt de filaments à une tête d’extrusion, avec respectivement une buse plasma en amont du dispositif de réalisation de couche, une buse plasma en aval du dispositif de réalisation de couche, et une buse plasma annulaire.

FIG. 4est une vue en perspective schématique d’une machine de fabrication additive par dépôt de filaments à deux têtes d’extrusion avec une buse plasma en amont du dispositif de réalisation de couche.

FIG. 5,FIG. 6etFIG. 7sont des vues de côté schématiques d’une machine de fabrication additive par placement de fibres automatisé, avec une buse plasma qui active une couche déjà déposée respectivement en amont pour laFIG. 5et en aval pour laFIG. 6du dispositif de réalisation de couche, et une buse plasma qui active une couche pas encore déposée pour laFIG. 7.

FIG. 8etFIG. 9sont des vues en perspective schématiques de deux variantes d’une machine de fabrication additive par frittage sélectif par laser, avec respectivement une buse plasma qui active une couche déjà solidifiée par laser dans le bac de construction et une buse plasma qui active la poudre dans le bac de réserve.

DESCRIPTION DETAILLEE

Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.

On a représenté sur les figures plusieurs exemples de machine de fabrication additive 1 selon l’invention : une machine de fabrication additive par dépôt de filaments 2 sur les figures 1 à 4, une machine par placement de fibres automatisé 3 sur les figures 5 à 7 et une machine par frittage sélectif par laser 31 sur les figures 8 et 9.

Bien que l’invention n’ait été illustrée que dans ce cadre, il est évidemment possible de la mettre en œuvre avec d’autres types de machine de fabrication additive.

La machine de fabrication additive par dépôt de filaments 2 représentée comprend une enceinte 4 renfermant un plateau 5 mobile verticalement sur lequel un objet 6 est fabriqué.

Un dispositif de réalisation de couche 7, qui est ici un dispositif de dépose, vient déposer couche par couche, sur le plateau 5, la matière constitutive de l’objet 6. Cette matière, à base d’un matériau polymère thermoplastique 8, se présente dans cet exemple sous la forme d’un filament 9 déroulé d’une bobine 10 et tiré jusqu’à une tête d’extrusion 11 du dispositif de réalisation de couche 7.

La tête d’extrusion 11 comporte des éléments chauffants 12 qui font fondre le matériau du filament et une buse d’extrusion 13 à travers laquelle la matière fondue est extrudée.

En se déplaçant au-dessus du plateau 5 dans le plan horizontal, la tête d’extrusion 11 dépose un cordon de matière qui forme par juxtaposition une couche 14 de l’objet 6.

Le passage d’une couche à la couche supérieure de la superposition se fait par un mouvement vertical du plateau 5 vers le bas ou de la tête d’extrusion 11 vers le haut. En se déplaçant dans le plan horizontal, la tête d’extrusion 11 dépose ensuite le cordon de matière constitutif de la couche supérieure n+1 par-dessus la couche précédente n. Ce processus est répété jusqu’à fabrication complète de l’objet 6.

Sur l’exemple représenté, les couches 14 de l’objet 6 sont horizontales. Cependant, avec un outillage plus sophistiqué, il est possible de les réaliser non-planaires en les superposant selon le même principe à la surface d’un support non plan, jusqu’à fabrication complète de l’objet souhaité.

La machine de fabrication additive par dépôt de filaments 2 comprend en outre un dispositif d’activation 15 comportant une buse plasma 16 qui émet un jet de plasma 17 capable d’activer le matériau polymère thermoplastique 8.

Différentes buses plasma 16 peuvent être utilisées, par exemple une buse de type barrette, une buse annulaire 18 ou encore une buse rotative 19.

Dans les exemples des figures 1 et 2, la buse plasma 16 est liée à la tête d’extrusion 11 de manière à en suivre le déplacement symbolisé par la flèche 20.

Sur laFIG. 1, la buse plasma 16 est placée en amont de la tête d’extrusion 11. Elle projette son jet de plasma 17 sur la couche n-1 précédemment déposée, juste avant qu’elle ne soit recouverte par le nouveau cordon sortant de la tête d’extrusion 11 qui effectue le dépôt de la couche n suivante de la superposition.

Sur laFIG. 2, la buse plasma 16 est disposée en aval de la tête d’extrusion 11. Elle projette son jet de plasma 17 sur le cordon que la tête d’extrusion 11 vient juste d’extruder, et donc sur la couche n que la tête d’extrusion 11 est en train de déposer.

Dans l’exemple de laFIG. 3, la buse plasma 16 est indépendante de la tête d’extrusion. Il s’agit d’une buse annulaire 18 qui délimite un volume intérieur creux 20 dans lequel est généré le jet de plasma. Le filament 9 issu de la bobine 10 traverse ce volume intérieur creux 21 et y subit une activation par plasma de son matériau polymère thermoplastique 8, avant d’atteindre la tête d’extrusion 11.

Dans l’exemple de laFIG. 4, le dispositif de réalisation de couche 7 de la machine de fabrication additive par dépôt de filaments 2 et un dispositif de dépose qui comprend deux têtes d’extrusion 11, avec à chaque fois des éléments chauffants 12 et une buse d’extrusion 13, chacune de ces têtes d’extrusion 11 étant alimentée par un filament 9a, 9b provenant d’une bobine 10a, 10b différente.

Une telle machine permet par exemple de réaliser des objets 6 plus complexes avec des parties en porte à faux. L’un des filaments, appelé filament principal 9a, sert à imprimer l’objet 6, alors le deuxième filament, appelé filament support 9b, permet d’imprimer une structure support 22 servant d’appui pour les couches en porte-à-faux de l’objet 6. Une fois la fabrication terminée, cette structure support 22 est retirée de l’objet 6, par exemple en la dissolvant dans un solvant approprié.

La machine comporte en outre un dispositif d’activation 15 comprenant une buse plasma 16 qui active le matériau polymère thermoplastique 8 du filament principal 9a.

Avantageusement, la buse plasma 16 peut être une buse rotative 19, capable d’activer le matériau polymère thermoplastique des deux filaments 9a et 9b par une variation de l’angle de sortie du jet de plasma 17.

Alternativement, il est possible de prévoir deux buses plasma 16, une pour chacun des filaments 9a et 9b, ou une buse plasma à jet large capable d’activer simultanément les deux filaments 9a et 9b.

Dans l’exemple de laFIG. 4, la buse plasma 16 est liée aux têtes d’extrusion 11 et disposée en amont de celles-ci.

La machine de fabrication additive par placement de fibres automatisé 3 représentée sur les figures 5 à 7 comprend un outillage support 23 sur lequel un dispositif de réalisation de couche 7 vient empiler des bandes 24 imprégnées de matériau polymère thermoplastique afin de constituer les différentes couches 14 de l’objet 6 à fabriquer.

Le dispositif de réalisation de couche 7 comprend une source laser 25 et un rouleau de compactage 26 qui se déplacent dans le sens de la flèche 27.

Lors de l’étape d’ajout d’une bande 24 appartenant à la couche n de l’empilement, la source laser 25 vient chauffer par son rayonnement laser 28 la face inférieure 29 de la bande 24 de la couche n en cours d’ajout et la face supérieure 30 de la bande 24 de la couche n-1 préalablement ajoutée, pour faire fondre localement le matériau polymère thermoplastique de ces bandes.

La face inférieure 29 de la bande 24 de la couche n et la face supérieure 30 de la bande de la couche n-1 sont ensuite mises en contact et pressées l’une contre l’autre par le rouleau de compactage 26 pour les souder entre-elles.

La machine 3 comprend également un dispositif d’activation 15 avec au moins une buse plasma 16.

Dans l’exemple de laFIG. 5, la buse plasma 16 se déplace avec le dispositif de réalisation de couche 7. Elle est par exemple fixée au bras portant la source laser 25.

La buse plasma 16 est disposée en amont du dispositif de réalisation de couche 7 et active par son jet de plasma 17 la face supérieure 30 de la bande 24 de la couche n-1 déjà ajoutée, avant qu’elle ne soit réchauffée par le rayonnement laser 28 et recouverte par la bande 24 de la couche n en cours d’ajout.

Dans l’exemple de laFIG. 6, la buse plasma est disposée en aval du dispositif de réalisation de couche 7 et active par son jet de plasma 17 la face supérieure 30 de la bande 24 de la couche n en cours d’ajout.

La buse plasma 16 est lié au dispositif de réalisation de couche 7 et se déplace avec lui. Elle est par exemple fixée au support du rouleau de compactage 26.

Dans l’exemple de laFIG. 7, la buse plasma 16 vient activer une portion de la bande 24 qui n’a pas encore atteint le dispositif de réalisation de couche 7 et donc avant qu’elle n’ait été réchauffée par le rayonnement laser 28 et pressée par le rouleau de compactage 26.

La machine de fabrication additive par frittage de poudres par laser 31 (« Selective Laser Sintering » ou SLS en anglais) représentée sur les figures 8 et 9 permet de construire couche par couche l’objet 6 à fabriquer à partir d’un matériau polymère thermoplastique 8 sous forme de poudre 32.

La machine 31 comprend un bac de réserve 33 qui sert de réservoir de stockage pour la poudre pas encore utilisée, un bac de construction 34 qui est le bac principal dans lequel se produit la fabrication additive et un bac de récupération 35 dans lequel le surplus de poudre est récupéré.

Les fonds, respectivement 36, 37 et 38, des bacs de réserve 33, de construction 34 et de récupération 35 sont mobiles verticalement afin d’augmenter ou de diminuer la contenance du bac concerné.

Le dispositif de réalisation de couche 7 comprend une source laser 25, dont le rayon 39 est orienté précisément par un miroir incliné 40 vers la surface du bac de construction 34, et un racleur 41 qui se déplace horizontalement à la surface des bacs en poussant la poudre.

Pour réaliser la couche 14 de rang n de la fabrication, le racleur 41 commence par étaler de la poudre 32 provenant du bac de réserve 33 à la surface du bac de construction 34. Puis la source laser 25 vient solidifier cette couche de rang n en chauffant et fusionnant localement le matériau polymère thermoplastique 8 de la poudre 32 uniquement selon le tracé de la couche n de l’objet 6.

Le fond 37 du bac de construction descend alors de l’épaisseur d’une couche 14, tout comme celui 38 du bac de récupération, tandis que le fond 36 du bac de réserve 33 remonte. Le processus peut alors recommencer de la même façon pour la couche suivante n+1.

La machine 31 comprend également un dispositif d’activation 15 avec au moins une buse plasma 16.

Dans l’exemple de laFIG. 8, la buse plasma 16 active par son jet de plasma 17 le matériau polymère thermoplastique 8 qui se trouve dans le bac de construction 34.

La buse plasma 16 peut, comme représenté, être placée en aval du rayon laser 39 et activer la couche 14 de rang n déjà solidifiée par la source laser 25. Dans ce cas, l’activation se fait donc après l’ajout de la couche de rang n.

Alternativement, la buse plasma peut être disposée en amont du rayon laser 39 et activer la poudre 32, déjà mise en place par le racleur 40 pour former la couche 14 de rang n, mais avant sa solidification par la source laser 25. Dans ce cas, l’activation se fait pendant l’ajout de la couche de rang n.

Dans l’exemple de laFIG. 9, la buse plasma 16 active le matériau polymère thermoplastique 8 de la poudre 32 qui se trouve dans le bac de réserve 33, avant que le racleur 40 ne l’emmène dans le bac de construction 34. L’activation se fait donc avant l’ajout de la couche de rang n.

Avantageusement, l’invention n’est pas limitée à un type de plasma particulier et différentes sources de plasma peuvent être utilisées de manière satisfaisante. On peut citer à titre d’exemple la solution Openair-Plasma® commercialisée par la société PLASMATREAT comme étant parfaitement adaptée.

La puissance de la source plasma étant généralement fixe et différente selon l’appareil utilisé, la personne du métier pourra aisément optimiser les autres paramètres d’activation, à savoir la distance entre la buse plasma 16 et le matériau 8 à activer, ainsi que la vitesse de défilement (vitesse d’avance du filament, de dépose de la bande ou de déplacement de la buse plasma…), afin de les adapter à la puissance de la source plasma utilisée et à la nature du matériau polymère thermoplastique 8 considéré afin d’obtenir une activation satisfaisante de ce dernier.

Pour cela, il lui suffira par exemple de comparer la tension de surface initiale du matériau à celle de ce même matériau après traitement par plasma en faisant varier ces paramètres et d’appliquer ensuite, pour la fabrication additive, le paramétrage conférant la tension de surface la plus importante. Cette tension de surface pourra être mesurée de façon classique à l’aide d’encres calibrées ou d’un goniomètre.

A titre d’exemple, avec un matériau polymère thermoplastique 8 en polyétherimide (PEI) et une source plasma de type Openair-Plasma® d’environ 5kW de puissance, une distance préférentielle comprise entre 15 et 25 mm a été déterminée, avec une vitesse de défilement de 10 à 50 mm par seconde pour un traitement avec une buse classique de 3 à 5 mm (traitement quasi « ponctuel ») ou de 100 mm par seconde avec deux buses juxtaposées (traitement sur une plus grande longueur).

Avec de tels paramètres, la tension de surface du PEI passe avantageusement d’une valeur de 56mN/m mesurée initialement à une valeur supérieure à 75 mN/m mesurée après traitement.

Claims (10)

1. Procédé de fabrication additive par ajout de couches (14) à base de matériau polymère thermoplastique (8) les unes sur les autres de manière à former une superposition de N couches (14), avec N≥ 2, chaque couche (14) ayant un rang dans la superposition allant de 1 à N, procédé caractérisé en ce que le matériau polymère thermoplastique (8) de chaque couche (14) de rang n, avec 1≤n<N, est activé par plasma avant d’être recouvert par la couche de rang n+1, cette activation pouvant se faisant avant, pendant ou après l’ajout de la couche de rang n.
2. Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau polymère thermoplastique (8) de la couche (14) de rang n est activé par plasma avant l’étape d’ajout de la couche (14) de rang n.
3. Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau polymère thermoplastique (8) de la couche (14) de rang n est activé par plasma pendant l’étape d’ajout de la couche (14) de rang n sur une portion déjà ajoutée de la couche (14) de rang n.
4. Procédé de fabrication additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau polymère thermoplastique (8) de la couche (14) de rang n est activé par plasma pendant l’étape d’ajout de la couche (14) de rang n+1, sur une portion encore non recouverte de la couche (14) de rang n.
5. Procédé de fabrication additive selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’activation par plasma est réalisée sur toutes les faces de la couche (14) de rang n ou uniquement sur la face de la couche (14) de rang n qui est destinée à être en contact avec la couche (14) de rang n+1.
6. Procédé de fabrication additive selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il s’agit d’un procédé de fabrication additive par extrusion, préférentiellement par dépôt de filaments, ou d’un procédé de fabrication additive par dépôt de bandes, ou d’un procédé de fabrication additive par frittage de poudres par laser.
7. Machine de fabrication additive (1) permettant la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’elle comprend un dispositif de réalisation de couche (7) capable d’ajouter des couches (14) à base de matériau polymère thermoplastique (8) les unes sur les autres de manière à former une superposition de N couches (14), avec N≥ 2, chaque couche (14) ayant un rang dans la superposition allant de 1 à N, et un dispositif d’activation (15) qui comprend au moins une buse plasma (16) agencée de manière à pouvoir activer le matériau polymère thermoplastique (8) de chaque couche (14) de rang n, avec 1≤n<N, avant qu’il ne soit recouvert par la couche de rang n+1.
8. Machine de fabrication additive (1) selon la revendication 7 caractérisée en ce que la buse plasma (16) est une buse rotative (19) ou une buse annulaire (18).
9. Machine de fabrication additive (1) selon la revendication 7 ou 8 caractérisée en ce que la buse plasma (16) est liée directement ou indirectement au dispositif de réalisation de couche (7), de manière que la buse plasma (16) se déplace avec le dispositif de réalisation de couche (7).
10. Machine de fabrication additive (1) selon la revendication 9 caractérisée en ce que la buse plasma (16) est positionnée en amont ou en aval ou alternativement en amont et en aval du dispositif de réalisation de couche (7), par rapport au sens de déplacement du dispositif de réalisation de couche (7).