WO2000051809A1 - Procede de dispositif de prototype rapide, et piece tridimensionnelle obtenue par prototypage rapide - Google Patents

Procede de dispositif de prototype rapide, et piece tridimensionnelle obtenue par prototypage rapide Download PDF

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WO2000051809A1
WO2000051809A1 PCT/FR2000/000493 FR0000493W WO0051809A1 WO 2000051809 A1 WO2000051809 A1 WO 2000051809A1 FR 0000493 W FR0000493 W FR 0000493W WO 0051809 A1 WO0051809 A1 WO 0051809A1
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WO
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scraper
pusher
working field
raw material
phase
Prior art date
Application number
PCT/FR2000/000493
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English (en)
Inventor
André-Luc ALLANIC
Philippe Schaeffer
Original Assignee
Optoform Sarl Procedes De Prototypage Rapide
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C41/00—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
    • B29C41/02—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C41/12—Spreading-out the material on a substrate, e.g. on the surface of a liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/214—Doctor blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/218—Rollers

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing three-dimensional parts from computer data representing their shape, and to a device for implementing this method. It is known to produce parts by transforming successive volumes (generally thin layers) of a raw material from a first state into a second state, by means of a device inducing said transformation, by repeating a cycle comprising in particular a phase of transformation of the material in at least part of a working field thanks to the device inducing the transformation, and a phase of covering the transformed material with material not yet transformed.
  • the recovery phase consists in sweeping the surface of the working field using at least one elongated member called a scraper, said scraper being set in motion above the working field.
  • the scraper transports the material used for recovery, or else only serves to equalize a prior deposit of material.
  • scraper such as for example a blade (or any other more or less flexible equivalent) whose lower part is in contact with the free surface of a liquid, parallel to said free surface, forces are generated in the vicinity of the contact zone between the blade and the liquid. These local shear stresses are transmitted within the liquid located below the free surface, to a depth much greater than the thickness of the layer put in place.
  • the scraper can generate movements of liquid over a depth ranging from a few millimeters to a few centimeters.
  • menisci induce geometric defects on the parts produced, and constitute, once solidified, an additional handicap for the establishment of the next layer, which ultimately results in an amplification of defects, incompatible with the covering device (risk tearing of layers, material accidents, ).
  • this device is shown diagrammatically in the figures of this document, in the case where a prior deposition of material has been carried out downstream.
  • the dam forms an obstacle to the free circulation of the liquid located downstream of the roller, allowing regulation of the thickness of the film formed on the upstream portion of the roller.
  • the free surface of the film meets that of the layer formed upstream, forming a very sharp cusp in the vicinity of the lower generatrix of the roller. This cusp defines the altitude of the free surface of the material deposited upstream, and as in steady state it is fixed relative to the axis of the roller, the layer can be well equalized.
  • a “threshold” material is such that it does not flow (zero gradient) as long as the shear stress applied to it does not exceed a minimum value. It will be said that a material has a “marked threshold”, when the value of this shear stress is greater than 20 Newton per square meter.
  • the volume of material is then subjected to a strong speed gradient (speed of movement of the scraper for the part in contact with the doctor blade, and zero speed for the part in contact with the lower layers), generating the shear stresses required to obtain the flow of essential material from downstream to upstream.
  • a strong speed gradient speed of movement of the scraper for the part in contact with the doctor blade, and zero speed for the part in contact with the lower layers
  • this essential contact can be maintained.
  • this contact if this contact is broken, the volume of material upstream is simply transported, without being spread out.
  • the flow induced by the action of gravity within the volume downstream of the doctor blade is very low (due to their high viscosity), and may even be zero if their flow threshold is sufficient important.
  • the method according to the invention overcomes these drawbacks. To simplify the rest of the description, we have chosen to place our implicitly in the particular case where the working field is horizontal (this allows the use of expressions such as "above”, “bottom edge”, etc.) . This editorial choice should not be interpreted as a limitation of the scope of the invention, insofar as with pasta, the method according to the invention can operate with a non-horizontal working field, or even with a working field having a curved surface.
  • said covering phase using at least one scraper set in motion to perform the various covering phases, said scraper comprising at least one member of elongated shape called pusher, the lower edge of which describes a surface substantially coinciding with the surface of the working field when the scraper travels above the working field, a kind of rod of raw material is formed, that is to say a volume of raw material of elongated shape, disposed against the lower edge of the pusher, downstream thereof, the lower portion of the rod being located in the vicinity of the surface of the working field, and the rod of raw material is animated a rotational movement on itself about its axis, by means of at least one member called a roller, located downstream of the pusher, said roller being driven in a rotation movement around an axis of sensitivity parallel to the scraper.
  • a kind of rod of raw material is formed, that is to say a volume of raw material of elongated shape, disposed against the lower edge of the pusher, downstream thereof, the lower portion of the rod being located in the vicinity of the surface of the working
  • said roll of raw material is forced to rotate in the "rolling direction".
  • a direction of rotation makes it possible to animate the material constituting the lower portion of the rod of a component of speed opposite to that imposed by the movement of the pusher, which contributes to limit the interactions with the lower layers, and therefore limit the amplitude of the resulting (meniscus) defects.
  • the rod of raw material formed downstream of the pusher in a rolling movement without sliding on the working field, by adapting the own rotation speed of said rod of raw material to the speed of movement of the pusher.
  • This particular mode of transporting the material makes it possible to ensure a relative speed of the material located in the lower portion of the rod, relative to that of the lower layers, practically zero when it comes into contact with said lower layers, which contributes strongly to a “soft” deposit, as if a film of paste was rolled out on the lower layers.
  • the procedure in order to supply the scraper with the raw material necessary for recovery, the procedure is advantageously as follows: at least one volume of raw material is formed on the trajectory of the scraper, by means of feeding means. upper is emerging from the surface described by the lower edge of the pusher during the movement of the scraper, so that, during its travel, the scraper level off said emerging part of raw material and transports it towards the working field to cover matter already transformed.
  • This feeding mode makes it possible in particular to move the feeding zone outside the working field, and to avoid the implementation of mobile feeding means.
  • One can also provide, as a variant, a continuous supply of unprocessed raw material. It is advantageous to use raw materials which, in their first state, are pasty materials having a marked flow threshold. Indeed, with such materials, we limit the depth over which we drive movements within the lower layers, these movements can only take place from a minimum stress level (the flow threshold). However, the lower said depth, the lower the risk of the appearance of menisci, are important.
  • the direction of movement of the scraper is inverted at least once in order to carry out two successive covering phases (separated or not by a transformation phase).
  • This mode makes it possible to avoid having the scraper run through a recycling course, which would be necessary if the recovery phase was always carried out in the same direction.
  • the two pusher members may be separate or else connected by a one-piece structure of the inverted U type, or the like.
  • a scraper comprising at least two pushers connected to a common chassis, said chassis being linked to the guide means and driving the scraper by means of a pivot connection.
  • it provides a significant elevation of the pusher, located downstream (relative to the direction of movement of the scraper) relative to the surface of the working field, so that the latter does not load with raw material by leveling, during its passage over the field of work, any emerging menisci created during the previous recovery phase. After reversing the direction of movement of the scraper, the raw material thus accumulated on the pusher may be deposited uncontrollably on the working field, which would lead to the establishment of an irregular layer.
  • the device for implementing the invention can comprise:
  • - means for inducing the transformation of the raw material in a working field - means for carrying out the recovery phases using at least one scraper comprising at least one pusher, said pusher being constituted by a mechanical element of elongated shape, the lower edge describes a surface substantially coinciding with the surface of the working field when the scraper travels above the working field, and at least one roller, constituted by a mechanical element of elongated shape, arranged parallel to the pusher, downstream of the pusher, and driven in rotation, by drive means, about an axis substantially parallel to the pusher, the said scraper (s) being set in motion substantially parallel to the working field during the phases of recovery by the intermediate of guide and drive means.
  • the axis of rotation of the roller at an altitude greater than that of the lower edge of the pusher, the difference in altitude between l the axis of rotation of the roller and the lower edge of the pusher being at least equal to the value of the largest radius of the circles described by the material points of the roller during its own rotational movement.
  • the device for implementing the method according to the invention may be such that the axis of rotation of the roller is disposed relatively to the lower edge of the pusher, downstream of said pusher, at an altitude greater than or equal to the largest radius of the circles described by the material points of the roller during its own rotational movement.
  • the direction of rotation of the roller is the "rolling direction", which makes it possible to impose on the rod of transported material a direction of rotation in the "rolling direction".
  • a pusher whose face opposite the roller has a protuberance substantially parallel to the lower edge of the pusher, the section of said protuberance advantageously having a well marked angular portion.
  • a kind of cavity is thus produced in the lower portion of the pusher, which, combined with the action of the roller and the movement of the pusher, contributes to channeling the material transported by the scraper in the form of a roll rolling on itself.
  • this parameter (elevation of the protuberance) makes it possible to optimize the quality of the covering carried out as a function of the rheological characteristics of the material treated. Consequently, with such a "variable geometry" pusher, a wide variety of doughs can be optimally processed by simple mechanical adjustment, rather than having to change the pusher each time the material is changed.
  • the scraper run through a certain starting stroke, in an area external to the working field, close to the border of the working field.
  • the scraper according to the invention brews the material located downstream, this mixing having the effect on the one hand of homogenizing the material initially delivered , and on the other hand, to conform the material to obtain the desired shape of a sausage.
  • a second roller with its own rotational movement improves the operation of the scraper according to the invention. Indeed, with a scraper consisting of a pusher and at least two rollers, it is possible to obtain more efficient mixing than with a single roller, and it is also possible to mitigate the effects linked to the change in the volume of material transported. . Indeed, the volume of material circulating in the vicinity of the roller closest to the lower edge of the pusher changes little, this change is carried over to the second roller which, being distant from the bottom edge of the pusher, does little disturb the recovery operation.
  • the geometric shape of the section of the pusher can be constant or not along the pusher
  • the roller can be chosen from the family of prismatic bars of circular, square, triangular section
  • the number of rollers can also be greater than two, we can associate several scrapers to simultaneously perform several passes (roughing, finishing for example) on the same area, etc ...
  • FIG. 3 schematically shows three side views of an embodiment of a particular embodiment of the covering phases according to the invention, with reversing the direction of movement of the scraper in step 3B to perform two covering phases successive to steps 3 A and 3C.
  • Figure 1 is shown an overview of a device for implementing the method according to the invention.
  • a device for inducing transformations 1 in a working field 104 is arranged above the center of a support 2 constituted by a rectangular piece (of dimensions LX along the X axis and LY along the Y axis) whose face upper is flat, the support being linked to guide and drive means 3 via a connecting piece 4.
  • a table T the upper face 5 of which is flat and horizontal, in which an opening 6 is made rectangular of dimension greater than LX along the X axis and greater than LY along the Y axis, is arranged so that, during its movement, the support 2 can pass through said opening 6.
  • Two other openings (7, 8) of elongated shape, of length approximately equal to LX, arranged parallel to the axis X, a short distance from the edge of the opening 6, are also made in said table T.
  • a scraper 9 of elongated shape, linked to guiding and training means t 101 to be driven by a horizontal translational movement along the Y axis, is capable of moving from an initial position (the position in which it is shown in solid lines) to a final position (9 ′: position of the scraper shown in dotted lines).
  • Material supply means 103 constituted for example by pistons initially filled with material, or by a pumping device, are connected to the openings 7 and 8, to allow a supply of material, in the upward direction Z, through said openings 7 and 8.
  • the openings 6, 7 and 8 are located in a low zone, delimited by the contour 10, in which the upper face of the table is flat and horizontal, but whose altitude is slightly lower than that of side 5.
  • Control means 102 connected to the members 1, 3, 101 and 103, make it possible to control the device.
  • the support 2 is brought to a position such that its upper face substantially coincides with the upper face of the table T.
  • Material is distributed through the openings 7 and 8, and the scraper 9 performs a forward movement. return between its two extreme positions, so that the space included in the lower zone is progressively filled with material, the free surface of the material substantially coinciding with the plane of the face 5, the upper face of the support 2 being covered with a thin layer of material.
  • the manufacturing cycle can start: a first transformation phase is carried out using the device 1, so that the transformed parts adhere to the support 2, then the support 2 is moved downwards, by a distance corresponding to the thickness of the desired layer.
  • the scraper is located at position 9, material is distributed through the opening 7, then the scraper moves to position 9 ', effecting the desired overlap.
  • a new transformation phase can then be carried out, then, after lowering of the support 2, supply of material through the opening 8, and return of the scraper to the initial position 9, we are ready to carry out a new transformation phase.
  • the cycle can thus be carried out as many times as necessary to stack enough layers for the complete production of a part.
  • the support is found covered with a sort of parallelepiped of material, formed by the stacking of layers, the part being included in this volume of material. The support is then released downwards, for post-treatment operations on the part (elimination or recovery of the material surrounding the part, cleaning, finishing treatments, etc.).
  • the succession of operations is managed by computer control means (102) connected to the various parts of the machine (1, 3, 101, 103).
  • FIG. 2 is shown in cross section a preferred embodiment of a scraper according to the invention.
  • the pusher consists of two parts (22, 24) of constant section, linked to a chassis 21, the chassis being linked, directly or not, to guide and drive members (not shown).
  • Exhibit 22 has in its lower part 23 has a tapered shape.
  • the part 24 is capable of being displaced in the vertical direction (Z axis), and has in its lower part an angular portion 25 which constitutes a protuberance relative to the face of the part 22 in contact with the raw material 28, so that the altitude at which said protuberance is located is easily adjustable, to allow adaptation to different types of materials.
  • Two rollers, 26 and 27, constituted by cylinders arranged parallel to the pusher are connected to the chassis 21 by means of bearings (not shown) and each linked to a drive member (not shown) to be driven by a movement of clean rotation in the "rolling direction".
  • the entire scraper thus formed is moved in translation along the Y axis (in the direction indicated by the arrow F), causing a volume of material 28, which, due to the proper rotation movement of the rollers, is caused to form a kind of rod of practically constant section along its axis, rolling on itself along an axis of rotation parallel to the scraper (this movement of rotation of the entrained material is symbolized by the small arrows within the volume 28), in accordance the method according to the invention, and rolling on the free surface of material already deposited (represented by the plane 29).
  • a portion of the volume of material transported is deposited on the surface 29 (feed downstream), this deposit being equalized by the lower edge of the pusher in the vicinity of the zone 31 to produce, upstream, a new free surface of material, substantially coinciding with the altitude of the working field 32.
  • the essential parameters for adjusting this device are as follows: Dl and D2 respective diameters of the cylinders 26 and 27, Al and A2 respective angular speed of rotation of the cylinders 26 and 27, (Zl, Yl) and (Z2, Y2) the coordinates of the respective axes of the parts 26 and 27 with respect to the point of contact between the surface 32 and the lower part of the part 22, ZC and YC the dimensions of the cavity formed by the assembly of the parts 23 and 24 (ZC being easily adjustable by moving the part 24), finally VY the speed of movement of the assembly.
  • the values chosen are as follows: Dl and D2 between 2 and 20 mm, Al and A2 between 10 and 1500 revolutions / minute, Zl (respectively Z2) between 0.5 and 4 times Dl (respectively D2), Yl (respectively Y2) between 0.5 and 6 times Dl (respectively D2), YC between 0.5 and 10 millimeters, ZC between 2 and 20 millimeters, and VY between 1 and 200 millimeters / second. If the distance ZC is significantly greater than the distance Zl or
  • the material located in zone 23 risks being sucked upwards, which could cause a detachment of the material, or even a lack of material in zone 23.
  • a good compromise would consist in providing a distance ZC substantially equal to twice the distance Zl, to balance the ascent force of the entrained material by the roller 26, with the force of compression of the material due to the protuberance 24.
  • FIG. 3 a scraper constituted by the assembly of two identical assemblies in a “face to face” configuration, making it possible to reverse the direction of movement of the scraper between two successive covering phases (back and forth movement ).
  • the operation of this device is schematized in three stages (3A, 3B and 3C).
  • the two sets 40 and 41 each consist, for the example shown, of a pusher and two rollers, in a symmetrical configuration such that the rollers are located in the space between the two pushers.
  • a force directed along the arrow FA is applied to the belt, causing the gantry to tip over. in the direction indicated by the arrow B.
  • the stop 47 When the part 43 comes into contact with the stop 47, the gantry is blocked in its pivoting movement, and is driven in translation in the direction of the arrow FA.
  • the adjustment of the stop 47 makes it possible to make the altitude of the layer deposited by the portion 40 of the scraper coincide with the work surface 45.
  • the flange of material 49 has been shown in the vicinity of the portion 40 of the scraper, this volume of material is transported in the direction FA to carry out the recovery.
  • FIG. 3A a force directed along the arrow FA is applied to the belt, causing the gantry to tip over. in the direction indicated by the arrow B.
  • the adjustment of the stop 47 makes it possible to make the altitude of the layer deposited by the portion 40 of the scraper
  • the adjustment of the stopper 48 is such that the altitude of the layer deposited by the portion 41 of the scraper coincides substantially with the work surface 45, so that, during the translational movement (according to the arrow FB, once the tilting is complete), the portion 41 of the scraper takes charge of the volume of material 49 to cover the field of work.
  • the material is transferred from one scraper to the other (or, if we consider the assembly as a single scraper, from one side to the other of the scraper), which optionally makes it possible to supply the assembly only once to carry out several successive recovery phases.
  • one can be limited to a single area for distributing the material, instead of the two areas (openings 7, 8) shown in the case of FIG. 1.
  • the tilting around a pivot makes it possible to very simply raise the lower portion of the scraper pusher (inactive) located downstream, to prevent this inactive pusher from leveling off the material in the event that the free surface of the material has defects. (menisci upwards), which would lead, as mentioned above, to the risk of uncontrolled deposition of material, upon the return of this inactive pusher (which then becomes the active pusher).

Abstract

Procédé de prototypage rapide comprenant les étapes suivantes: une phase de transformation de la matière première dans la champ de travail (32) grâce à un dispositif induisant la transformation (1); à au moins un instant, une phase d'alimentation en matière première non transformée, en aval du racleur; une phase de recouvrement de la matière transformée (PI) par de la matière non transformée (MAT), consistant à déplacer le racleur dans une direction (F), à entraîner en rotation autour d'un axe un organe rouleur (26, 27) sur lequel s'enroule un boudin de matière première non transformée (28), à disposer un organe pousseur (22) de façon que son bord proximal (23) coïncide avec la surface dudit champ de travail, pour pousser la matière non transformée à recouvrir le champ de travail, et à positionner ledit organe rouleur en aval dudit organe pousseur, et en regard de celui-ci, de façon à canaliser le boudin de matière non transformée vers une cavité formée entre le bord proximal et l'organe rouleur en vis à vis.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PROTOTYPAGE RAPIDE, ET PIECE TRIDIMENSIONNELLE OBTENUE PAR PROTOTYPAGE RAPIDE
La présente invention porte sur un procédé de fabrication de pièces tridimensionnelles à partir de données informatiques représentant leur forme, et sur un dispositif de mise en œuvre de ce procédé. Il est connu de réaliser des pièces par transformation de volumes successifs (généralement de fines couches) d'une matière première d'un premier état en un second état, au moyen d'un dispositif induisant ladite transformation, par répétition d'un cycle comprenant notamment une phase de transformation de la matière dans au moins une partie d'un champ de travail grâce au dispositif induisant la transformation, et une phase de recouvrement de la matière transformée par de la matière non encore transformée. La plupart des machines dites de « Prototypage Rapide » mettent en œuvre ce type de procédé, notamment les machines de stéréolithographie, utilisant une matière première liquide photosensible (susceptible d'être polymérisée ou réticulée) combinée à un dispositif d'illumination (par balayage laser ultraviolet par exemple), et les machines dites de frittage de poudres, utilisant une matière première sous forme de poudre, ladite poudre étant susceptible d'être localement agglomérée par effet thermique (par balayage laser infrarouge par exemple). De nombreuses demandes de brevets relatives à ce type de machines ont été déposées, notamment pour le domaine de la stéréolithographie. Une description complète du procédé est donnée dans le document EP 0361847, des procédés similaires sont également décrits dans les documents EP 0450762 et EP 0484182. Dans le document EP 02876657 on trouve une description détaillée d'un procédé de frittage de poudre, ainsi qu'une description de l'appareil pour la mise en œuvre du procédé.
Une caractéristique commune aux procédés de stéolithographie et de frittage de poudres est qu'ils nécessitent la mise en œuvre de moyens pour étaler la matière première sous forme de fines couches (pour réaliser la phase de recouvrement), de manière automatique, rapide, et homogène. De manière générale, la phase de recouvrement consiste à balayer la surface du champ de travail à l'aide d'au moins un organe de forme allongée appelé racleur, ledit racleur étant mis en mouvement au-dessus du champ de travail. Selon les cas, le racleur transporte la matière mise en jeu pour le recouvrement, ou bien ne sert qu'à égaliser un dépôt préalable de matière.
De nombreux dispositifs ont été imaginés pour la réalisation du racleur. Par exemple, dans le domaine des poudres, on trouve dans le document EP 02876657 la description d'un racleur constitué par un rouleau animé d'un mouvement de rotation autour de son axe, cet axe étant disposé parallèlement au plan du champ de travail, la partie inférieure du rouleau coïncidant sensiblement avec l'altitude du champ de travail. Ce rouleau est animé également d'un mouvement de translation au cours duquel il entraîne un volume de matière situé en aval, et étale progressivement une nouvelle couche de matière en amont, recouvrant la matière précédemment transformée.
En ce qui concerne les matières premières liquides, on distingue deux types de procédés : soit le recouvrement proprement dit est assuré au préalable sur le champ de travail par des moyens de recouvrement (déversoir, spray, immersion, ...) , et le racleur ne fait qu'égaliser ensuite la surface libre de liquide par un mouvement de balayage horizontal, soit le racleur effectue simultanément les fonctions de recouvrement et d'égalisation. Le second mode de fonctionnement suppose le transport par le racleur (ou par des moyens annexes associés) d'un volume de matière suffisant pour recouvrir les zones venant d'être solidifiées.
Différents dispositifs ont été imaginés pour la réalisation du racleur, par exemple une simple lame rigide (cf document EP 0361847), dont la section peut avoir une forme particulière, ou l'association de deux éléments rigides (document EP 0484182), auxquels sont attachés des éléments de brosse disposés en quinconce. Ces premiers dispositifs n'ont pas donné entière satisfaction.
En effet, lorsque l'on déplace un racleur dit « racleur simple », comme par exemple une lame (ou tout autre équivalent plus ou moins souple) dont la partie inférieure est en contact avec la surface libre d'un liquide, parallèlement à ladite surface libre, on génère des efforts au voisinage de la zone de contact entre la lame et le liquide. Ces contraintes locales de cisaillement se transmettent au sein du liquide situé en dessous de la surface libre, sur une profondeur bien supérieure à l'épaisseur de la couche mise en place.
Dans le cas des résines classiquement utilisées en stéréolithographie, dont le comportement est proche d'un liquide
Newtonien, ayant des viscosités de quelques milliers de centiPoises, le racleur peut générer des mouvements de liquide sur une profondeur pouvant aller de quelques millimètres à quelques centimètres.
Les portions de matière solide ou quasi-solide transformée lors des cycles précédents constituent des obstacles au sein du liquide en mouvement, ce qui se traduit par de fortes variations des conditions d'écoulement du liquide. Il en résulte que, au voisinage des frontières de la section en cours de fabrication, apparaissent des défauts de planéité de la couche venant d'être étalée par le racleur. Une illustration schématique de ces défauts est donnée dans le document WO 95/15842, où sont représentés des ménisques (concaves ou convexes), au voisinage des zones de transition liquide-solide.
Ces ménisques induisent des défauts géométriques sur les pièces réalisées, et constituent, une fois solidifiés, un handicap supplémentaire pour la mise en place de la couche suivante, ce qui se traduit finalement par une amplification de défauts, incompatible avec le dispositif de recouvrement ( risque d'arrachement de couches, d'accidents matériels, ...).
Pour limiter ces inconvénients, il est parfois possible de ralentir la vitesse de déplacement du racleur, ou d'imposer un temps de relaxation avant de procéder à la phase de transformation suivante, mais ces solutions ont pour conséquence une augmentation substantielle des temps de fabrication des pièces, conduisant à des surcoûts de production pouvant être rédhibitoires. La solution proposée dans le document WO 95/15842 ne remet pas en cause le recours à un racleur dit « racleur simple » , mais consiste à réaliser au voisinage des pièces une structure de garnissage épousant sensiblement la forme des pièces, ayant pour effet de reporter les problèmes de ménisques dans des zones éloignées desdites pièces. Ce procédé astucieux permet la mise en œuvre d'un « racleur simple » constitué par une pièce allongée souple de faible épaisseur, et permet d'atteindre des durées très courtes pour les phases de recouvrement. L'apport de matière nécessaire pour effectuer la phase de recouvrement est réalisé par le transport d'une sorte de vague de matière, formée au départ du mouvement du racleur, le volume de matière constitué par ladite vague étant progressivement consommé sous l'effet de la combinaison de la gravité et du mouvement de translation.
Une autre solution, décrite dans le document WO 96/23647 consiste à utiliser un racleur dit « racleur actif » , en l'occurrence, il s'agit d'un rouleau animé d'un mouvement de rotation propre dans le sens « contra-rotatif », associé à une sorte de digue, constituée par une sorte de lame rectiligne, dont la partie inférieure est située à une faible distance de la partie supérieure du rouleau. Un rouleau tournant dans le sens « contra-rotatif » est tel que tout point situé sur sa périphérie, lorsqu'il passe par le point de sa trajectoire le plus proche du champ de travail, a une vitesse tangentielle relative par rapport à l'axe de rotation dirigée dans le même sens que la vitesse de déplacement de l'axe de rotation du rouleau par rapport au champ de travail.
Le fonctionnement de ce dispositif est schématisé dans les figures de ce document, dans le cas où un dépôt préalable de matière a été réalisé en aval. La digue forme obstacle à la libre circulation du liquide situé en aval du rouleau, permettant une régulation de l'épaisseur du film formé sur la portion amont du rouleau. La surface libre du film rencontre celle de la couche formée en amont, formant un point de rebroussement très aigu au voisinage de la génératrice inférieure du rouleau. Ce point de rebroussement définit l'altitude de la surface libre de la matière déposée en amont, et comme en régime permanent il est fixe par rapport à l'axe du rouleau, la couche peut être bien égalisée.
Une analyse détaillée des phénomènes physiques mis en jeu est proposée dans le document, pour expliquer les avantages d'un tel dispositif par rapport à une simple lame (racleur simple), notamment en ce qui concerne les interactions avec le liquide situé au voisinage du racleur. Il apparaît notamment, que le sens de rotation « contra-rotatif » du rouleau atténue fortement lesdites interactions, alors qu'à l'opposé, un mouvement dans le sens non « contra-rotatif », qu'on appellera « sens roulant » dans la suite de ce document, induirait des effets de pression ayant pour conséquence la mise en place d'une couche non homogène.
Différentes variantes sont proposées, notamment concernant la section de ladite digue et son orientation. D'autres variantes pour remédier aux effets indésirables d'accumulation éventuelle de la matière au voisinage de la lame sont exposées : utilisation d'un dispositif d'évacuation à vis sans fin, ou d'une lame dans laquelle est pratiquée une canalisation. Enfin, deux modes d'alimentation sont proposés pour le dispositif : soit la couche de matière est préalablement déposée en aval, et le racleur ne fait que corriger les défauts de planéité résiduels, soit le racleur transporte un volume de liquide suffisant pour fournir la quantité de matière nécessaire au recouvrement (comme pour la solution du document WO 95/15842).
Il existe une gamme de matériaux particulièrement intéressants pour le Prototypage Rapide, permettant notamment de s'affranchir du défaut principal des poudres (réalisation de pièces poreuses) et de celui des résines liquides acryliques ou époxy (faible résistance mécanique, fragilité, etc..) : les matériaux fortement visqueux, voire pâteux. Ces matériaux peuvent être obtenus par exemple par addition d'un fort taux volumique de charge solide (poudre), dans un liant constitué de résine liquide photosensible ou thermodurcissable. Dans la suite, on qualifiera de pâtes la catégorie de matériaux englobant les matériaux de très forte viscosité (supérieure à 10000 centiPoises), ou les matériaux « à seuil marqué». Un matériau « à seuil » est tel qu'il ne s'écoule pas (gradient nul) tant que la contrainte de cisaillement qui lui est appliquée ne dépasse pas une valeur minimale. On dira qu'un matériau présente un « seuil marqué », lorsque la valeur de cette contrainte de cisaillement est supérieure à 20 Newton par mètre carré.
Les solutions connues pour effectuer les phases de recouvrement ne conviennent pas pour le traitement des pâtes, en raison principalement de leur relative « insensibilité » à l'action de la gravité terrestre.
En effet, il faut tout d'abord recouvrir la matière venant d'être transformée par une couche de pâte, ce qui est bien sûr pratiquement impossible par simple procédé d'immersion. La solution classiquement adoptée, consistant à transporter un volume de matière avec une racle, mise en mouvement parallèlement au champ de travail, et à déposer progressivement ce volume de matière, situé en aval de la racle, sur les couches inférieures, est relativement difficile à mettre en œuvre avec les pâtes. Pour que l'étalement ait lieu, il est indispensable que le volume de matière situé en aval de la racle, proche du bord inférieur de celle-ci, soit en contact avec la surface libre des couches inférieures. En effet, le volume de matière est alors soumis à un fort gradient de vitesse (vitesse de déplacement du racleur pour la partie en contact avec la racle, et vitesse nulle pour la partie en contact avec les couches inférieures), générant les contraintes de cisaillement requises pour obtenir l'écoulement de matière indispensable d'aval en amont. Tant que la gravité assure un écoulement descendant du volume de matière situé en aval, suffisamment rapide pour compenser le flux de matière consommée pour l'étalement, ce contact indispensable peut être maintenu. Par contre, si ce contact est rompu, le volume de matière en amont est simplement transporté, sans être étalé. Or, avec des pâtes, le flux induit par l'action de la gravité au sein du volume en aval de la racle est très faible (en raison de leur forte viscosité), et peut même être nul si leur seuil d'écoulement est suffisamment important. Par conséquent, même si on fournit au départ un volume de matière en aval de la racle, théoriquement suffisant pour assurer le recouvrement souhaité, on s'expose à des « décrochages », ou défauts de recouvrement (formation de « trous » dans la couche déposée), incompatibles avec le procédé de fabrication. Certes, pour contourner le problème, on pourrait imaginer effectuer un dépôt préalable de matière, la racle ne jouant alors plus qu'un rôle d'égalisation. Cependant, il n'est pas simple de réaliser un tel dépôt préalable. En effet, il faudrait recourir à des moyens de transfert adaptés aux matériaux pâteux (pompes spéciales), assurer leur déplacement au-dessus du champ de travail, ce qui engendre des coûts et une complexité supplémentaire, surtout si on désire contrôler finement le débit de matière. De plus, pour ne pas risquer de « décrochage », il faudrait nécessairement fournir un excès permanent de matière en aval. Or cela impliquerait une accumulation progressive de matière sur la racle lors de son parcours au-dessus du champ de travail, et donc la nécessité de mettre en œuvre des moyens pour éliminer le volume ainsi accumulé.
Le procédé selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Pour simplifier la suite de la description, on a choisi de se placer implicitement dans le cas particulier où le champ de travail est horizontal (cela permet d'utiliser des expressions telles que « au- dessus », « bord inférieur », etc.). Ce choix rédactionnel ne doit pas être interprété comme une limitation de la portée de l'invention, dans la mesure où avec des pâtes, le procédé selon l'invention peut fonctionner avec un champ de travail non horizontal, voire avec un champ de travail ayant une surface courbée.
Selon un exemple de l'invention, lors de l'une au moins des phases de recouvrement, ladite phase de recouvrement utilisant au moins un racleur mis en mouvement pour effectuer les différentes phases de recouvrement, ledit racleur comprenant au moins un organe de forme allongée appelé pousseur, dont le bord inférieur décrit une surface coïncidant sensiblement avec la surface du champ de travail lors du parcours du racleur au-dessus du champ de travail, on forme une sorte de boudin de matière première, c'est-à-dire un volume de matière première de forme allongée, disposé contre le bord inférieur du pousseur, en aval de celui-ci, la portion inférieure du boudin étant située au voisinage de la surface du champ de travail, et on anime le boudin de matière première d'un mouvement de rotation sur lui-même autour de son axe, au moyen d'au moins un organe appelé rouleur, situé en aval du pousseur, ledit rouleur étant animé d'un mouvement de rotation autour d'un axe sensiblement parallèle au racleur.
Ainsi, on assure un recyclage rapide de la matière première au voisinage du bord inférieur du pousseur, en aval, ce qui permet de s'affranchir du problème de « décrochage » cité ci-dessus, le boudin étant transporté par le pousseur en mouvement au-dessus de la surface du champ de travail.
Avantageusement, selon l'invention, on impose audit boudin de matière première une rotation dans le « sens roulant » . En effet, un tel sens de rotation permet d'animer la matière constituant la portion inférieure du boudin d'une composante de vitesse opposée à celle imposée par le mouvement du pousseur, ce qui contribue à limiter les interactions avec les couches inférieures, et donc à limiter l'amplitude des défauts (ménisques) qui en résultent.
Selon l'invention, on pourra avantageusement transporter le boudin de matière première formé en aval du pousseur selon un mouvement de roulement sans glissement sur le champ de travail, en adaptant la vitesse de rotation propre dudit boudin de matière première à la vitesse de déplacement du pousseur. Ce mode particulier de transport de la matière permet d'assurer une vitesse relative de la matière située dans la portion inférieure du boudin, par rapport à celle des couches inférieures, pratiquement nulle lorsqu'elle entre en contact avec lesdites couches inférieures, ce qui contribue fortement à un dépôt « en douceur », comme si on déroulait un film de pâte sur les couches inférieures. Il suffit que la portion de matière située au voisinage de la surface extérieure dudit boudin respecte cette condition de roulement sans glissement pour obtenir l'effet désiré (d'éventuels mouvements internes de matière au sein du boudin de matière, non conformes aux conditions de roulement sans glissement, sont acceptables). Les pâtes obtenues par ajout d'une charge solide dans un liant liquide étant en général opaques, seule la surface extérieure du boudin de matière est visible, c'est pourquoi, pour obtenir l'effet bénéfique désiré, on dira que le boudin de matière doit être transporté selon un mouvement « apparent » de roulement sans glissement.
Selon l'invention, pour fournir au racleur la matière première nécessaire au recouvrement, on procède avantageusement de la manière suivante : on forme sur la trajectoire du racleur, grâce à des moyens d'alimentation, au moins un volume de matière première dont la partie supérieure est émergeante par rapport à la surface décrite par le bord inférieur du pousseur lors du mouvement du racleur, de sorte que, lors de son parcours, le racleur arase ladite partie émergeante de matière première et la transporte en direction du champ de travail pour recouvrir la matière déjà transformée. Ce mode d'alimentation permet notamment de déporter la zone d'alimentation en dehors du champ de travail, et d'éviter la mise en œuvre de moyens d'alimentation mobiles. On peut également prévoir, en variante, une alimentation en continu en matière première non transformée. Il est avantageux d'utiliser des matières premières qui, dans leur premier état, sont des matériaux pâteux présentant un seuil d'écoulement marqué. En effet, avec de tels matériaux, on limite la profondeur sur laquelle on entraîne des mouvements au sein des couches inférieures, ces mouvements ne pouvant avoir lieu qu'à partir d'un niveau de contraintes minimal (le seuil d'écoulement). Or, plus ladite profondeur est faible, moins les risques d'apparition de ménisques, sont importants.
Dans une variante de l'invention, on effectue au moins une fois une inversion du sens de déplacement du racleur pour réaliser deux phases de recouvrement successives (séparées ou non par une phase de transformation). Ce mode permet d'éviter de faire parcourir au racleur un parcours de recyclage, qui serait nécessaire si la phase de recouvrement était réalisée toujours dans le même sens. Dans le cadre de cette variante de l'invention, il est avantageux de former le boudin de matière première entre deux pousseurs disposés parallèlement entre eux (au moins un rouleur étant disposé dans l'espace compris entre les deux pousseurs), de sorte que, lors de l'inversion du mouvement du racleur, on puisse toujours avoir un boudin en aval d'un pousseur. En effet, comme cela est décrit dans le commentaire de la figure 3, on peut faire en sorte que le boudin se détache du pousseur avec lequel il était en contact, et soit récupéré par le second pousseur après inversion du mouvement. Ainsi, il est possible de s'affranchir de la nécessité de fournir un apport de matière avant chaque phase de recouvrement. Au sens de l'invention, les deux organes pousseurs peuvent être distincts ou bien reliés par une structure monobloc du type en U inversé, ou autre.
Il n'est pas nécessaire de disposer de plus d'un rouleur, étant donné que celui-ci est placé entre les deux pousseurs, il peut être utilisé alternativement avec l'un ou l'autre des pousseurs, en adaptant éventuellement son sens de rotation au sens de déplacement. Comme cela est illustré à la figure 3, on pourra avantageusement, pour la mise en œuvre de cette variante du procédé selon l'invention, réaliser un racleur comportant au moins deux pousseurs liés à un châssis commun, ledit châssis étant lié aux moyens de guidage et d'entraînement du racleur au moyen d'une liaison par pivot. Avantageusement, on assure une élévation sensible du pousseur, situé en aval (relativement au sens de déplacement du racleur) par rapport à la surface du champ de travail, de sorte que celui-ci ne se charge pas de matière première en arasant, lors de son passage au- dessus du champ de travail, les éventuels ménisques émergeants créés lors de la phase de recouvrement précédente. Après inversion du sens de déplacement du racleur, la matière première ainsi accumulée sur le pousseur risque d'être déposée de manière incontrôlable sur le champ de travail, ce qui conduirait à la mise en place d'une couche irrégulière.
Le dispositif pour la mise en œuvre de l'invention peut comprendre :
- des moyens pour induire la transformation de la matière première dans un champ de travail - des moyens pour effectuer les phases de recouvrement utilisant au moins un racleur comportant au moins un pousseur, ledit pousseur étant constitué par un élément mécanique de forme allongée, dont le bord inférieur décrit une surface coïncidant sensiblement avec la surface du champ de travail lors du parcours du racleur au-dessus du champ de travail, et au moins un rouleur, constitué par un élément mécanique de forme allongée, disposé parallèlement au pousseur, en aval du pousseur, et entraîné en rotation, par des moyens d'entraînement, autour d'un axe sensiblement parallèle au pousseur, le ou lesdits racleur(s) étant mis en mouvement sensiblement parallèlement au champ de travail au cours des phases de recouvrement par l'intermédiaire de moyens de guidage et d'entraînement.
- des moyens pour déplacer les volumes déjà transformés par rapport au champ de travail - éventuellement un conteneur pour contenir de la matière
- des moyens pour piloter les différents organes du dispositif
- des moyens d'alimentation en matière première
Pour obtenir aisément la formation d'un boudin de matière première roulant sur lui-même au voisinage du bord inférieur du pousseur, en aval dudit pousseur, il est intéressant de disposer le rouleur par rapport au pousseur de manière à assurer l'existence d'un interstice suffisamment grand entre la surface de la couche précédemment déposée et la portion inférieure dudit rouleur. En effet, un tel interstice permet à la matière située en aval du pousseur, au voisinage du bord inférieur du rouleur, de circuler selon la trajectoire sensiblement circulaire imposée par le mouvement du rouleur, sans être « freinée » ou déviée de sa trajectoire, par la matière fixe des couches inférieures (notamment les portions transformées) avec laquelle elle entre en contact. Cet écoulement local en arc de cercle, autour de l'axe du rouleur, en aval du pousseur, permet d'amorcer la formation du boudin de matière désiré, et lorsqu'il est réalisé, d'entretenir son mouvement de rotation sur lui-même. On a pu constater qu'avec un interstice de hauteur au moins égale à l'épaisseur de la couche en cours de dépôt, la formation du boudin et sa rotation propre sont faciles à obtenir avec des pâtes peu épaisses, pour des pâtes plus épaisses il est préférable d'avoir un interstice nettement supérieur à l'épaisseur de la couche en cours de dépôt. Pour réaliser cette hauteur minimale de l'interstice (épaisseur de la couche en cours de dépôt), il suffit de disposer l'axe de rotation du rouleur à une altitude supérieure à celle du bord inférieur du pousseur, la différence d'altitude entre l'axe de rotation du rouleur et le bord inférieur du pousseur étant au moins égale à la valeur du plus grand rayon des cercles décrits par les points matériels du rouleur lors de son mouvement de rotation propre.
Le dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention peut être tel que l'axe de rotation du rouleur est disposé relativement au bord inférieur du pousseur, en aval dudit pousseur, à une altitude supérieure ou égale au plus grand rayon des cercles décrits par les points matériels du rouleur lors de son mouvement de rotation propre.
Avantageusement, le sens de rotation du rouleur est le « sens roulant », ce qui permet d'imposer au boudin de matière transporté un sens de rotation dans le « sens roulant » .
Il est intéressant de choisir un pousseur dont la face en regard avec le rouleur présente une protubérance sensiblement parallèle au bord inférieur du pousseur, la section de ladite protubérance présentant avantageusement une portion anguleuse bien marquée. En effet, on réalise ainsi une sorte de cavité dans la portion inférieure du pousseur, qui, combinée à l'action du rouleur et au déplacement du pousseur, contribue à canaliser la matière transportée par le racleur sous la forme de boudin roulant sur lui-même. Il est intéressant également de pouvoir régler facilement l'altitude de ladite protubérance, par exemple à l'aide d'une pièce rapportée plaquée contre la face aval du pousseur, comme cela est illustré à la figure 2 annexée. En effet, on a constaté que ce paramètre (altitude de la protubérance) permet d'optimiser la qualité du recouvrement effectué en fonction des caractéristiques rhéologiques du matériau traité. Par conséquent, avec un tel pousseur à « géométrie variable » , on pourra traiter de manière optimale une grande variété de pâtes, par un simple réglage mécanique, plutôt que de devoir changer le pousseur à chaque changement de matériau.
Il est avantageux de choisir un pousseur présentant une forme effilée dans sa partie inférieure. En effet, on a constaté que pour les pâtes très épaisses, la qualité des couches était nettement améliorée par la mise en œuvre d'un pousseur ayant, dans sa partie inférieure, un bord relativement tranchant. Il est intéressant de jouer, pour cette sorte d'outil de coupe, sur l'angle d'attaque et l'angle de dépouille, afin de s'adapter au mieux aux particularités de chaque matériau. Avec des pâtes, il est parfois difficile d'assurer une parfaite homogénéité de la matière, ce qui peut être gênant pour le procédé. Par exemple dans le cas où des bulles d'air sont emprisonnées lors de la réalisation du mélange, il peut en résulter l'apparition de « trous » après étalement de la matière. Pour remédier à cet inconvénient, il est intéressant de faire parcourir au racleur, une certaine course de démarrage, dans une zone externe au champ de travail, proche de la frontière du champ de travail. En effet, au cours de cette course de démarrage, avant d'atteindre son régime permanent de fonctionnement, le racleur selon l'invention brasse la matière située en aval, ce brassage ayant pour effet d'une part d'homogénéiser la matière initialement délivrée, et d'autre part, de conformer la matière pour obtenir la forme de boudin désirée.
Dans le cas où l'on désire recouvrir de grandes surfaces, avec une épaisseur de matière importante, on doit fournir au départ un volume important de matière, ce qui rend plus difficile l'opération de brassage initial. De plus, le volume de matière diminue progressivement au cours de l'opération de recouvrement, ce qui peut nécessiter, dans certains cas, une adaptation évolutive des paramètres de fonctionnement. Une telle adaptation est facilement réalisable pour ce qui concerne la vitesse de rotation du rouleur et la vitesse de déplacement du racleur, par contre il est beaucoup plus délicat de fournir des moyens pour faire évoluer les paramètres géométriques de configuration du racleur au cours du recouvrement.
L'ajout d'un second rouleur animé d'un mouvement propre de rotation permet d'améliorer le fonctionnement du racleur selon l'invention. En effet, avec un racleur constitué d'un pousseur et d'au moins deux rouleurs, on peut obtenir un brassage plus efficace qu'avec un seul rouleur, et on peut aussi atténuer les effets liés à l'évolution du volume de matière transporté. En effet, le volume de matière circulant au voisinage du rouleur le plus proche du bord inférieur du pousseur évolue peu, cette évolution est reportée sur le second rouleur qui, étant éloigné du bord inférieur du pousseur, perturbe peu l'opération de recouvrement.
Lorsque le volume de matière transportée est important, il n'est pas simple de canaliser les écoulements de matière avec un seul rouleur, notamment si l'on désire obtenir un mouvement du boudin proche du roulement sans glissement sur le champ de travail. C'est pourquoi, il est avantageux pour la réalisation du racleur, d'utiliser au moins deux rouleurs animés d'un mouvement de rotation dans le « sens roulant ».
Pour la réalisation du racleur selon l'invention, de nombreuses variantes peuvent encore être mises en œuvre : la forme géométrique de la section du pousseur peut être constante ou non le long du pousseur, le rouleur peut être choisi dans la famille des barreaux prismatiques de section circulaire, carrée, triangulaire, le nombre de rouleurs peut également être supérieur à deux, on peut associer plusieurs racleurs pour effectuer simultanément plusieurs passages (ébauche, finition par exemple) sur la même zone, etc ...
Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, plusieurs modes de réalisation représentés sur les dessins annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 représente une vue partielle d'ensemble en perspective d'un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale partielle du mode préféré de réalisation d'un racleur pour la mise en œuvre de l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement trois vues latérales d'un exemple de réalisation d'un mode particulier de réalisation des phases de recouvrement selon l'invention, avec inversion du sens de déplacement du racleur à l'étape 3B pour effectuer deux phases de recouvrement successives aux étapes 3 A et 3C. Sur la figure 1 est représentée une vue d'ensemble d'un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Un dispositif pour induire les transformations 1 dans un champ de travail 104, est disposé au dessus du centre d'un support 2 constitué par une pièce rectangulaire (de dimensions LX selon l'axe X et LY selon l'axe Y) dont la face supérieure est plane, le support étant lié à des moyens de guidage et d'entraînement 3 par l'intermédiaire d'une pièce de liaison 4. Une table T dont la face supérieure 5 est plane et horizontale, dans laquelle est pratiquée une ouverture 6 rectangulaire de dimension supérieure à LX selon l'axe X et supérieure à LY selon l'axe Y, est disposée de sorte que, lors de son mouvement, le support 2 puisse passer au travers de ladite ouverture 6. Deux autres ouvertures (7, 8) de forme allongée, de longueur approximativement égale à LX, disposées parallèlement à l'axe X, à une faible distance du bord de l'ouverture 6, sont également pratiquées dans ladite table T. Un racleur 9 de forme allongée, lié à des moyens de guidage et d'entraînement 101 pour être animé d'un mouvement de translation horizontal selon l'axe Y, est susceptible de se déplacer d'une position initiale (la position dans laquelle il est représenté en trait plein) à une position finale (9' : position du racleur représenté en pointillé). Des moyens d'alimentation en matière 103, constitués par exemple par des pistons remplis initialement de matière, ou par un dispositif de pompage, sont reliés aux ouvertures 7 et 8, pour permettre un apport de matière, selon la direction ascendante Z, au travers desdites ouvertures 7 et 8. Les ouvertures 6, 7 et 8 sont situées dans une zone basse, délimitée par le contour 10, dans laquelle la face supérieure de la table est plane et horizontale, mais dont l'altitude est légèrement inférieure à celle de la face 5. Des moyens de pilotage 102, reliés aux organes 1, 3, 101 et 103, permettent de piloter le dispositif.
Initialement, le support 2 est amené à une position telle que sa face supérieure coïncide sensiblement avec la face supérieure de la table T. De la matière est distribuée au travers des ouvertures 7 et 8, et le racleur 9 effectue un mouvement d'aller-retour entre ses deux positions extrêmes, de sorte que l'espace compris dans la zone basse, soit progressivement comblé par de la matière, la surface libre de la matière coïncidant sensiblement avec le plan de la face 5, la face supérieure du support 2 étant recouverte d'une fine couche de matière. A ce stade le cycle de fabrication peut démarrer : on réalise une première phase de transformation à l'aide du dispositif 1, de sorte que les parties transformées adhèrent au support 2, puis le support 2 est déplacé vers le bas, d'une distance correspondant à l'épaisseur de la couche désirée. On suppose que le racleur est situé à la position 9, de la matière est distribuée par l'ouverture 7, puis le racleur se déplace jusqu'à la position 9', effectuant le recouvrement souhaité. Une nouvelle phase de transformation peut alors être réalisée, puis, après descente du support 2, alimentation en matière par l'ouverture 8, et retour du racleur à la position initiale 9, on est prêt à effectuer une nouvelle phase de transformation. Le cycle peut ainsi être réalisé autant de fois qu'il est nécessaire pour empiler suffisamment de couches pour la réalisation complète d'une pièce. En fin de fabrication, le support se retrouve recouvert d'une sorte de parallélépipède de matière, formé par l'empilement des couches, la pièce étant inclue dans ce volume de matière. Le support est alors dégagé vers le bas, en vue des opérations de post traitement de la pièce (élimination ou récupération de la matière environnant la pièce, nettoyage, traitements de finition, ...).
La succession des opérations est gérée par des moyens informatiques de pilotage (102) reliés aux différents organes de la machine (1, 3, 101, 103).
Sur la figure 2 est représenté en coupe transversale un mode préféré de réalisation d'un racleur selon l'invention. Le pousseur est constitué par deux pièces (22, 24) de section constante , liées à un châssis 21, le châssis étant lié, directement ou non à des organes de guidage et d'entraînement (non représentés). La pièce 22 possède dans sa partie inférieure 23 une forme effilée. La pièce 24 est susceptible d'être déplacée selon la direction verticale (Axe Z), et possède dans sa partie inférieure une portion anguleuse 25 qui constitue une protubérance par rapport à la face de la pièce 22 en contact avec la matière première 28, de sorte que l'altitude à laquelle se situe ladite protubérance est facilement réglable, pour permettre une adaptation à différents types de matériaux. Deux rouleurs, 26 et 27, constitués par des cylindres disposés parallèlement au pousseur sont liés au châssis 21 par l'intermédiaire de paliers (non représentés) et liés chacun à un organe d'entraînement (non représenté) pour être animés d'un mouvement de rotation propre dans le « sens roulant ». L'ensemble du racleur ainsi constitué est déplacé en translation selon l'axe Y (dans le sens indiqué par la flèche F), entraînant un volume de matière 28, qui, du fait du mouvement de rotation propre des rouleurs, est amené à former une sorte de boudin de section pratiquement constante le long de son axe, roulant sur lui-même selon un axe de rotation parallèle au racleur (ce mouvement de rotation de la matière entraînée est symbolisé par les petites flèches au sein du volume 28), conformément au procédé selon l'invention, et roulant sur la surface libre de matière déjà déposée (représentée par le plan 29). Au voisinage de la zone 30, une portion du volume de matière transporté est déposée sur la surface 29 (alimentation en aval), ce dépôt étant égalisé par le bord inférieur du pousseur au voisinage de la zone 31 pour réaliser, en amont, une nouvelle surface libre de matière, coïncidant sensiblement avec l'altitude du champ de travail 32. Les paramètres essentiels de réglage de ce dispositif sont les suivants : Dl et D2 diamètres respectifs des cylindres 26 et 27, Al et A2 vitesse angulaire de rotation respective des cylindres 26 et 27, (Zl, Yl) et (Z2, Y2) les coordonnées des axes respectifs des pièces 26 et 27 par rapport au point de contact entre la surface 32 et la partie inférieure de la pièce 22, ZC et YC les dimensions de la cavité formée par l'assemblage des pièces 23 et 24 (ZC étant facilement réglable par déplacement de la pièce 24), enfin VY la vitesse de déplacement de l'ensemble.
Dans le mode préféré de réalisation, les valeurs choisies sont les suivantes : Dl et D2 compris entre 2 et 20 mm, Al et A2 compris entre 10 et 1500 tours/minute, Zl (respectivement Z2) compris entre 0.5 et 4 fois Dl (respectivement D2), Yl (respectivement Y2) compris entre 0.5 et 6 fois Dl (respectivement D2), YC compris entre 0.5 et 10 millimètres , ZC compris entre 2 et 20 millimètres , et VY compris entre 1 et 200 millimètres/seconde. Si la distance ZC est nettement supérieure à la distance Zl ou
Z2, la matière située dans la zone 23 risque d'être aspirée vers le haut, ce qui pourrait provoquer un détachement de la matière, voire un manque de matière au niveau de la zone 23. En revanche, plus la distance ZC est proche de la distance Zl ou Z2, plus la pièce 24 viendra comprimer la matière vers le bas dans la zone 23. Un bon compromis consisterait à prévoir une distance ZC sensiblement égale à deux fois la distance Zl, pour équilibrer la force de remontée de la matière entraînée par le rouleur 26, avec la force de compression de la matière du fait de la protubérance 24. Par ailleurs, il est avantageux de prévoir la portion anguleuse 25 avec un point de rebroussement, afin d'éviter que la matière remonte le long de la pièce 24 et conduise à un détachement de la matière par rapport au pousseur et au rouleur.
Sur la figure 3 est représenté un racleur constitué par l'assemblage de deux ensembles identiques dans une configuration « face à face », permettant d'effectuer une inversion du sens de déplacement du racleur entre deux phases de recouvrement successives (mouvement de va et vient). Le fonctionnement de ce dispositif est schématisé en trois étapes (3A, 3B et 3C). Les deux ensembles 40 et 41 sont constitués chacun, pour l'exemple représenté, d'un pousseur et de deux rouleurs, dans une configuration symétrique telle que les rouleurs sont situés dans l'espace compris entre les deux pousseurs.
Cette association est réalisée par deux pièces en forme de T situées aux extrémités de l'ensemble allongé formé par les deux racleurs, de manière à réaliser une sorte de portique. Sur le schéma, en vue de côté, seule l'une des extrémités du portique a été représentée. La pièce en T représentée, constituée par une barre « horizontale » 42, et une jambe « verticale » 43, est reliée à un chariot CH guidé en translation parallèlement au champ de travail représenté par la ligne 45, la liaison étant réalisée au moyen d'un pivot P. L'extrémité inférieure du T est reliée, dans l'exemple représenté, par un second pivot P', à des moyens d'entraînement constitués ici par une courroie 46 ayant une portion parallèle au champ de travail 45, ladite courroie étant entraînée par des moyens d'entraînement (moteur, poulie, ... : non représentés). Deux butées réglables (47, 48) situées sur le chariot CH, permettent de limiter le mouvement de basculement de la pièce en T. Sur la figure 3A, une force dirigée selon la flèche FA est appliquée à la courroie, provoquant un basculement du portique selon le sens indiqué par la flèche B. Lorsque la pièce 43 arrive en contact avec la butée 47, le portique est bloqué dans son mouvement de pivot, et est entraîné en translation dans la direction de la flèche FA. Le réglage de la butée 47 permet de faire coïncider l'altitude de la couche déposée par la portion 40 du racleur avec le plan de travail 45. Le boudin de matière 49 a été représenté au voisinage de la portion 40 du racleur , ce volume de matière est transporté dans la direction FA pour effectuer le recouvrement. Sur la figure 3B, la force appliquée sur la courroie est inversée (direction FB), ce qui se traduit par un basculement du portique selon le sens B'. Lors de ce basculement, le boudin de matière 49 reste en contact avec le plan de travail 45, et quitte donc la portion 40 du racleur qui a été élevée par rapport à la surface 45 lors du basculement. Sur la figure 3C, le mouvement de basculement amorcé à la figure 3B est achevé, la pièce 43 étant entrée en contact avec la butée 48. Le réglage de la butée 48 est tel que l'altitude de la couche déposée par la portion 41 du racleur coïncide sensiblement avec le plan de travail 45, de sorte que, lors du mouvement de translation (selon la flèche FB, une fois le basculement terminé), la portion 41 du racleur se charge du volume de matière 49 pour effectuer un recouvrement sur le champ de travail. On constate que dans le mouvement de va et vient du dispositif, la matière est transférée d'un racleur à l'autre (ou, si l'on considère l'ensemble comme un racleur unique, d'un côté à l'autre du racleur), ce qui permet éventuellement d'alimenter l'ensemble une seule fois pour effectuer plusieurs phases de recouvrement successives. Ainsi, on peut se limiter à une seule zone de distribution de la matière, au lieu des deux zones (ouvertures 7, 8) représentées dans le cas de la figure 1. Le basculement autour d'un pivot permet de réaliser très simplement une élévation de la portion inférieure du pousseur du racleur (inactif) situé en aval, pour éviter que ce pousseur inactif arase de la matière au cas ou la surface libre de matière présenterait des défauts (ménisques vers le haut), ce qui conduirait, comme cela a été signalé plus haut, à des risques de dépôt incontrôlé de matière, lors du retour de ce pousseur inactif (qui devient alors le pousseur actif).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de prototypage rapide pour la production de pièces tridimensionnelles par transformation de volumes successifs d'une matière première d'un premier état en un second état, au moyen d'un dispositif induisant ladite transformation (1), et d'au moins un racleur (9, 40, 41) comprenant au moins un organe rouleur (26, 27), ledit procédé comportant une répétition d'un cycle comprenant les étapes suivantes :
- au moins une phase de transformation de la matière première dans au moins une partie d'un champ de travail (104, 32, 45) grâce au dispositif induisant la transformation (1),
- au moins une phase de recouvrement de la matière transformée (PI) par de la matière non transformée (MAT), ladite phase de recouvrement consistant notamment à déplacer le racleur dans une direction donnée dite de recouvrement (F) et à entraîner en rotation autour d'un axe ledit organe rouleur sur lequel s'enroule au moins en partie un boudin de matière première non transformée (28, 49), ledit procédé comportant, à au moins un instant, au moins une phase d'alimentation en matière première non transformée, en aval du racleur, caractérisé par le fait qu'il consiste, dans au moins une phase de recouvrement, à disposer une partie dite organe pousseur (21) dudit racleur de façon que le bord proximal (23) dudit organe pousseur coïncide sensiblement avec la surface dudit champ de travail lors du parcours du racleur dans ladite direction de recouvrement (F), pour pousser la matière non transformée à recouvrir le champ de travail, et à positionner ledit organe rouleur en aval dudit organe pousseur, par rapport à la direction de recouvrement, et en regard de celui-ci, de façon à canaliser le boudin de matière non transformée (28, 49), circulant selon une trajectoire en boucle autour du (ou des) organe(s) rouleur(s) précité(s), vers une cavité formée entre le bord proximal (23) de l'organe pousseur et l'organe rouleur en vis à vis.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à entraîner l'organe rouleur (26, 27) en rotation dans un sens tel que le boudin de matière (28, 49) présente dans sa portion proximale au niveau du champ de travail, une composante de vitesse de sens opposé à ladite direction de recouvrement (F) précitée.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il consiste à entraîner l'organe rouleur (26, 27) avec une vitesse (Al, A2) telle que le boudin de matière roule sans glisser sur le champ de travail, pour amener la matière située dans la portion proximale (30) dudit boudin à se déposer avec une vitesse pratiquement nulle sur le champ de travail.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que, lors d'au moins une phase d'alimentation, le procédé consiste à alimenter en matière première non transformée le champ de travail de façon que ledit volume de matière première alimenté présente une portion émergente par rapport à la surface (32, 45) décrite par le bord proximal (23) de l'organe pousseur (21) lors du déplacement du racleur dans la direction de recouvrement (F), de sorte que ledit racleur, lors de son parcours, vienne araser ladite portion émergente de matière première et la pousse en direction du champ de travail pour recouvrir la matière déjà transformée (PI).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ladite matière première dans son premier état est un matériau pâteux présentant une viscosité supérieure à environ 10.000 centiPoises ou présentant un seuil d'écoulement tel que la matière ne s'écoule pas lorsqu'une contrainte de cisaillement qui lui est appliquée reste inférieure à 20 N/m2.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il consiste à prévoir un racleur à au moins deux organes pousseurs (40, 41) face à face, entre lesquels est disposé au moins un organe rouleur, à déplacer ledit racleur dans un sens (FA) de façon que le boudin de matière (49) se forme entre un premier organe pousseur (40) et un organe rouleur lors d'une phase de recouvrement, et à inverser le sens de déplacement (FB) dudit racleur, lors de la phase de recouvrement successive, séparée ou non par une phase de transformation, pour détacher le boudin de matière (49) du premier organe pousseur et le transférer entre un organe rouleur et le second organe pousseur (41), chaque organe pousseur étant alternativement actif puis inactif, selon le sens de déplacement du racleur.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à prévoir au moins deux organes rouleurs (26, 27) autour de l'ensemble desquels circule en boucle le boudin de matière (28, 49), pour éloigner du bord proximal (23) de l'organe pousseur le brassage de la matière lors de la phase de recouvrement.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à prévoir une protubérance (24) au droit du pousseur (21), s 'étendant en direction de l'organe rouleur (26) et à distance (ZC) du bord proximal (23) de l'organe pousseur, afin d'assurer une circulation en boucle du boudin de matière (28) autour de l'ensemble du (ou des) organe(s) rouleur(s).
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à positionner au moins un organe rouleur (26, 27) de façon que son axe de rotation soit situé à une distance (Zl, Z2) de la surface du champ de travail (32) telle que ledit organe rouleur définisse avec la couche de matière déjà transformée (PI) un interstice intercalaire d'épaisseur au moins égale à la couche de matière non transformée à appliquer.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il consiste à faire parcourir au racleur (9, 40, 41), une certaine course de démarrage, dans une zone externe au champ de travail, proche de la frontière de celui-ci, pour que le racleur brasse la matière située en amont, en homogénéisant la matière alimentée et en conformant la matière en forme de boudin.
11. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant :
- des moyens pour induire la transformation (1) de la matière première dans un champ de travail (104, 32, 45),
- des moyens d'alimentation en matière première (103),
- un racleur (9, 40, 41) comportant au moins un organe rouleur (26, 27),
- des moyens pour effectuer au moins une phase de recouvrement, lesdits moyens comprenant des moyens d'entraînement en translation du racleur et des moyens d'entraînement en rotation du (ou des) organe(s) rouleur(s), - des moyens (2, 3, 4) pour déplacer les volumes déjà transformés (PI) par rapport au champ de travail, caractérisé par le fait que ledit racleur (9, 40, 41) comporte au moins un organe pousseur (21) dont le bord proximal (23) est apte à coïncider sensiblement avec la surface du champ de travail lors du parcours du racleur, l'organe rouleur étant situé en vis à vis dudit organe pousseur et en aval de celui-ci par rapport à la direction de recouvrement (F), l'axe de rotation de chaque rouleur étant situé en vis à vis de l'organe pousseur.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l'axe de chaque organe rouleur (26, 27) est situé à une distance (Zl, Z2) du bord proximal (23) de l'organe pousseur (21) supérieure à la distance entre ledit axe et le point périphérique le plus externe dudit organe rouleur associé.
13. Dispositif selon les revendication 11 ou 12, caractérisé par le fait que l'organe pousseur (21) présente une protubérance (24) faisant saillie en direction de l'organe rouleur (26) et du côté opposé au bord proximal (23) de l'organe pousseur, par rapport à l'axe dudit organe rouleur, pour définir un canal de circulation du boudin de matière (28) autour de l'organe rouleur, au voisinage de l'organe pousseur.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ladite protubérance (24) présente une extrémité libre (25) pointue, sensiblement au niveau où le boudin de matière (28) se détache de la protubérance.
15. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé par le fait que l'un au moins des organes pousseurs comporte un bord proximal (23) de forme effilée.
16. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un racleur (40, 41) comportant au moins deux organes pousseurs disposés face à face, au moins un organe rouleur étant disposé dans l'espace compris entre lesdits organes pousseurs, ledit racleur étant lié à un organe de guidage (CH) apte à déplacer ledit racleur parallèlement au champ de travail, la liaison entre le racleur et l'organe de guidage étant apte à assurer une élévation de l'organe pousseur situé en aval, lors du mouvement de translation de l'organe de guidage.
17. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 16, caractérisé par le fait qu'il comporte un portique sensiblement en forme de T dont la jambe verticale (43) est reliée à un chariot (CH) guidé en translation parallèlement au champ de travail, et dont la barre horizontale (42) porte au voisinage de chacune de ses extrémités un organe pousseur (40, 41), chaque organe pousseur étant tourné vers la jambe verticale (43) du T et chaque organe rouleur étant situé entre lesdits organes pousseurs, ledit portique étant apte à basculer de façon que seul un organe pousseur à la fois soit actif au cours de la phase de recouvrement, dans un sens de déplacement donné du portique.
18. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 17, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'alimentation (103) sont reliés à au moins deux ouvertures (7, 8) débouchant de part et d'autre du champ de travail, pour distribuer sélectivement la matière à travers l'une ou l'autre desdites ouvertures, qui est la plus proche de la position initiale (9, 9') du racleur, avant chaque phase de recouvrement successive. 19. Pièce tridimensionnelle obtenue, selon le procédé de prototypage rapide, par transformation de volumes successifs d'une matière première d'un premier état en un second état, caractérisée par le fait que ladite matière première est un matériau pâteux présentant un seuil d'écoulement tel que la matière ne s'écoule que lorsqu'une contrainte de cisaillement qui lui est appliquée dépasse environ 20 N/m2.
20. Dispositif de prototypage rapide, comprenant :
- des moyens pour induire la transformation (1) de la matière première dans un champ de travail (45), - des moyens d'alimentation en matière première (103),
- au moins un racleur (40, 41) comportant au moins deux organes pousseurs disposés face à face,
- des moyens pour effectuer au moins une phase de recouvrement, lesdits moyens comprenant des moyens d'entraînement (CH, 46) en translation du racleur selon un mouvement de va-et-vient, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (47, 48) pour assurer une élévation de l'organe pousseur situé en aval dans la direction de déplacement (FA, FB) du racleur par rapport à la surface du champ de travail (45), de sorte que l'organe pousseur en position élevée ne transporte pas de matière première lors de son trajet et reste inactif, seul l'autre organe pousseur en amont étant actif, chaque organe pousseur étant alternativement actif ou passif selon le sens de déplacement du racleur.
REVENDICATIONS MODIFIEES
[reçues par le Bureau International le 10 Juillet 2000 (10.07.00); revendication 19 supprimée; autres revendications inchangées (1 page)] la jambe verticale (43) est reliée à un chariot (CH) guidé en translation parallèlement au champ de travail, et dont la barre horizontale (42) porte au voisinage de chacune de ses extrémités un organe pousseur (40, 41), chaque organe pousseur étant tourné vers la jambe verticale (43) du T et chaque organe rouleur étant situé entre lesdits organes pousseurs, ledit portique étant apte à basculer de façon que seul un organe pousseur à la fois soit actif au cours de la phase de recouvrement, dans un sens de déplacement donné du portique.
18. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 17, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'alimentation (103) sont reliés à au moins deux ouvertures (7, 8) débouchant de part et d'autre du champ de travail, pour distribuer sélectivement la matière à travers l'une ou l'autre desdites ouvertures, qui est la plus proche de la position initiale (9, 9') du racleur, avant chaque phase de recouvrement successive.
19. Dispositif de prototypage rapide, comprenant :
- des moyens pour induire la transformation (1) de la matière première dans un champ de travail (45),
- des moyens d'alimentation en matière première (103),
- au moins un racleur (40, 41) comportant au moins deux organes pousseurs disposés face à face,
- des moyens pour effectuer au moins une phase de recouvrement, lesdits moyens comprenant des moyens d'entraînement (CH, 46) en translation du racleur selon un mouvement de va-et-vient, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (47, 48) pour assurer une élévation de l'organe pousseur situé en aval dans la direction de déplacement (FA, FB) du racleur par rapport à la surface du champ de travail (45), de sorte que l'organe pousseur en position élevée ne transporte pas de matière première lors de son trajet et reste inactif, seul l'autre organe pousseur en amont étant actif, chaque organe pousseur étant alternativement actif ou passif selon le sens de déplacement du racleur.
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