WO2013167448A1 - Utilisation d'un alliage metallique complexe a base d'aluminium pour la stereolithographie - Google Patents

Utilisation d'un alliage metallique complexe a base d'aluminium pour la stereolithographie Download PDF

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metal alloy
complex metal
aluminum
photopolymerizable resin
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Samuel Kenzari
Adnene SAKLY
David Bonina
Serge Corbel
Vincent Fournee
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Lorraine
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Lorraine
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Definitions

  • the present invention relates to the use of a blend of a photopolymerizable resin and an aluminum complex metal alloy in a photopolymerization stereolithography process or three-dimensional photopolymerization printing.
  • It also relates to a process for producing a three-dimensional part by stereolithography by photopolymerization, said method comprising a step of solidification, layer by layer, of said three-dimensional part in a liquid medium comprising a mixture of a resin photopolymerizable and complex aluminum alloy metal alloy, by exposing said liquid medium to ultraviolet radiation, and a three-dimensional piece obtained by this method.
  • the present invention finds applications particularly in the field of prototyping.
  • references in brackets ([]) refer to the list of references at the end of the examples.
  • Rapid prototyping involves the physical fabrication of a three-dimensional object from computer modeling. This field is in full expansion and seeks to standardize three-dimensional printing currently not very accessible due to the costs of rapid prototyping devices.
  • Stereolithography is a rapid prototyping process, born in the 1980s, that consists of making an object in three dimensions by superposition of polymer layers, usually epoxy resins.
  • the fabrication of three-dimensional objects by stereolithography is performed layer by layer about 100 microns thick by scanning a focused ultraviolet laser beam at the surface of a liquid resin bath.
  • the trajectory of the beam corresponding to the geometric pattern of each of the layers is controlled by software describing the geometry of the objects to be produced.
  • Objects made from current resins are very fragile.
  • objects currently manufactured by stereolithography have a very low resistance to wear and friction, making the stereolithography processes unattractive.
  • the present invention precisely meets this need of the prior art by providing means to reduce production costs three-dimensional objects by stereolithography or by three-dimensional printing by photopolymerization, while improving the mechanical properties of the objects produced.
  • the present invention particularly relates to the use of a mixture of a photopolymerizable resin and an aluminum-based complex metal alloy in a stereolithography process by photopolymerization or by three-dimensional printing by photopolymerization.
  • photopolymerization stereolithography method means any stereolithography process as well as any three-dimensional printing process using ultraviolet radiation. In other words, it is any layer-by-layer production process of a three-dimensional object, in particular from a photopolymerizable resin. This may be for example a three-dimensional printing process by light-curing, for example a Multiple jet patterning (MJM) printing method or UV printing method of liquid resin layer.
  • JM Multiple jet patterning
  • the aluminum complex metal alloy comprises an atomic percentage of aluminum greater than 50%.
  • the complex metal alloy based on aluminum can be defined as a quasi-crystalline aluminum alloy.
  • the term "quasi-crystalline alloy” means an alloy which comprises one or more quasi-crystalline phases which are either quasi-crystalline phases in the strict sense or approximate phases.
  • the quasicrystalline phases in the strict sense are phases exhibiting symmetries of rotation normally incompatible with translational symmetry, that is to say axis of rotation symmetries of order 5, 8, 10 or 12, these symmetries being revealed by diffraction techniques.
  • the approximative phases or approximate compounds are true crystals insofar as their crystallographic structure remains compatible with translational symmetry, but which exhibit, in the electron diffraction pattern, diffraction patterns whose symmetry is close to one another. symmetry of order 5, 8, 10 or 12. These are phases characterized by an elementary cell containing several tens, or even hundreds of atoms, and whose local order presents arrangements of almost icosahedral or decagonal symmetry similar to the phases quasi-crystalline parents.
  • This orthorhombic phase d is said to approximate the decagonal phase.
  • the nature of the two phases can be identified by transmission electron microscopy.
  • This phase is an approximate phase of the icosahedral phase.
  • phase C of cubic structure, very often observed in coexistence with the approximate or quasi-crystalline phases true.
  • a diffraction pattern of this cubic phase has been published for a pure cubic phase sample and atomic composition AI 65 Cu2oFei 5 in number of atoms.
  • This phase is isotype of a hexagonal phase, noted ⁇ , found in Al-Mn alloys containing 40% by weight of Mn.
  • the cubic phase, its superstructures and the phases derived from them constitute a class of approximate phases of the quasi-crystalline phases of neighboring compositions.
  • the quasi-crystalline alloys of the Al-Cu-Fe system and the Al-Fe-Co-Cr system are particularly suitable for the implementation of the present invention.
  • the aluminum-based complex metal alloy is chosen from the group comprising Al 6 2 Cu 25.5 Fe 2 2.5, Al 5 9 Cu 25.5 Fe 2 2.5 B 3 , Al 2 Cl 2 Fe 2 Cr 2 O and Al 7. , Fe 3 8 iCoi2,8Cr 7, 8.
  • These complex alloys have the advantage of having tribological properties (friction and wear), surface (low surface energy), mechanical properties (hardness, yield strength and Young's modulus), thermal conductivity and electrical properties (high resistivity). , different from those of crystalline aluminum alloys.
  • alloys are marketed by Saint-Gobain.
  • the alloy AI 5 9Cu2 5.5 Fei2, 4 B3 is sold under the name Cristome F1
  • the alloy AI iCu9 7, 7 Fe8,7Cri 0, 6 is marketed under the name Cristome A1
  • the alloy AI 7 i, 3 Fe 8, iCo 2, 8Cr 7 , 8 is sold under the name Cristome BT1.
  • the volume fraction of complex metal alloy in the mixture may be between 5 and 50% (ie between 15 and 65% by weight of the total mixture), for example between 5 and 30%.
  • the volume fraction of complex metal alloy is between 10 and 20% of the mixture.
  • the particle size of the complex metal alloy may be between 1 and 50 ⁇ . Preferably, it is between 1 and 30 ⁇ , more preferably between 1 and 20 ⁇ .
  • any photopolymerizable resin suitable for stereolithography can be used.
  • the photopolymerizable resin may be selected from the group consisting of acrylate compounds, urethane acrylate compounds, epoxy compounds, epoxy acrylate compounds, vinyl ether compounds and a mixture of these compounds.
  • the photopolymerizable resin is selected from available resins such as: Accura® 60, Accura® 55, Accura® 25 from 3D Systems.
  • the volume fraction of photopolymerizable resin in the mixture may be between 50 and 95% (ie between 35 and 85% by weight of the total mixture), for example between 70 to 95%.
  • the volume fraction of photopolymerizable resin is between 80 and 90% of the mixture.
  • the mixture of a photopolymerizable resin and an aluminum complex metal alloy may comprise a polymerization initiator.
  • thermo-initiator such as azobisisobutyronitrile (AIBN).
  • AIBN azobisisobutyronitrile
  • the components of the mixture may be mixed by any suitable mixing means known to those skilled in the art.
  • the mixing means may be chosen from the group comprising a mixer (paint type) or a planetary mill.
  • the mixing means is a planetary mill, with a ratio of total mixture weight / bead weight of 2/1.
  • blend components means the components of the blend of a photopolymerizable resin and an aluminum complex metal alloy. It is at least the photopolymerizable resin and the complex metal alloy based on aluminum as defined in the present invention. It may also be, if it is present, the polymerization initiator.
  • the components of the mixture are mixed homogeneously.
  • the present invention also relates to a method for producing a three-dimensional part by stereolithography by photopolymerization, said method comprising a step of solidification, layer by layer, of said three-dimensional part in a liquid medium comprising a mixture of a photopolymerizable resin and a complex metal alloy based on aluminum, by exposing said liquid medium to ultraviolet radiation.
  • the aluminum complex metal alloy and the photopolymerizable resin are as defined in the present invention.
  • the method for producing a three-dimensional piece by stereolithography by photopolymerization according to the present invention can be implemented by any stereolithography device known to those skilled in the art. It may be for example a device branded 3D Systems under the trade name SLA 250 or iPro 8000 SLA.
  • the stereolithography device can be controlled by any appropriate software. This may be for example the 3D Systems control software.
  • the present invention also relates to a method for producing a three-dimensional part by three-dimensional printing by photopolymerization, said method comprising a step of solidification, layer by layer, of said three-dimensional part by successive steps of:
  • the aluminum complex metal alloy and the photopolymerizable resin are as defined in the present invention.
  • the method for producing a three-dimensional part by three-dimensional printing by light-curing according to the present invention can be carried out by any three-dimensional printing device known to those skilled in the art. It may be for example a 3D Systems brand device under the trade name 3-D In Vision.
  • the carrier may be any suitable carrier for three-dimensional printing by photopolymerization.
  • These supports are well known to those skilled in the art. It may be for example a wax support which has the advantage of being removable by heat treatment. Those skilled in the art understand that the support of the layers may also correspond to a layer that has been previously produced during the process.
  • the thickness of the layers produced during the solidification step may be between 20 and 120 ⁇ , for example between 25 and 100 ⁇ .
  • the thickness of the layers produced during the solidification step is between 40 and 80 ⁇ .
  • the wavelength of ultraviolet radiation is between 300 and 450 nm, preferably 355 nm.
  • the scanning speed of the ultraviolet radiation may be between 0.01 and 0.5 m / s, preferably 0.04 m / s.
  • the power of ultraviolet radiation can be between 100 mW (milliwatt) and 1 W, preferably 140 mW.
  • ultraviolet radiation adapted to the implementation of the method of the present invention, it is possible to mention the laser diode pumped Nd: YAG UV laser via an optical fiber (Model J40-X15SC-355Q-2, Spectra-Physics).
  • the stereolithography device implemented in the present invention comprises a thermostatable tray.
  • This thermostatable tray makes it possible to maintain the mixture of a photopolymerizable resin and a complex metal alloy based on aluminum at a predetermined temperature.
  • the thermostable tray holds the mixture of a photopolymerizable resin and an aluminum complex metal alloy in a liquid form.
  • the temperature of the mixture is maintained at a temperature between 20 and 30 ° C, preferably at a temperature of 27 ° C.
  • the present invention also relates to a three-dimensional part obtained by any of the methods of the present invention.
  • the present invention makes it possible in particular, with comparable mechanical properties, to reduce material costs for the manufacture of composite parts by stereolithography of the order of 30%.
  • the present invention makes it possible to obtain functional parts having a better resistance to friction (approximately 30%) and to wear (approximately 50%) in comparison with the composite parts currently manufactured by stereolithography.
  • FIG. 1 represents a diagram of a stereolithography device (A) at the beginning and (B) during a process for producing a three-dimensional part.
  • M represents the galvanometric mirrors
  • SFD represents the dynamic focusing system
  • UV represents the source of ultraviolet radiation
  • G represents the support grid
  • B represents a thermostable tank
  • Rs represents the solid resin forming a three-dimensional part
  • S represents the motorized support allowing to adjust the height of the support grid in the thermostatable tray
  • Z represents the displacement of the support grid along the motorized support "S”.
  • a composite blend comprising a mixture of a photosensitive resin powder and an aluminum complex metal alloy (CMA) powder was prepared.
  • CMA aluminum complex metal alloy
  • the photoresist used was an "Accura” resin marketed by the company 3D Systems. This resin is referred to as "SLA” in the examples.
  • CMA is a quasi-crystalline alloy AlCuFeB nominal atomic composition AI 5 9Cu2 5.5 Fei2,5B3 sold under the name Cristome F1 by Saint-Gobain, whose size is between 1 and 25 ⁇ .
  • This alloy consists of the phase of complex structure (icosahedral i) isostructural at phase i-AI 6 2Cu25.5Fei2.5 and a cubic isostructural phase at the phase -AI 5 o (CuFe) 5 o-
  • Example 2 Manufacture of three-dimensional objects (3D) made of composite material
  • a 3D object was prepared by UV irradiating a liquid medium prepared from the composite mixture shown in Example 1.
  • the stereolithography device used was a 3D Systems trademark device under the trade name SLA 250 or iPro 8000 SLA. A diagram of the device during its implementation is shown in Figure 1.
  • This device comprises in particular galvanometric mirrors
  • M a dynamic focusing system
  • SFD dynamic focusing system
  • G motorized support grid
  • B thermostable tray
  • scraper not shown in FIG.
  • the UV radiation used was a laser diode pumped Nd: YAG UV laser via an optical fiber (Model J40-X15SC-355Q-2, Spectra-Physics).
  • the wavelength was close to 355 nm.
  • the scanning speed of the laser beam was 0.04 m / s and its power was 140 mW.
  • the three-dimensional object was manufactured point by point by superposition of layers having a thickness of 50 ⁇ , by scanning the laser beam.
  • the trajectory of the laser beam, corresponding to the geometric pattern of a determined layer, was controlled by the software describing the geometry of the corresponding layer of the piece modeled in the software.
  • the first layer was made on the surface of the support grid ("G") when it was positioned just below the surface of the liquid medium ("RI", comprising the photopolymerizable resin and the CMA). Once the first layer was made, the support grid ("G") was lowered using the motorized support ("S") to make a second layer. The operation was repeated until the complete production of the three-dimensional object, modeled in the software.
  • Example 3 Properties of the obtained parts
  • the friction properties were measured using a micro tribometer of the pion / disc type marketed by CSM Instruments.
  • the wiper used was a steel ball (100Cr6) with a diameter of 6 mm.
  • the normal load on the wiper was 5 N.
  • the friction movement was circular with a radius of 5 mm.
  • the tests were carried out without lubrication, at atmospheric pressure and at 20 ° C.
  • the relative humidity was between 40 and 50%.
  • the surface of the samples was water-polished with SiC abrasive paper up to grade 4000. Then, the samples were ethanol-blotted and electric-kiln dried. Sample and ball surfaces were cleaned with acetone just prior to testing.
  • the rotational speed was 150 rpm.
  • the ratio of the lateral force to the normal force defines the coefficient of friction ⁇ .
  • the coefficient of friction of the three-dimensional objects obtained from the photopolymerizable resin / CMA mixture of Example 1 was compared, under the same experimental conditions, with three-dimensional objects obtained from photopolymerizable resin alone or from a resin reinforced by a ceramic (Bluestone marketed by 3D Systems).
  • the coefficient of friction measured using the tribometer shows a gain of about 30% for the mixture prepared in Example 1 compared to the resin alone or reinforced by a ceramic (Bluestone 3D Systems)
  • the results obtained show that the wiper (steel ball 100Cr6) is not worn by the three-dimensional objects obtained from the mixture of Example 1 or the resin alone, while it is very heavily used by three-dimensional objects obtained from the Bleustone resin.
  • the principle of the test is as follows: a 25 mm diameter cylindrical sample is placed in a standard rotating sample holder which is itself placed on a polishing disc (SiC 500, Struers). The polishing plate is driven with a speed of rotation of 150 rpm while the sample holder rotates at the same speed. The wear is translated by the difference in volume of the sample after the test.
  • the wear volume is similar to the samples obtained from the photopolymerizable resin / CMA mixture of Example 1.
  • the three-dimensional objects obtained from the photopolymerizable resin / CMA mixture of Example 1 have a bulk density measured by the mass / volume ratio of the piece which is close to 99% of the theoretical density.
  • Shore D hardness was measured according to the standard method ASTM D2240.
  • the three-dimensional objects obtained from the photopolymerizable resin / CMA mixture of Example 1 have an average Shore D hardness of 88 + 1 in comparison with that of the three-dimensional objects obtained from the resin alone (84 + 1) .

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Description

UTILISATION D'UN ALLIAGE METALLIQUE COMPLEXE A BASE D'ALUMINIUM POUR LA STEREOLITHOGRAPHIE
Domaine technique
La présente invention se rapporte à l'utilisation d'un mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium dans un procédé de stéréolithographie par photopolymérisation ou d'impression en trois dimensions par photopolymérisation .
Elle se rapporte également à un procédé de production d'une pièce en trois dimensions par stéréolithographie par photopolymérisation, ledit procédé comprenant une étape de solidification, couche par couche, de ladite pièce en trois dimensions dans un milieu liquide comprenant un mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium, par exposition dudit milieu liquide au rayonnement ultraviolet, ainsi qu'à une pièce en trois dimensions obtenue par ce procédé.
La présente invention trouve des applications notamment dans le domaine du prototypage.
Dans la description ci-dessous, les références entre crochets ([ ]) renvoient à la liste des références présentée à la fin des exemples.
Etat de la technique
Le prototypage rapide consiste en la fabrication physique d'un objet en trois dimensions à partir d'une modélisation informatique. Ce domaine est en pleine expansion et cherche à standardiser les impressions en trois dimensions actuellement peu accessibles en raison des coûts des dispositifs de prototypage rapide.
La stéréolithographie est un procédé de prototypage rapide, né dans les années 1980, qui consiste à fabriquer un objet en trois dimensions par superposition de couches de polymères, généralement des résines de type époxy.
La fabrication d'objets en trois dimensions par stéréolithographie est réalisée couche par couche d'environ 100 micromètres d'épaisseur par balayage d'un faisceau laser ultraviolet focalisé à la surface d'un bain de résine liquide. La trajectoire du faisceau correspondant au motif géométrique de chacune des couches est pilotée par logiciel décrivant la géométrie des objets à produire.
Des procédés classiques de stéréolithographie sont présentés notamment dans le brevet américain US 4,575,330 [1].
Les objets fabriqués à partir des résines actuelles sont très fragiles. En particulier, les objets actuellement fabriqués par stéréolithographie présente une très faible résistance à l'usure et aux frottements, rendant les procédés de stéréolithographie peu attrayants.
Des résines composites, renforcées par des particules céramiques ou de silice colloïdale, ont été mises au point pour améliorer les propriétés mécaniques des objets produits. Toutefois, le coût excessif de ces résines composites n'est pas compatible avec une exploitation commerciale.
Il n'existe pas à l'heure actuelle de résine composite pour stéréolithographie permettant de produire à faible coût des objets en trois dimensions ayant une résistance aux frottements et à l'usure qui soit satisfaisante.
Il existe donc un réel besoin de développer des résines composites palliant ces défauts, inconvénients et obstacles de l'art antérieur, en particulier de réduire les coûts de production d'objets en trois dimensions par stéréolithographie, tout en améliorant la résistance mécanique de ces objets.
Exposé de l'invention
La présente invention répond précisément à ce besoin de l'art antérieur en fournissant des moyens de réduire les coûts de production d'objets en trois dimensions par stéréolithographie ou par impression en trois dimensions par photopolymérisation, tout en améliorant les propriétés mécaniques des objets produits.
De manière totalement inattendue, les inventeurs ont découvert que des alliages métalliques complexes à base d'aluminium permettent, lorsqu'ils sont mélangés à une résine photopolymérisable de produire par stéréolithographie des pièces en trois dimensions présentant des caractéristiques mécaniques remarquables. En effet, jusqu'à présent, l'utilisation d'alliages d'aluminium conventionnels rend normalement impossible la construction d'une pièce composite à base de matrice résine et de particules d'aluminium en trois dimensions par stéréolithographie ou par impression en trois dimensions par photopolymérisation, car la profondeur de pénétration du rayonnement ultraviolet dans la résine liquide photopolymérisable est fortement limitée par la présence des particules d'aluminium. Des essais ont montré qu'il était impossible d'obtenir un objet en trois dimensions par stéréolithographie contenant des particules d'aluminium à des taux similaires à celui des alliages métalliques complexes à base d'aluminium utilisés dans la présente.
Ainsi, la présente invention a notamment pour objet, l'utilisation d'un mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium dans un procédé de stéréolithographie par photopolymérisation ou par impression en trois dimensions par photopolymérisation .
Dans la présente, on entend par « procédé de stéréolithographie par photopolymérisation », tout procédé de stéréolithographie ainsi que tout procédé d'impression en trois dimensions utilisant un rayonnement ultraviolet. En d'autres termes, il s'agit de tout procédé de production couche par couche d'un objet en trois dimensions à partir notamment d'une résine photopolymérisable. Il peut s'agir par exemple d'un procédé d'impression en trois dimensions par photopolymérisation, par exemple un procédé d'impression en modelage à jets multiples (MJM) ou un procédé d'impression par flashage UV de couche de résine liquide.
De préférence, l'alliage métallique complexe à base d'aluminium comprend un pourcentage atomique d'aluminium supérieur à 50 %.
Selon l'invention, l'alliage métallique complexe à base d'aluminium peut être défini comme étant un alliage d'aluminium quasi-cristallin.
Dans la présente, on entend par « alliage quasi-cristallin », un alliage qui comprend une ou plusieurs phases quasi cristallines qui sont soit des phases quasi-cristallines au sens strict, soit des phases approximantes. Les phases quasi-cristallines au sens strict sont des phases présentant des symétries de rotation normalement incompatibles avec la symétrie de translation, c'est-a-dire des symétries d'axe de rotation d'ordre 5, 8, 10 ou 12, ces symétries étant révélées par les techniques de diffraction. A titre d'exemple, on peut citer la phase icosaédrique de groupe ponctuel m3 5 et la phase décagonale de groupe ponctuel 10/mmm.
Les phases approximantes ou composés approximants sont des cristaux vrais dans la mesure ou leur structure cristallographique reste compatible avec la symétrie de translation, mais qui présentent, dans le cliché de diffraction d'électrons, des figures de diffraction dont la symétrie est proche d'une symétrie d'ordre 5, 8, 10 ou 12. Ce sont des phases caractérisées par une maille élémentaire contenant plusieurs dizaines, voir plusieurs centaines d'atomes, et dont l'ordre local présente des arrangements de symétrie presque icosaédrique ou décagonale similaire aux phases quasi-cristallines parentes.
Parmi ces phases, on peut citer à titre d'exemple la phase orthorhombique Oi, caractéristique d'un alliage ayant la composition atomique AI65Cu2oFeioCr5, dont les paramètres de maille en nm sont : ao(1 ) = 2,366, b0 (1 ) = 1 ,267, c0 (1 ) = 3,252. Cette phase orthorhombique d est dite approximante de la phase décagonale. La nature des deux phases peut être identifiée par microscopie électronique en transmission. On peut également citer la phase rhomboédrique de paramètres aR = 3,208 nm, a = 36°, présente dans les alliages de composition atomique voisine de AI64Cu24Fei2. Cette phase est une phase approximante de la phase icosaédrique.
On peut aussi citer des phases O2 et O3 orthorhombiques de paramètres respectifs en nm ao(2) = 3,83 ; bo(2) = 0,41 ; Co(2) = 5,26 ainsi que a0 (3) = 3,25 ; b0 (3) = 0,41 ; c0 (3) = 9,8, présentes dans un alliage de composition atomique AI63Cui7,5Coi7,5Si2 ou encore la phase orthorhombique O4 de paramètres en nm ao(4) = 1 ,46 ; bo(4) = 1 ,23 ; Co(4) = 1 ,24, qui se forme dans l'alliage dont la composition atomique est
Figure imgf000007_0001
On peut encore citer une phase C, de structure cubique, très souvent observée en coexistence avec les phases approximantes ou quasi-cristallines vraies. Cette phase, qui se forme dans certains alliages Al-Cu-Fe et Al-Cu-Fe-Cr, consiste en une substructure, par effet d'ordre chimique des éléments d'alliage par rapport aux sites d'aluminium, d'une phase de structure type Cs-CI et de paramètre de réseau a<\ = 0,297 nm. Un diagramme de diffraction de cette phase cubique a été publié pour un échantillon de phase cubique pure et de composition atomique AI65Cu2oFei5 en nombre d'atomes.
On peut aussi citer une phase H de structure hexagonale qui dérive directement de la phase C comme le démontrent les relations d'épitaxie observées par microscopie électronique entre cristaux des phases C et H et les relations simples qui relient les paramètres des réseaux cristallins, à savoir aH = 3 /2α1 / 3 (à 4,5 % prés) et cH = 3 /2α1 12
(à 2,5 % prés). Cette phase est isotype d'une phase hexagonale, notée ΦΑΙΜη, découverte dans des alliages Al-Mn contenant 40% en poids de Mn.
La phase cubique, ses surstructures et les phases qui en dérivent, constituent une classe de phases approximantes des phases quasi- cristallines de compositions voisines. Les alliages quasi-cristallins du système Al-Cu-Fe et du système Al-Fe-Co-Cr sont particulièrement appropriés pour la mise en œuvre de la présente invention.
De préférence, selon l'invention, l'alliage métallique complexe à base d'aluminium est choisi dans le groupe comprenant AI62Cu25,5Fei2,5, AI59Cu25,5Fei2,5B3, AI/iCugjFesjCrio.e et AI7i ,3Fe8,iCoi2,8Cr7,8. Ces alliages complexes ont pour avantage de posséder des propriétés tribologiques (frottement et usure), de surface (faible énergie de surface), mécaniques (dureté, limite d'élasticité et module d'Young), de conductivité thermique et électriques (résistivité élevée), différentes de celles des alliages d'aluminium cristallins.
Ces alliages sont commercialisés par la société Saint-Gobain. En particulier, l'alliage AI59Cu25,5Fei2,4B3 est commercialisé sous la dénomination Cristome F1 , l'alliage AI7iCu9,7Fe8,7Cri0,6 est commercialisé sous la dénomination Cristome A1 , et l'alliage AI7i,3Fe8,iCoi2,8Cr7,8 est commercialisé sous la dénomination Cristome BT1 .
La fraction volumique d'alliage métallique complexe dans le mélange peut être comprise entre 5 et 50 % (soit entre 15 et 65 % en poids du mélange total), par exemple entre 5 et 30 %. De préférence, la fraction volumique d'alliage métallique complexe est comprise entre 10 et 20 % du mélange.
La granulométrie de l'alliage métallique complexe peut être comprise entre 1 et 50 μιτι. De préférence, elle est comprise entre 1 et 30 μιτι, de préférence encore entre 1 et 20 μιτι.
Selon l'invention, toute résine photopolymérisable adaptée à la stéréolithographie peut être utilisée. Par exemple, la résine photopolymérisable peut être choisie dans le groupe comprenant les composés acrylates, les composés uréthane-acrylates, les composés époxy, les composés époxy-acrylates, les composés vinyléthers et un mélange de ces composés. De préférence, la résine photopolymérisable est choisie parmi les résines disponibles telles que : Accura® 60, Accura® 55, Accura® 25 de 3D Systems.
La fraction volumique de résine photopolymérisable dans le mélange peut être comprise entre 50 et 95 % (soit entre 35 et 85 % en poids du mélange total), par exemple entre 70 à 95 %. De préférence, la fraction volumique de résine photopolymérisable est comprise entre 80 et 90 % du mélange.
Selon la présente invention, le mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium peut comprendre un initiateur de polymérisation.
A titre d'exemple d'initiateur de polymérisation, on peut citer un thermo-initiateur commercial tel que l'azobisisobutyronitrile (AIBN). Lorsque des initiateurs de polymérisation sont ajoutés dans le mélange, ils peuvent être ajoutés à une concentration comprise entre 0,75 et 2 % en poids du mélange.
Les composants du mélange peuvent être mélangés par tout moyen de mélange approprié connu de l'homme du métier. Par exemple, le moyen de mélange peut être choisi dans le groupe comprenant un malaxeur (type peinture) ou un broyeur planétaire. De préférence, le moyen de mélange est un broyeur planétaire, avec un ratio poids mélange total/poids billes de 2/1 .
Dans la présente, on entend par « composants du mélange », les constituants du mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium. Il s'agit au minimum de la résine photopolymérisable et de l'alliage métallique complexe à base d'aluminium tels que définis dans la présente invention. Il peut également s'agir, s'il est présent, de l'initiateur de polymérisation.
Avantageusement, selon l'invention, les composants du mélange, sont mélangés de façon homogène. Cela permet avantageusement d'obtenir des pièces présentant des propriétés mécaniques homogènes. La présente invention a également pour objet un procédé de production d'une pièce en trois dimensions par stéréolithographie par photopolymérisation ledit procédé comprenant une étape de solidification, couche par couche, de ladite pièce en trois dimensions dans un milieu liquide comprenant un mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium, par exposition dudit milieu liquide au rayonnement ultraviolet.
L'alliage métallique complexe à base d'aluminium et la résine photopolymérisable sont tels que définis dans la présente invention.
Le procédé de production d'une pièce en trois dimensions par stéréolithographie par photopolymérisation selon la présente invention peut être mise en œuvre par tout dispositif de stéréolithographie connu de l'homme du métier. Il peut s'agir par exemple d'un dispositif de marque 3D Systems sous la dénomination commerciale SLA 250 ou encore iPro 8000 SLA.
Le dispositif de stéréolithographie peut être piloté par tout logiciel approprié. Il peut s'agir par exemple du logiciel de pilotage de 3D Systems.
L'homme du métier est à même de mettre en œuvre le procédé de la présente invention. En effet, le principe général de la stéréolithographie est bien connu de l'homme du métier [1 ].
La présente invention a également pour objet un procédé de production d'une pièce en trois dimensions par impression en trois dimensions par photopolymérisation, ledit procédé comprenant une étape de solidification, couche par couche, de ladite pièce en trois dimensions par des étapes successives de :
a) dépôt d'un milieu liquide comprenant un mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium sur un support, et b) d'exposition dudit milieu liquide à un rayonnement ultraviolet. L'alliage métallique complexe à base d'aluminium et la résine photopolymérisable sont tels que définis dans la présente invention.
Le procédé de production d'une pièce en trois dimensions par impression en trois dimensions par photopolymérisation selon la présente invention peut être mise en œuvre par tout dispositif d'impression en trois dimensions connu de l'homme du métier. Il peut s'agir par exemple d'un dispositif de marque 3D Systems sous la dénomination commerciale 3-D In Vision.
Dans le procédé de production d'une pièce en trois dimensions par impression en trois dimensions par photopolymérisation selon la présente invention, le support peut être tout support approprié pour une impression en trois dimensions par photopolymérisation. Ces supports sont bien connus de l'homme du métier. Il peut s'agir par exemple d'un support en cire qui présente l'avantage de pouvoir être retiré par traitement thermique. L'homme du métier comprend que le support des couches peut également correspondre à une couche qui a été précédemment réalisé lors du procédé.
Selon l'invention, l'épaisseur des couches produites lors de l'étape de solidification peut être comprise entre 20 et 120 μιτι, par exemple entre 25 et 100 μιτι. De préférence, l'épaisseur des couches produites lors de l'étape de solidification est entre 40 et 80 μιτι.
L'homme du métier est à même de paramétrer le rayonnement ultraviolet. Typiquement, la longueur d'onde du rayonnement ultraviolet est comprise entre 300 et 450 nm, de préférence 355 nm. La vitesse de balayage du rayonnement ultraviolet peut être comprise entre 0,01 et 0,5 m/s, de préférence de 0,04 m/s. La puissance du rayonnement ultraviolet peut être comprise entre 100 mW (milliwatt) et 1 W, de préférence de 140 mW. A titre d'exemple de rayonnement ultraviolet adapté à la mise en œuvre du procédé de la présente invention, on peut citer le laser UV Nd:YAG pompé par diode laser par l'intermédiaire d'une fibre optique (Modèle J40-X15SC-355Q-2, Spectra-Physics).
Typiquement, le dispositif de stéréolithographie mise en œuvre dans la présente invention comprend un bac thermostatable. Ce bac thermostatable permet de maintenir le mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium à une température déterminée. Pour la mise en œuvre du procédé de la présente invention, le bac thermostatable maintient le mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium sous une forme liquide. Avantageusement, la température du mélange est maintenue à une température comprise entre 20 et 30°C, de préférence à une température de 27°C.
La présente invention a également pour objet une pièce en trois dimensions obtenue par l'un quelconque des procédés de la présente invention.
Ces pièces présentent des caractéristiques mécaniques surprenantes grâce à l'utilisation du mélange de la résine photopolymérisable et de l'alliage métallique complexe à base d'aluminium selon l'invention.
La présente invention permet notamment, à propriétés mécaniques comparables, de réduire des coûts de matière pour la fabrication de pièces composites par stéréolithographie de l'ordre de 30%.
En outre, la présente invention permet d'obtenir des pièces fonctionnelles présentant une meilleure résistance aux frottements (environ 30%) et à l'usure (environ 50%) en comparaison aux pièces composites actuellement fabriquées par stéréolithographie.
D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par la figure annexée, donnée à titre illustratif et non limitatif. Brève description des figures
- La figure 1 représente un schéma d'un dispositif de stéréolithographie (A) au début et (B) en cours d'un procédé de production d'une pièce en trois dimensions. Dans cette figure, « M » représente les miroirs galvanométriques, « SFD » représente le système de focalisation dynamique, « UV » représente la source du rayonnement ultraviolet, « G » représente la grille support, « B » représente un bac thermostatable, « RI » représente la résine liquide, « Rs » représente la résine solide formant une pièce en trois dimensions, « S » représente le support motorisé permettant de d'ajuster la hauteur de la grille support dans le bac thermostatable, et « Z » représente le déplacement de la grille support le long du support motorisé « S ».
EXEMPLES
Exemple 1 : Préparation d'un mélange de composite
Un mélange composite comprenant un mélange d'une poudre de résine photosensible et de poudre d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium (CMA) a été préparé.
La résine photosensible utilisée était une résine « Accura » commercialisée par la société 3D Systems. Cette résine est dénommée « SLA » dans les exemples.
Dans les exemples, « CMA » représente un alliage AlCuFeB quasi-cristallin de composition atomique nominale AI59Cu25,5Fei2,5B3 commercialisé sous la dénomination Cristome F1 par la société Saint- Gobain, dont la granulométrie est comprise entre 1 et 25 μιτι. Cet alliage est constitué de la phase de structure complexe (icosaédrique i) isostructurale à la phase i-AI62Cu25,5Fei2,5 et d'une phase cubique isostructurale à la phase -AI5o(CuFe)5o-
Chaque nuance de matériau a été pesée avec précision de sorte à obtenir un mélange de 50 % en poids de résine et 50 % en poids de CMA. La résine et le CMA ont été mélangés de façon homogène à l'aide d'un broyeur planétaire commercialisée par la société Fritsch, modèle Pulverisette 5. Cela a permis, après photopolymérisation conformément à l'exemple 2 ci-dessous, d'obtenir des pièces en trois dimensions présentant des propriétés mécaniques homogènes.
Exemple 2 : Fabrication d'objet en trois dimensions (3D) en matériau composite
Un objet 3D a été préparé en soumettant à un rayonnement UV un milieu liquide préparé à partir du mélange composite présenté dans l'exemple 1 .
Pour cela, 500 grammes de poudres CMA ont été versés dans 440 ml (millilitres) de résine SLA. Le milieu liquide obtenu a été mélangé à l'aide d'un broyeur planétaire puis versé dans un bac thermostaté à 27°C.
Le dispositif de stéréolithographie utilisé était un dispositif de marque 3D Systems sous la dénomination commerciale SLA 250 ou encore iPro 8000 SLA. Un schéma du dispositif lors de sa mise en œuvre est représenté sur la figure 1 .
Ce dispositif comprend notamment des miroirs galvanométriques
(« M »), un système de focalisation dynamique (« SFD ») focalisant le rayonnement UV, une grille support (« G ») motorisée intégrée dans un bac thermostatable (« B ») et un racleur (non représenté sur la figure 1 ). Le dispositif a été piloté par ordinateur par le logiciel de pilotage OPTOFORM (3D Systems).
Le rayonnement UV utilisé était un laser UV Nd:YAG pompé par diode laser par l'intermédiaire d'une fibre optique (Modèle J40-X15SC- 355Q-2, Spectra-Physics). La longueur d'onde était proche de 355 nm. La vitesse de balayage du faisceau laser était de 0,04 m/s et sa puissance était de 140 mW. L'objet en trois dimensions a été fabriqué point par point par superposition de couches ayant une épaisseur de 50 μΜ, par balayage du faisceau laser. La trajectoire du faisceau laser, correspondant au motif géométrique d'une couche déterminée, était pilotée par le logiciel décrivant la géométrie de la couche correspondante de la pièce modélisée dans le logiciel.
La première couche a été réalisée à la surface de la grille support (« G ») lorsque celle-ci était positionnée juste sous la surface du milieu liquide (« RI », comprenant la résine photopolymérisable et le CMA). Une fois la première couche réalisée, la grille support (« G ») a été abaissée à l'aide du support motorisé (« S ») afin de réaliser une seconde couche. L'opération a été répétée jusqu'à la production complète de l'objet en trois dimensions, modélisé dans le logiciel. Exemple 3 : Propriétés des pièces obtenues
3.1 Coefficient de frottement
Les propriétés de frottement ont été mesurées à l'aide d'un Micro tribomètre de type pion/disque commercialisé par la société CSM Instruments. Le frotteur utilisé était une bille d'acier (100Cr6) avec un diamètre de 6 mm. La charge normale appliquée sur le frotteur était de 5 N. Le mouvement de frottement était circulaire avec un rayon de 5 mm. Les essais ont été réalisés sans lubrification, à la pression atmosphérique et à 20°C. L'humidité relative était comprise entre 40 et 50 %.
Avant l'essai de frottement, la surface des échantillons a été polie à l'eau avec du papier abrasif SiC jusqu'au grade 4000. Ensuite, les échantillons ont été nettoyés à l'éthanol et séchés au séchoir électrique. Les surfaces des échantillons et de la bille ont été nettoyées à l'acétone juste avant les essais.
La vitesse de rotation était de 150 tr/min. Le rapport entre la force latérale et la force normale définit le coefficient de frottement μ. Le coefficient de frottement des objets en trois dimensions obtenus à partir du mélange résine photopolymérisable / CMA de l'Exemple 1 a été comparé, dans les mêmes conditions expérimentales, avec des objets en trois dimensions obtenus à partir de résine photopolymérisable seule ou à partir d'une résine renforcée par une céramique (Bluestone commercialisée par 3D Systems).
Le coefficient de frottement mesuré à l'aide du tribomètre montre un gain de l'ordre de 30 % pour le mélange préparé dans l'Exemple 1 par comparaison à la résine seule ou renforcée par une céramique (Bleustone de 3D Systems)
De plus, les résultats obtenus montrent que le frotteur (bille acier 100Cr6) n'est pas usé par les objets en trois dimensions obtenus à partir du mélange de l'Exemple 1 ou de la résine seule, alors qu'il est très fortement usé par les objets en trois dimensions obtenus à partir de la résine Bleustone.
3.2 Essais d'usure
Les essais d'usure ont été réalisés à l'aide d'une polisseuse automatique commercialisée par la société Struers.
Le principe de l'essai est le suivant : un échantillon cylindrique de diamètre 25 mm est placé dans un porte échantillon standard rotatif qui est lui-même placé sur un disque de polissage (SiC 500, Struers). Le plateau de polissage est animé d'une vitesse de rotation de 150 tr/min pendant que le porte échantillon tourne à la même vitesse. L'usure est traduite par la différence de volume de l'échantillon après l'essai.
L'usure des échantillons obtenus à partir du mélange résine photopolymérisable / CMA de l'Exemple 1 a été comparée, dans les mêmes conditions expérimentales, avec des échantillons obtenus à partir de résine photopolymérisable seule. Les échantillons obtenus à partir de résine photopolymérisable seule présentent 40% de volume d'usure supplémentaire par rapport aux d'échantillons obtenus à partir du mélange de l'Exemple 1 .
Dans le cas d'une comparaison avec la résine Bleustone, le volume d'usure est similaire aux échantillons obtenus à partir du mélange résine photopolymérisable / CMA de l'Exemple 1 .
3.3 Densité apparente.
La densité apparente a été mesurée selon la méthode de différence de volume avant/après chaque essai d'usure.
Les objets en trois dimensions obtenus à partir du mélange résine photopolymérisable / CMA de l'Exemple 1 présentent une densité apparente mesurée par le rapport masse/volume de la pièce qui est proche à 99% de la densité théorique.
3.4 Dureté Shore P.
La Dureté Shore D a été mesurée selon la méthode standard ASTM D2240.
Les objets en trois dimensions obtenus à partir du mélange résine photopolymérisable / CMA de l'Exemple 1 présentent une dureté Shore D moyenne de 88+1 en comparaison avec celle des objets en trois dimensions obtenus à partir de la résine seule (84+1 ).
Listes des références
[1 ] US 4,575,330

Claims

REVENDICATIONS
1 . Utilisation d'un mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium dans un procédé de stéréolithographie par photopolymérisation ou d'impression en trois dimensions par photopolymérisation.
2. Utilisation selon la revendication 1 , dans laquelle l'alliage métallique complexe à base d'aluminium comprend un pourcentage atomique d'aluminium supérieur à 50 %.
3. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'alliage métallique complexe à base d'aluminium est choisi dans le groupe comprenant AI62Cu25,5Fei2,5, AI59Cu25,5Fei2,5B3, A CugjFesjCrio.e et Al7i,3Fe8,iCoi2,8Cr7,8.
4. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la résine photopolymérisable est choisie dans le groupe comprenant les composés acrylates, les composés uréthane-acrylates, les composés époxy, les composés époxy-acrylates, les composés vinyléthers et un mélange de ces composés.
5. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la fraction volumique de résine photopolymérisable dans le mélange est comprise entre 50 et 95 % et la fraction volumique d'alliage métallique complexe dans le mélange est comprise entre 5 et 50 %.
6. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium comprend en outre un initiateur de polymérisation.
7. Procédé de production d'une pièce en trois dimensions par stéréolithographie par photopolymérisation, ledit procédé comprenant une étape de solidification, couche par couche, de ladite pièce en trois dimensions dans un milieu liquide comprenant un mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium, par exposition dudit milieu liquide au rayonnement ultraviolet.
8. Procédé de production d'une pièce en trois dimensions par impression en trois dimensions par photopolymérisation, ledit procédé comprenant une étape de solidification, couche par couche, de ladite pièce en trois dimensions par des étapes successives de :
a) dépôt d'un milieu liquide comprenant un mélange d'une résine photopolymérisable et d'un alliage métallique complexe à base d'aluminium sur un support, et b) d'exposition dudit milieu liquide à un rayonnement ultraviolet.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel l'alliage métallique complexe à base d'aluminium est tel que défini dans la revendication 2 ou 3.
10. Procédé selon la revendication 7 à 9, dans lequel la résine photopolymérisable est telle que définie dans la revendication 4.
1 1 . Pièce en trois dimensions obtenue par le procédé selon l'u quelconque des revendications 7 à 10.
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