WO2020083833A1 - Manufacture of piezoelectric components and devices with a three-dimensional printing method - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for manufacturing piezoelectric components and devices, a manufacturing apparatus suitable for implementing such a method and a piezoelectric system obtainable using such a method.
- the invention is based on three-dimensional printing techniques, also called additive manufacturing.
- Plastronics which allows electronics to be integrated into plastic objects, particularly uses the three-dimensional printing of components for various applications: health, for example a connected soleplate or physiological sensors; rehabilitation devices, for example a rehabilitation system adapted to patients and exercises;
- vehicle parts and components such as a dashboard with sensors, or a bumper with sensors;
- Voxel8 a spin-off from Harvard University, which offers a platform that combines the printing of the structure of the object by FDM deposition, the printing of a metallic ink by "Direct Ink Writing". (DIW, or “Direct continuous ink printing” in French) for the conductive tracks of the circuit, and a positioning system for discrete components.
- DIW Direct Ink Writing
- This platform allows the routing of electronic components placed more or less automatically in a mechanical structure, giving rise to on-board electronics on the 3D object.
- piezoelectric 3D objects such as sensors or actuators, and the printed structures are necessarily rigid.
- Inkjet printers can be used to produce flexible electronics, but mainly on a flat substrate, or on an already manufactured support.
- the invention aims to overcome the aforementioned drawbacks and limitations of the prior art. More particularly, it aims to enable the production of piezoelectric components or devices by three-dimensional printing by depositing molten filament of polymers with a single technology, and to provide a platform for manufacturing the structural parts and the functional parts of the piezoelectric component or device. It also allows optimal integration of components, great freedom of form, short design and manufacturing cycles, reduced cost of raw materials and of the printing device and partial or even total recyclability of the parts produced.
- this object is achieved by using, during 3D printing of the piezoelectric component, electrical polarization by the Corona effect, advantageously carried out at a temperature of at least 25 ° C, to make piezoelectric at least part of the deposited polymer, the latter forming the mechanical structure of the component.
- An object of the invention is therefore a method of manufacturing a piezoelectric component comprising a step of manufacturing a three-dimensional structure by three-dimensional printing by multilayer deposition of molten wire of a polymer, copolymer or composite material based on polymer or copolymer, on a printing medium comprising at least one conductive part, and a step of electrically polarizing at least a part of the three-dimensional structure, so as to make piezoelectric at at least part of this structure, characterized in that the electrical polarization step is a polarization effected by the Corona effect or a contact polarization, the polarization step being carried out during or following the step of manufacturing the mechanical structure, and characterized in that at least part of the printing medium is heating and has a surface tension greater than 70 mN / m.
- the polarization step is carried out at a temperature of at least 25 ° C, preferably at a temperature above 80 ° C;
- the deposited material is chosen from PVDF, P (VDF-TrFE), PVF, PVC, P (VDCN / VAc), PTUFB, Nylon-11, Nylon-11 / PVDF, PVDF / PZT, and Rubber / PZT; the method also comprises a step of manufacturing a first electrode by three-dimensional printing by depositing a conductive ink, preceding the step of manufacturing the three-dimensional structure, and a step of manufacturing a second electrode by three-dimensional printing by deposit of a conductive ink, according to the polarization step, at least part of the material being deposited on the first electrode, the first electrode forming the conductive part of the printing medium and at least part of the second electrode being deposited on the material ;
- the method comprises the manufacture of two electrodes
- it may comprise the use of at least two separate deposition heads for the deposition of the material and of the conductive ink, and the two stages of manufacture of the electrode may be followed by a step of drying the conductive ink by ultraviolet which can be carried out by the use of an ultraviolet light source fixed on the head for depositing the conductive ink;
- the step of manufacturing the three-dimensional structure comprises depositing a layer of a conductive material on a polarized layer of the material;
- the polarization step is polarization effected by the Corona effect, and in this case, a positive voltage can be applied between the conductive part of the printing medium and a printing nozzle placed above the surface of the deposited material or between the layer of conductive material and a printing nozzle placed above the surface of the deposited material; and the method also includes a step of generating a print file for producing at least one piezoelectric component, this step being implemented by computer and comprising:
- a substep consisting in providing the computer with data indicative of a position of one or more points of contact between the electrodes and the material, of a spatial region where the component is to be manufactured, of at least an electrical property of the materials making up the piezoelectric component, and a voltage to be applied for the polarization step;
- a sub-step for generating the print file allowing the geometry to be produced by three-dimensional printing of the piezoelectric component.
- Another object of the invention is an apparatus for implementing a method according to one of the embodiments of the invention comprising a three-dimensional printer of the molten wire deposition type having at least one deposition head carried by a printing carriage and a printing medium, characterized in that the deposition head is configured to deposit a polymer, copolymer or composite material based on polymer or copolymer, and to polarize by Corona effect or by contact at least part of the material deposited and in that the print medium is heated.
- the apparatus comprises a computer system for generating a print file for controlling the three-dimensional printer so as to manufacture a piezoelectric component, the computer system being configured to: receive input data indicative of a position of one or more contact points, of a spatial region where the component is to be manufactured, of at least one electrical property of the materials composing the piezoelectric component and of a voltage to be applied for the polarization step; calculating a geometry of the component by applying to the data of a predefined mathematical model; and generating a print file making it possible to produce the geometry by three-dimensional printing of the piezoelectric component.
- Yet another object of the invention is a piezoelectric system comprising two conductive electrodes surrounding a three-dimensional piezoelectric multilayer structure, characterized in that the three-dimensional structure and the electrodes are made in one piece by three-dimensional printing of at least one first material polymer, copolymer or composite based on polymer or copolymer forming said three-dimensional structure and at least one second conductive material forming the two electrodes and in that at least part of the three-dimensional structure is electrically polarized by Corona effect or by contact .
- FIG. 1 a three-dimensional printing device according to a embodiment of the invention
- FIG. 2 a diffractogram of two polymeric materials printed according to another embodiment of the invention.
- FIGS. 3A - 3C a vibration sensor produced according to another embodiment of the invention, as well as its responses in output voltage; and FIGS. 4A and 4B, the measured displacements of an actuator produced according to the same embodiment as the vibration sensor as a function of the applied voltage and as a function of the applied frequency.
- FIG. 1 shows a three-dimensional printing device 120 according to an embodiment of the invention.
- the printer 120 comprises at least one extrusion head or deposition head 110, suitable for depositing a polymer material, carried by a printing carriage 121, movable in three orthogonal directions x, y and z (the z direction corresponding to the direction of extrusion of the deposition head 110), by means of a movement 122, the structure of which is not shown in detail, since it is conventional, controlled by a computer system 123 (computer or microcontroller card).
- the printer 120 may comprise several separate deposition heads to facilitate the deposition of several different materials, for example a polymeric material 102 and a conductive material 107.
- the same head can however be used to deposit several materials different, but this slows down the process, because it is necessary to change the feed material of the head and introduces a risk of contamination.
- These deposit heads can be arranged side by side and be carried by the same printing carriage or by separate printing carriages.
- An actuating mechanism 124 makes it possible to adjust the relative vertical position (in z) of each deposition head with respect to the other heads or with respect to the printing surface. This makes it possible in particular to raise the inactive heads during the production of complex structures, where the risk of collision between the deposition heads and the elements already printed becomes significant. Even in the case of single-layer printing, residues present on the inactive heads are found involuntarily and uncontrolled, which can alter the aesthetic and functional properties of the final device. For example, this can lead to short circuits between conductive tracks.
- each deposition head 110 comprises a nozzle 106, a heating block 105, a heat cut screw 103 and a radiator 101.
- the heating block 105 also comprises a heating cartridge 104.
- the polymer filament 102 is driven by an extrusion motor towards the nozzle 106.
- the filament is pushed through the screw 103 to the heating block 105.
- the heating block 105 transmits heat to the edges of the nozzle 106 by thermal conduction.
- the filament is brought to the deposition head 110 in the form of a coil 125.
- the temperature of the heating block depends on the material deposited. Indeed, the different materials are not always available on the market in the form of filaments for 3D printing. For example, the filaments of P (VDF-TrFE) do not exist on the market, the inventors therefore had to adapt this material and the printing parameters to produce an object printed in 3D.
- new filaments based on PVDF or on copolymer P can be manufactured and used as raw materials for printing objects at a temperature between 150 ° C and 280 ° C.
- the molten polymer flows through the outlet of the nozzle 106.
- the deposition of the polymers, and more generally of the other materials, takes place above a printing medium 100.
- the support 100 and the deposition head 110 can move so as to stack the deposited layers or to draw a geometric shape with the deposited polymer to form a three-dimensional object.
- the deposited polymer then constitutes the mechanical structure of the piezoelectric component.
- the control of the quantity of material by the printer can be carried out by a simple weight control, by knowing the density of the filament, the weight of the spool 125 (standard, but can be deduced from its dimensions and the density of the material constitutive), and the diameter of the filament. Weight can be measured by a simple pressure sensor, or a more complex force sensor. For the sake of accuracy, the real-time measurement of the weight by the sensor can be supplemented by a more conventional approach which consists in using a contact sensor to measure the number of rotations performed by the coil. At each revolution, a counter increments by 1. The length consumed for a complete revolution is equal to the perimeter of the coil; by multiplying this length by the section of the filament and by its density, we obtain the quantity of material deposited.
- the reliability of the printing of the mechanical and functional structure of the piezoelectric component depends in particular on the precision of the positioning of the different deposition heads 110. It is first of all based on an automated calibration procedure for the spacing between the heads of deposit 110 and the support 100 (in the direction z), and for the position of the heads in the plane (x, y) of the support 100.
- the calibration of the spacing between the deposition heads 110 and the print medium 100 in height (z), and of the flatness of the medium 100 is generally done by means of a sensor. limit switch and an adjustment of the corners of the support 100. But when using large surface supports (for example of the order of 20 cm x 20 cm or more), it becomes difficult to ensure its flatness and therefore the use of a limit switch is not satisfactory. This is why a capacitive sensor 126 secured to the printing carriage 121 may be present on the printing apparatus 120. This sensor 126 makes it possible to calibrate the support 100 at several points without touching it and to avoid inaccuracies. mechanical inherent to mechanical limit switches commonly used on servomotors. The capacitive sensor 126 acts as a contactless switch. Unlike an inductive sensor, it detects non-ferrous materials such as glass, wood, skin, etc. This sensor 126 will simply replace the limit switch by being installed directly on the printing carriage 121.
- the calibration of the position of the deposition heads 110 in the plane (x, y) of the support 100 is important in order to properly align or stack the layers of material deposited with the different heads.
- a first layer making, for example, a surface of the three-dimensional structure of the piezoelectric component
- an initial calibration is carried out using the capacitive sensor 126 with integrated ground electrode, and metallic mass electrodes placed in the corners of the support 100 Indeed, at constant distance between the sensor and the support, the measured capacity will be greater with a metal piece between the two electrodes of the sensor rather than with a coating or insulating material of the support.
- the capacitive sensor also works with insulating materials, so the presence of this metal part is not compulsory. It is also possible to take other measurement points on the support to increase accuracy.
- the alignment with the previous layer and with the part printed with another material must be checked using a servo visual using a camera 127 connected to an image processing system, which coincides with the computer control system 123 in the embodiment of FIG. 1.
- the visual control is carried out as follows: an image of the printing surface, on which at least one layer of material has been deposited, is acquired by the camera 127; possibly several images can be acquired and averaged to improve the signal to noise ratio;
- a reference point is chosen on the image, automatically or manually;
- the calibration camera 127 can be integral with the printing carriage 121, with a relative position relative to the known deposit heads 110.
- the camera 127 can be fixed and use a visual cue fixed to the printing carriage 121 to determine the relative position of the latter relative to the reference point on the image.
- the polar domains which constitute the deposited polymer material must be oriented under an electric field, either by the Corona effect (contactless polarization), or by application of a high electric field between two electrodes placed below and above the object (contact polarization).
- a Corona system can be used in the printer 120.
- the Corona system can be fixed to the deposition head 110 of the polymer, and more advantageously the printing nozzle 106 of the polymer is used as in a Corona system .
- the print nozzle 106 is moved above the polymer layer at a minimum distance of 1 mm from the deposited layer, and a voltage of at least 10 kV is applied for at least 5 s between the nozzle d printing 106 and a conductive part of the printing medium 100 connected to an electrical ground.
- a voltage of at least 10 kV will be applied between the print nozzle 106 and a conductor, which may be the conductive part of the print medium 100 or a intermediate conductive layer deposited on already polarized polymer layers and on which are deposited the layers to be polarized.
- a conductor which may be the conductive part of the print medium 100 or a intermediate conductive layer deposited on already polarized polymer layers and on which are deposited the layers to be polarized.
- the distance between the printing nozzle 106 and the deposited polymer layer is 2 cm
- the applied voltage is 14 kV for 3 min.
- the measured values of d 33 remain low and are also unstable over time.
- the inventors have realized that by carrying out the polarization at a higher temperature (for example between 100 ° C. and 140 ° C.), large d 33 values can be obtained (up to 15 pC / N). Table 1 shows the values of d 33 obtained with and without polarization. These observations remain valid even when the number of layers
- Table 1 Values of d 33 for a printed object with a polarization temperature between 100 ° C and 140 ° C
- Table 2 Values of d 33 for different deposited layers
- At least part of the printing medium 100 can therefore be heated.
- the polarization of the layers can be done as the deposition takes place or can be done at the end of the deposition. We can therefore polarize each layer as soon as it is deposited or polarize all of the layers when all the layers have been deposited.
- the heating part of the support has a surface tension greater than 70 mN / m (70 dynes / cm); this is typically obtained by means of a suitable coating, for example by means of a film based on PET functionalized so as to obtain a surface tension greater than 70 dynes / cm.
- the printing medium 100 therefore comprises at least one conductive part and at least one heating part whose surface tension is greater than 70 mN / m.
- electrodes can also be deposited.
- a first electrode 107 is printed. It then constitutes the conductive part of the printing medium 100 on which the polymer is at least partly deposited.
- a second electrode is at least partially printed on the layer of polarized polymer.
- These electrodes can be made on the basis of conductive ink based on solvent or conductive ink curable by ultraviolet or on any conductive ink which can be dried.
- conductive ink curable by ultraviolet will be used, because the drying of the solvent-based ink is too slow or else if it is carried out by heat treatment, it may cause deformations of the samples.
- the ink depositing head 111 is based on the “Eco-pen 300” dosing system 128.
- the ink deposition head can be fixed to the support of the polymer deposition head or be independent.
- the shape of the electrode layer is produced by the movement of the actuators 124 on the x, y and z axes.
- the deposition rate and the movements of the head are also controlled by the computerized control system 123.
- the printing of an electrode consists, for example, in depositing a layer of conductive silver ink with a thickness of 50 ⁇ m . Then the ink is subjected to ultraviolet radiation for drying.
- the ultraviolet source 129 can be fixed to the ink deposition head, advantageously, the UV source is a UV optical fiber.
- the ink layers are also possible to stack the ink layers so as to create 3D electrodes or to create conductive tracks at the ends of the electrodes.
- the heads for depositing the polymer and the conductive ink are separate.
- the polymer can also be polarized during its deposition.
- a printing nozzle placed above the surface of the deposited polymer material is connected to a high voltage generator by a special cable.
- the cable can withstand voltages of a few kilovolts, for example between 15 kV and 30 kV and it is flexible so that it can follow the print nozzle.
- the generator then makes it possible to apply, during printing, a positive voltage between the printing nozzle placed above the surface of the polymer material deposited and the conductive part of the printing medium 100.
- this nozzle is the polymer material print nozzle.
- the polarization and voltage parameters are sent to the generator by the control computer system 123.
- one or more layers of polymeric material can be deposited.
- a voltage of 2.5 xz kV / mm is applied during deposition, with z the distance between the deposition head and the conductive part of the support. This polarization is called contact polarization.
- the nozzle 106 can be made of metal or ceramic.
- the heat cut screw 103 can be made of aluminum or ceramic, for example aluminum nitride.
- the heating block 105 can be made of ceramic, and the radiator 101 can be made of aluminum. Nevertheless, if the printing nozzle 106 of the polymer is made of metal (for example brass or stainless steel) and it is used for the polarization therefore connected to a high voltage source, the amplitude of the voltage applied for the polarization is limited by the breakdown voltage. This breakdown voltage represents the voltage value from which an electrical discharge occurs between the nozzle and another conductive element having a lower potential (if necessary earthed, ie 0 V).
- the heating block 105 must be made with a dielectric ceramic material.
- the ceramic must have good thermal conductivity.
- the main ceramics combining good thermal conductivity and good dielectric constant are alumina (38), aluminum nitride (285), beryllum oxide (370), boron nitride (300) and cubic boron nitride (1300).
- alumina 38
- aluminum nitride 285
- beryllum oxide 370
- boron nitride 300
- cubic boron nitride 1300.
- the volume of the heating block is increased 105 and therefore the power required to reach the extrusion temperatures. This distance depends on the electrical constant of the ceramic constituting the heating block 105. For example, to obtain a breakdown voltage of 10 kV, the inventors calculated a distance of 2.5 mm between the nozzle 106 and the heating cartridge 104 for a ceramic having an electrical constant of 65 kV / mm.
- the deposited material 102 can be a polymer, a copolymer or a composite based on a polymer or copolymer.
- the material deposited is of PVDF type, this includes PVDF, polymers and copolymers based on PVDF or composites having a polymer or copolymer based on PVDF as a matrix.
- the deposited material may contain, for example, piezoelectric ceramic particles. More generally, the deposited material, called polymer material, contains polar domains which can be oriented, polymers of the PVDF type are moreover an example of this.
- the deposited polymer is a copolymer, and more particularly P (VDF-TrFE).
- P (VDF-TrFE) when it is printed, P (VDF-TrFE) has a high phase b rate (diffractogram in Figure 2, showing the phase b rate for PVDF and P (VDF-TrFE) after printing according to the same embodiment of the invention).
- This makes it possible to obtain a piezoelectric coefficient d 33 up to 15 pC / N for P (VDF-TrFE) whereas for printed PVDF, d 33 remains less than 0.8 pC / N.
- the polymer material deposited is for example chosen from: PVDF, P (VDF-TrFE), PVF, PVC, P (VDCN / VAc), PTUFB, Nylon-ll / PVDF, PVDF / PZT, and Rubber / PZT.
- a design interface 130 is advantageously provided.
- This interface 130 is a computer system (computer, computer network, microprocessor card, etc.) programmed to receive as input parameters of a piezoelectric component to be manufactured, such as the desired electrical properties, the position of its points of making contact, its location within or on the surface of a mechanical structure, etc. and providing as output, thanks to the application of appropriate algorithms, a print file (generally in G-Code format) which allows piloting the three-dimensional printer
- the interface 130 is notably composed of computer-aided design software 131, called CAD software, a plugin 132 executed by CAD software 131, software 135, called P-Tronics software, and d 'a “slicer” 136.
- the plugin 132 makes it possible to transmit the 3D model designed by the user in the CAD software 131 to the P-Tronics 135 software as well than the materials and parameters chosen.
- This plugin 132 advantageously allows the P-Tronics 135 software to receive the 3D model designed by any CAD software.
- P-Tronics 135 software allows the user to add components and / or modify the 3D model received, to communicate with the slicer 136 which allows to analyze and visualize a 3D image layer by layer and to convert the model 3D in G-Code usable by the printer 120 and to provide the printer 120 with a print file 133 in G-Code.
- the CAD software 131.1 plugin 132 and the software 135 can use a database 134 grouping together a library of components, materials, etc.
- the software 135 and the slicer 136 make it possible to: generate a single component
- the user chooses, in the CAD software 131, the type of component to be generated, then the parameters of the component, such as its dimensions or the parameters specific to each type of component.
- a CAD document is then created, containing only the desired component (and if necessary an insulating support layer of the same dimensions).
- the user can then generate new components and / or conductive tracks. To do this, it delimits areas in the document, defining the location and size of the new components to be generated.
- the user specifies the type of component to be generated as well as its parameters (for example, electrical parameters). Then the user executes the plugin 132 which will itself execute the P-Tronics 135 software, in order to generate the new components.
- the software 135 examines the CAD document in order to identify the areas representing these new components to be generated. For each zone, it generates a single component and inserts it into the CAD document on the zone delimited by the user.
- the user can also modify certain properties of a generated component or a part of the component or of any other object which he has modeled himself in the CAD software 131, such as for example the electrical properties of the material (insulator , conductive, piezoelectric), print pattern, wire spacing, voltage applied for polarization, etc.
- these settings are pre-assigned, but still modifiable by the user.
- the user can also modify the global print settings, such as the print quality, or the materials present in each deposition head.
- the software 135 makes it possible to take into account all the components and the settings given by the user for the generation of the print file 133 in G-Code. If no particular setting is given by the user on a sub-part, this sub-part will be printed with a default material (insulation).
- the user For the creation of conductive tracks, the user has the choice between a manual process and an automatic process.
- the user builds, in the CAD document, segments representing the conductive tracks to be generated.
- the ends of these tracks can: be connected together; or
- the software 135 examines the CAD document to identify the tracks to be generated, that is to say the segments constructed by the user. For each segment of the "same layer” type, that is to say a segment remaining in the same layer, therefore in the same plane (x, y), it generates a right block following the path of the segment, of the same length as the size of the segment, the width of a track and the height thickness C0Uche x num_couches_pistes.
- the software 135 For each segment of type “via”, that is to say a segment crossing several layers, therefore along the z axis, the software 135 generates a right block following the vertical layout of the segment, the height of which is equal to the size of the segment and the other two dimensions of which are equal to the thickness of the via.
- the straight blocks thus generated are unified into conductive tracks for each connected set of segments, and the resulting 3D volumes are integrated into the CAD document in the same place as the corresponding segments.
- the user selects: a pair of components in the CAD document; or
- connection points being constructed beforehand by the user.
- the user indicates to the software 135 that these two objects must be linked and the plugin saves this relation in the CAD document. If necessary, the user can also specify to which input or output a component is linked, if it has several terminations. Then, the software 135 will generate the conductive tracks connecting the two objects. It will first generate segments connecting the different objects. Several cases are then possible:
- the end of the track is on the edge of the component closest to the object to be connected
- the location chosen by the user defines the end of the track
- the point constitutes the end of the track
- Voxels that do not contain 100% insulating material are marked as invalid, because they may indeed contain previously generated tracks, the other voxels being considered as valid,
- the software starts from one end of the pair of objects to be linked, and connects it to the other end by generating segments (of the “same layer” or “same via” type), the segments can possibly cross voxels valid, and in this case, they pass through the center of these voxels,
- the set of segments thus generated constitutes a conductive track connecting the two objects
- an electronic chip or an electronic card can be inserted on the three-dimensional structure of the piezoelectric component.
- the 3D printer described is not capable of printing the equivalent of a microprocessor. It must therefore be able to add it to the object and program it to take into account all of the components present in the piezoelectric component.
- the addition of the chip is facilitated by the generation of specific connectors by the software 135, said connector for chips.
- This type of component can accommodate an electronic card or a chip fitted with metal tabs, thanks to holes arranged in the same configuration and of appropriate depth. It provides a number of terminations to which conductive tracks can be connected. Knowledge by the software 135 of the tracks connected to each tab also makes it possible to generate a tailor-made code for the card or the chip intended to control the components connected to it, which will make the printed piezoelectric component immediately functional.
- FIG. 3A shows a vibration sensor manufactured according to one of the embodiments of the invention.
- This sensor was printed with conductive silver inks and a P polymer material (VDF-TrFE). Its dimensions are 30x30x1 mm3. The values of d 33 for this sensor are close to 13 pC / N.
- Figure 3B shows the response of the sensor, i.e. its output voltage, as a function of time for different frequencies vibration.
- Figure 3C shows the response of the sensor as a function of the vibration amplitude for different vibration frequencies.
- FIG. 4A shows the displacement of the actuator as a function of the voltage applied to 1 kHz and FIG. 4B presents the displacement of the actuator as a function of the frequency applied to
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Abstract
Description
FABRICATION DE COMPOSANTS ET DISPOSITIFS PIEZOELECTRIQUES AVEC UN PROCEDE D'IMPRESSION TRIDIMENSIONNELLE MANUFACTURE OF PIEZOELECTRIC COMPONENTS AND DEVICES WITH A THREE-DIMENSIONAL PRINTING PROCESS
L'invention concerne un procédé de fabrication de composants et de dispositifs piézoélectriques, un appareil de fabrication adapté pour mettre en œuvre un tel procédé et un système piézoélectrique pouvant être obtenu à l'aide d'un tel procédé. L'invention se base sur des techniques d'impression tridimensionnelle, dite aussi fabrication additive. The invention relates to a method for manufacturing piezoelectric components and devices, a manufacturing apparatus suitable for implementing such a method and a piezoelectric system obtainable using such a method. The invention is based on three-dimensional printing techniques, also called additive manufacturing.
La plastronique, qui permet d'intégrer de l'électronique dans des objets plastiques, utilise particulièrement l'impression tridimensionnelle de composants pour diverses applications : la santé, par exemple une semelle connectée ou des capteurs physiologiques ; les dispositifs de rééducation, par exemple un système de rééducation adapté aux patients et aux exercices ; Plastronics, which allows electronics to be integrated into plastic objects, particularly uses the three-dimensional printing of components for various applications: health, for example a connected soleplate or physiological sensors; rehabilitation devices, for example a rehabilitation system adapted to patients and exercises;
les pièces et composants de véhicules, comme un tableau de bord avec capteurs, ou un parechoc avec capteurs ; vehicle parts and components, such as a dashboard with sensors, or a bumper with sensors;
les objets connectés, comme des bracelets, des chaussures, des capteurs, etc. connected objects, such as bracelets, shoes, sensors, etc.
Des chercheurs de l'université de Warwick en Grande-Bretagne (SJ. Leigh, RJ. Bradley, C.P. Purssell, D.R. Billson, D.A. Hutchins, « A simple, low-cost conductive composite material for 3D printing of electronic sensors », PLos ONE 7(11), 2012) ont proposé d'utiliser des polymères conducteurs pour une impression tridimensionnelle (ou impression 3D), par dépôt de filament fondu (FDM), de capteurs de pression sur des objets en trois dimensions (objets 3D). Il est également possible d'utiliser des thermoplastiques fonctionnels pour l'impression de composants élémentaires, comme par exemple des antennes (J. O'Brien et al., « Miniaturization of microwave components and antennas using 3D manufacturing », EuCAP 2015). Researchers from the University of Warwick in Great Britain (SJ. Leigh, RJ. Bradley, CP Purssell, DR Billson, DA Hutchins, "A simple, low-cost conductive composite material for 3D printing of electronic sensors", PLos ONE 7 (11), 2012) have proposed using conductive polymers for three-dimensional printing (or 3D printing), by depositing molten filament (FDM), of pressure sensors on three-dimensional objects (3D objects). It is also possible to use functional thermoplastics for the printing of elementary components, such as antennas (J. O'Brien et al., "Miniaturization of microwave components and antennas using 3D manufacturing", EuCAP 2015).
L'Université du Minnesota a modifié une imprimante 3D Stratasys Connex afin d'imprimer des capteurs tactiles multi-matériaux. Néanmoins, la piézoélectricité n'est pas utilisée. Des imprimantes jet d'encre et de sérigraphie peuvent être utilisées pour réaliser de l'électronique flexible, mais sur un substrat plan essentiellement, ou sur un support déjà fabriqué. Au niveau industriel, il existe le système d'OPTOMEC qui permet d'imprimer des pistes conductrices sur les surfaces d'objet 3D pour l'électronique. The University of Minnesota has modified a Stratasys Connex 3D printer to print multi-material touch sensors. However, piezoelectricity is not used. Inkjet and screen printing printers can be used to produce flexible electronics, but essentially on a flat substrate, or on an already manufactured support. At the industrial level, there is the OPTOMEC system which allows to print conductive tracks on 3D object surfaces for electronics.
Il existe également Voxel8, une spin-off de l'Université d'Harvard, propose une plateforme qui combine l'impression de la structure de l'objet par dépôt FDM, l'impression d'une encre métallique par « Direct Ink Writing » (DIW, ou « Impression continue directe d'encre » en français) pour les pistes conductrices du circuit, et un système de positionnement de composants discrets. Cette plateforme permet le routage de composants électroniques placés plus ou moins automatiquement dans une structure mécanique, donnant lieu à une électronique embarquée sur l'objet 3D. Cependant, elle ne permet pas de produire des objets 3D piézoélectriques, tels que des capteurs ou des actionneurs, et les structures imprimées sont nécessairement rigides. Des imprimantes jet d'encre peuvent être utilisées pour réaliser de l'électronique flexible, mais sur un substrat plan essentiellement, ou sur un support déjà fabriqué. There is also Voxel8, a spin-off from Harvard University, which offers a platform that combines the printing of the structure of the object by FDM deposition, the printing of a metallic ink by "Direct Ink Writing". (DIW, or "Direct continuous ink printing" in French) for the conductive tracks of the circuit, and a positioning system for discrete components. This platform allows the routing of electronic components placed more or less automatically in a mechanical structure, giving rise to on-board electronics on the 3D object. However, it does not make it possible to produce piezoelectric 3D objects, such as sensors or actuators, and the printed structures are necessarily rigid. Inkjet printers can be used to produce flexible electronics, but mainly on a flat substrate, or on an already manufactured support.
Une équipe américaine a proposé d'imprimer des polymères piézoélectriques (US 2016/016369 ; Lee et al., « Electronic polling-assisted additive manufacturing processe for PVDF polymer-based piezoelectric device applications », Smart Mater. Struct. 23, 095044, 2014 ; Kirkpatrick et al., « Characterization of 3D printed piezoelectric sensors », Proceedings of the IEEE Sensors 2016, 1409-1411, 2016) par impression 3D du polymère polyfluorure de vinylidène (PVDF). Dans le cas de ces études, le polymère PVDF fondu est à la fois soumis à des contraintes mécaniques d'étirement et un champ électrique. En effet, il est démontré la possibilité d'extruder un fil de PVDF en appliquant un champ électrique sous haute tension, à 6 kV, associé à des contraintes mécaniques lors du dépôt, ce qui permet de produire un fil déposé, dont la constante de piézoélectricité d33 est extrêmement faible (0,36 pC/N). Cette faible valeur ne permet pas d'envisager des applications commerciales. Les faibles valeurs de la constante d33 résultent du faible taux de formation de la phase cristalline polaire du PVDF lors de l'impression. Les phases polaires permettent au matériau de présenter de bonnes propriétés piézoélectriques. De plus, le fil extrudé obtenu est un objet à une seule dimension et non pas un objet 3D multi-couches obtenu par fabrication additive de matière. Ces différentes plateformes ou imprimantes permettent la fabrication d'objets mécatroniques et de capteurs nécessitant de fabriquer les structures séparément, puis de les assembler dans des chaînes industrielles pour réaliser la fabrication complète des objets et composants. Toutes les formes ne sont cependant pas réalisables, et le processus de conception nécessite de prendre en compte la façon dont sera intégrée l'électronique dans l'objet. Ce processus est réalisable mais il n'est pas trivial. En effet, celui-ci est complexe, chronophage et impose des équipements coûteux. Par ailleurs, la réalisation des composants mécatroniques par assemblage limite la forme et le design des objets. En effet, pour être rentable, ce processus d'assemblage nécessite de gros volumes de production, et donc ne permet pas la personnalisation. An American team proposed to print piezoelectric polymers (US 2016/016369; Lee et al., “Electronic polling-assisted additive manufacturing processe for PVDF polymer-based piezoelectric device applications”, Smart Mater. Struct. 23, 095044, 2014 ; Kirkpatrick et al., “Characterization of 3D printed piezoelectric sensors”, Proceedings of the IEEE Sensors 2016, 1409-1411, 2016) by 3D printing of the polyvinylidene fluoride polymer (PVDF). In the case of these studies, the molten PVDF polymer is both subjected to mechanical stretching stresses and an electric field. Indeed, it has been demonstrated the possibility of extruding a PVDF wire by applying a high voltage electric field, at 6 kV, associated with mechanical stresses during deposition, which makes it possible to produce a deposited wire, whose constant of d 33 piezoelectricity is extremely low (0.36 pC / N). This low value does not allow commercial applications to be envisaged. The low values of the constant d 33 result from the low rate of formation of the polar crystalline phase of the PVDF during printing. The polar phases allow the material to exhibit good piezoelectric properties. In addition, the extruded wire obtained is a one-dimensional object and not a multi-layer 3D object obtained by additive manufacturing of material. These different platforms or printers allow the manufacture of mechatronic objects and sensors requiring to manufacture the structures separately, then to assemble them in industrial chains to carry out the complete manufacture of the objects and components. However, not all shapes are possible, and the design process requires taking into account how the electronics will be integrated into the object. This process is achievable but it is not trivial. Indeed, it is complex, time-consuming and requires expensive equipment. Furthermore, the production of mechatronic components by assembly limits the form and design of the objects. Indeed, to be profitable, this assembly process requires large volumes of production, and therefore does not allow customization.
L'invention vise à surmonter les inconvénients et limitations précités de l'art antérieur. Plus particulièrement, elle vise à permettre la réalisation de composants ou dispositifs piézoélectriques par impression tridimensionnelle par dépôt de filament fondu de polymères avec une seule technologie, et à proposer une plateforme pour fabriquer les parties structurelles et les parties fonctionnelles du composant ou dispositif piézoélectrique. Elle permet également une intégration optimale des composants, une grande liberté de forme, des cycles de conception et de fabrication courts, un coût réduit des matières premières et du dispositif d'impression et une recyclabilité partielle voire totale des pièces fabriquées. The invention aims to overcome the aforementioned drawbacks and limitations of the prior art. More particularly, it aims to enable the production of piezoelectric components or devices by three-dimensional printing by depositing molten filament of polymers with a single technology, and to provide a platform for manufacturing the structural parts and the functional parts of the piezoelectric component or device. It also allows optimal integration of components, great freedom of form, short design and manufacturing cycles, reduced cost of raw materials and of the printing device and partial or even total recyclability of the parts produced.
Conformément à l'invention, ce but est atteint en utilisant, lors de l'impression 3D du composant piézoélectrique, la polarisation électrique par effet Corona, réalisée avantageusement à une température d'au moins 25 °C, pour rendre piézoélectrique au moins une partie du polymère déposé, celui-ci formant la structure mécanique du composant. In accordance with the invention, this object is achieved by using, during 3D printing of the piezoelectric component, electrical polarization by the Corona effect, advantageously carried out at a temperature of at least 25 ° C, to make piezoelectric at least part of the deposited polymer, the latter forming the mechanical structure of the component.
Un objet de l'invention est donc un procédé de fabrication d'un composant piézoélectrique comprenant une étape de fabrication d'une structure tridimensionnelle par impression tridimensionnelle par dépôt multicouches de fil fondu d'un matériau polymère, copolymère ou composite à base de polymère ou copolymère, sur un support d'impression comprenant au moins une partie conductrice, et une étape de polarisation électrique d'au moins une partie de la structure tridimensionnelle, de manière à rendre piézoélectrique au moins une partie de cette structure, caractérisé en ce que l'étape de polarisation électrique est une polarisation effectuée par effet Corona ou une polarisation par contact, l'étape de polarisation étant réalisée pendant ou à la suite de l'étape de fabrication de la structure mécanique, et caractérisé en ce qu'au moins une partie du support d'impression est chauffante et présente une tension de surface supérieure à 70 mN/m. An object of the invention is therefore a method of manufacturing a piezoelectric component comprising a step of manufacturing a three-dimensional structure by three-dimensional printing by multilayer deposition of molten wire of a polymer, copolymer or composite material based on polymer or copolymer, on a printing medium comprising at least one conductive part, and a step of electrically polarizing at least a part of the three-dimensional structure, so as to make piezoelectric at at least part of this structure, characterized in that the electrical polarization step is a polarization effected by the Corona effect or a contact polarization, the polarization step being carried out during or following the step of manufacturing the mechanical structure, and characterized in that at least part of the printing medium is heating and has a surface tension greater than 70 mN / m.
Selon des modes de réalisation de l'invention : l'étape de polarisation est réalisée à une température d'au moins 25 °C, préférentiellement à une température supérieure à 80 °C ; According to embodiments of the invention: the polarization step is carried out at a temperature of at least 25 ° C, preferably at a temperature above 80 ° C;
le matériau déposé est choisi parmi le PVDF, P(VDF-TrFE), PVF, PVC, P(VDCN/VAc), PTUFB, Nylon-11, Nylon-ll/PVDF, PVDF/PZT, et Caoutchouc/PZT ; le procédé comprend également une étape de fabrication d'une première électrode par impression tridimensionnelle par dépôt d'une encre conductrice, précédant l'étape de fabrication de la structure tridimensionnelle, et une étape de fabrication d'une seconde électrode par impression tridimensionnelle par dépôt d'une encre conductrice, suivant l'étape de polarisation, au moins une partie du matériau étant déposée sur la première électrode, la première électrode formant la partie conductrice du support d'impression et au moins une partie de la seconde électrode étant déposée sur le matériau ; the deposited material is chosen from PVDF, P (VDF-TrFE), PVF, PVC, P (VDCN / VAc), PTUFB, Nylon-11, Nylon-11 / PVDF, PVDF / PZT, and Rubber / PZT; the method also comprises a step of manufacturing a first electrode by three-dimensional printing by depositing a conductive ink, preceding the step of manufacturing the three-dimensional structure, and a step of manufacturing a second electrode by three-dimensional printing by deposit of a conductive ink, according to the polarization step, at least part of the material being deposited on the first electrode, the first electrode forming the conductive part of the printing medium and at least part of the second electrode being deposited on the material ;
dans le cas où le procédé comprend la fabrication de deux électrodes, il peut comprendre l'utilisation d'au moins deux têtes de dépôt distinctes pour le dépôt du matériau et de l'encre conductrice, et les deux étapes de fabrication d'électrode peuvent être suivies par une étape de séchage de l'encre conductrice par ultra-violet qui peut être réalisée par l'utilisation d'une source de lumière ultra-violette fixée sur la tête de dépôt de l'encre conductrice ; in the case where the method comprises the manufacture of two electrodes, it may comprise the use of at least two separate deposition heads for the deposition of the material and of the conductive ink, and the two stages of manufacture of the electrode may be followed by a step of drying the conductive ink by ultraviolet which can be carried out by the use of an ultraviolet light source fixed on the head for depositing the conductive ink;
l'étape de fabrication de la structure tridimensionnelle comprend le dépôt d'une couche d'un matériau conducteur sur une couche polarisée du matériau ; l'étape de polarisation est une polarisation effectuée par effet Corona, et dans ce cas, une tension positive peut être appliquée entre la partie conductrice du support d'impression et une buse d'impression placée au-dessus de la surface du matériau déposé ou entre la couche de matériau conducteur et une buse d'impression placée au-dessus de la surface du matériau déposé ; et le procédé comprend également une étape de génération d'un fichier d'impression pour la réalisation d'au moins un composant piézoélectrique, cette étape étant mise en œuvre par ordinateur et comprenant : the step of manufacturing the three-dimensional structure comprises depositing a layer of a conductive material on a polarized layer of the material; the polarization step is polarization effected by the Corona effect, and in this case, a positive voltage can be applied between the conductive part of the printing medium and a printing nozzle placed above the surface of the deposited material or between the layer of conductive material and a printing nozzle placed above the surface of the deposited material; and the method also includes a step of generating a print file for producing at least one piezoelectric component, this step being implemented by computer and comprising:
o Une sous-étape consistant à fournir à l'ordinateur des données indicatives d'une position d'un ou plusieurs points de contact entre les électrodes et le matériau, d'une région spatiale où le composant doit être fabriqué, d'au moins une propriété électrique des matériaux composant le composant piézoélectrique, et d'une tension à appliquer pour l'étape de polarisation ; o A substep consisting in providing the computer with data indicative of a position of one or more points of contact between the electrodes and the material, of a spatial region where the component is to be manufactured, of at least an electrical property of the materials making up the piezoelectric component, and a voltage to be applied for the polarization step;
o Une sous-étape de calcul d'une géométrie et des connections du composant par application aux données d'un modèle mathématique prédéfini ; et o A substep for calculating the geometry and connections of the component by applying to the data of a predefined mathematical model; and
o Une sous-étape de génération du fichier d'impression permettant de réaliser la géométrie par impression tridimensionnelle du composant piézoélectrique. o A sub-step for generating the print file allowing the geometry to be produced by three-dimensional printing of the piezoelectric component.
Un autre objet de l'invention est un appareil pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'un des modes de réalisation de l'invention comprenant une imprimante tridimensionnelle du type par dépôt de fil fondu présentant au moins une tête de dépôt portée par un chariot d'impression et un support d'impression, caractérisé en ce que la tête de dépôt est configurée pour déposer un matériau polymère, copolymère ou composite à base de polymère ou copolymère, et pour polariser par effet Corona ou par contact au moins une partie du matériau déposé et en ce que le support d'impression est chauffant. Another object of the invention is an apparatus for implementing a method according to one of the embodiments of the invention comprising a three-dimensional printer of the molten wire deposition type having at least one deposition head carried by a printing carriage and a printing medium, characterized in that the deposition head is configured to deposit a polymer, copolymer or composite material based on polymer or copolymer, and to polarize by Corona effect or by contact at least part of the material deposited and in that the print medium is heated.
Selon un mode particulier de l'invention, l'appareil comprend un système informatique de génération d'un fichier d'impression pour piloter l'imprimante tridimensionnelle de manière à fabriquer un composant piézoélectrique, le système informatique étant configuré pour : recevoir en entrée des données indicatives d'une position d'un ou plusieurs points de contact, d'une région spatiale où le composant doit être fabriqué, d'au moins une propriété électrique des matériaux composant le composant piézoélectrique et d'une tension à appliquer pour l'étape de polarisation ; calculer une géométrie du composant par application aux données d'un modèle mathématique prédéfini ; et générer un fichier d'impression permettant de réaliser la géométrie par impression tridimensionnelle du composant piézoélectrique. According to a particular embodiment of the invention, the apparatus comprises a computer system for generating a print file for controlling the three-dimensional printer so as to manufacture a piezoelectric component, the computer system being configured to: receive input data indicative of a position of one or more contact points, of a spatial region where the component is to be manufactured, of at least one electrical property of the materials composing the piezoelectric component and of a voltage to be applied for the polarization step; calculating a geometry of the component by applying to the data of a predefined mathematical model; and generating a print file making it possible to produce the geometry by three-dimensional printing of the piezoelectric component.
Encore un autre objet de l'invention est un système piézoélectrique comprenant deux électrodes conductrices entourant une structure tridimensionnelle multicouches piézoélectrique, caractérisé en ce que la structure tridimensionnelle et les électrodes sont réalisées d'un seul bloc par impression tridimensionnelle d'au moins un premier matériau polymère, copolymère ou composite à base de polymère ou copolymère formant ladite structure tridimensionnelle et d'au moins un deuxième matériau conducteur formant les deux électrodes et en ce qu'au moins une partie de la structure tridimensionnelle est polarisée électriquement par effet Corona ou par contact. Yet another object of the invention is a piezoelectric system comprising two conductive electrodes surrounding a three-dimensional piezoelectric multilayer structure, characterized in that the three-dimensional structure and the electrodes are made in one piece by three-dimensional printing of at least one first material polymer, copolymer or composite based on polymer or copolymer forming said three-dimensional structure and at least one second conductive material forming the two electrodes and in that at least part of the three-dimensional structure is electrically polarized by Corona effect or by contact .
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux figures annexées données à titre d'exemple, et qui représentent, respectivement : la figure 1, un dispositif d'impression tridimensionnelle selon un mode de réalisation de l'invention ; Other characteristics, details and advantages of the invention will emerge on reading the description made with reference to the appended figures given by way of example, and which represent, respectively: FIG. 1, a three-dimensional printing device according to a embodiment of the invention;
la figure 2, un diffractogramme de deux matériaux polymères imprimés selon un autre mode de réalisation de l'invention ; FIG. 2, a diffractogram of two polymeric materials printed according to another embodiment of the invention;
les figures 3A - 3C, un capteur de vibration réalisé selon un autre mode de réalisation de l'invention, ainsi que ses réponses en tension de sortie ; et les figures 4A et 4B, les déplacements mesurés d'un actionneur réalisé selon le même mode de réalisation que le capteur de vibration en fonction de la tension appliquée et en fonction de la fréquence appliquée. FIGS. 3A - 3C, a vibration sensor produced according to another embodiment of the invention, as well as its responses in output voltage; and FIGS. 4A and 4B, the measured displacements of an actuator produced according to the same embodiment as the vibration sensor as a function of the applied voltage and as a function of the applied frequency.
La figure 1 présente un dispositif d'impression tridimensionnelle 120 selon un mode de réalisation de l'invention. L'imprimante 120 comprend au moins une tête d'extrusion ou tête de dépôt 110, adaptée au dépôt d'un matériau polymère, portée par un chariot d'impression 121, mobile selon trois directions orthogonales x, y et z (la direction z correspondant à la direction d'extrusion de la tête de dépôt 110), grâce à un mécanisme de déplacement 122 dont la structure n'est pas représentée en détail, car elle est conventionnelle, piloté par un système informatique 123 (ordinateur ou carte à microcontrôleur). Pour la réalisation de dispositifs complexes, l'imprimante 120 peut comprendre plusieurs têtes de dépôt distinctes pour faciliter le dépôt de plusieurs matériaux différents, par exemple un matériau polymère 102 et un matériau conducteur 107. Une même tête peut cependant être utilisée pour déposer plusieurs matériaux différents, mais cela ralentit le procédé, car il faut procéder à des changements de matériau d'alimentation de la tête et introduit un risque de contamination. Ces têtes de dépôt peuvent être agencées côte à côté et être portées par un même chariot d'impression ou par des chariots d'impression distincts. FIG. 1 shows a three-dimensional printing device 120 according to an embodiment of the invention. The printer 120 comprises at least one extrusion head or deposition head 110, suitable for depositing a polymer material, carried by a printing carriage 121, movable in three orthogonal directions x, y and z (the z direction corresponding to the direction of extrusion of the deposition head 110), by means of a movement 122, the structure of which is not shown in detail, since it is conventional, controlled by a computer system 123 (computer or microcontroller card). For the production of complex devices, the printer 120 may comprise several separate deposition heads to facilitate the deposition of several different materials, for example a polymeric material 102 and a conductive material 107. The same head can however be used to deposit several materials different, but this slows down the process, because it is necessary to change the feed material of the head and introduces a risk of contamination. These deposit heads can be arranged side by side and be carried by the same printing carriage or by separate printing carriages.
Un mécanisme d'actionnement 124 permet d'ajuster la position verticale (en z) relative de chaque tête de dépôt par rapport aux autres têtes ou par rapport à la surface d'impression. Cela permet en particulier de surélever les têtes inactives lors de la réalisation de structures complexes, où le risque de collision entre les têtes de dépôt et les éléments déjà imprimés devient important. Même dans le cas d'une impression couche par couche simple, des résidus présents sur les têtes inactives, se trouvent déposés de façon involontaire et non contrôlée, ce qui peut altérer les propriétés esthétiques et fonctionnelles du dispositif final. Par exemple, cela peut conduire à des courts-circuits entre des pistes conductrices. An actuating mechanism 124 makes it possible to adjust the relative vertical position (in z) of each deposition head with respect to the other heads or with respect to the printing surface. This makes it possible in particular to raise the inactive heads during the production of complex structures, where the risk of collision between the deposition heads and the elements already printed becomes significant. Even in the case of single-layer printing, residues present on the inactive heads are found involuntarily and uncontrolled, which can alter the aesthetic and functional properties of the final device. For example, this can lead to short circuits between conductive tracks.
D'une manière conventionnelle, chaque tête de dépôt 110 comprend une buse 106, un bloc de chauffe 105, une visse coupe chaleur 103 et un radiateur 101. Le bloc de chauffe 105 comprend également une cartouche chauffante 104. Lors du dépôt du polymère 102, le filament de polymère 102 est entraîné par un moteur d'extrusion vers la buse 106. Le filament est enfoncé au travers de la visse 103 jusqu'au bloc de chauffe 105. Le bloc de chauffe 105 transmet la chaleur aux bords de la buse 106 par conduction thermique. L'extrémité du filament 102 en contact avec les bords chauffants de la buse 106 fond, et le matériau fondu est éjecté de la buse 106 sous l'effet de la pression exercée par la partie non encore fondue du filament, qui agit comme un piston. Généralement, le filament est amené à la tête de dépôt 110 sous forme de bobine 125. La température du bloc de chauffe dépend du matériau déposé. En effet, les différents matériaux ne sont pas toujours disponibles sur le marché sous forme de filaments pour l'impression 3D. Par exemple, les filaments de P(VDF-TrFE) n'existent pas sur le marché, les inventeurs ont donc dû adapter ce matériau et les paramètres d'impression pour réaliser un objet imprimé en 3D. Par exemple, des nouveaux filaments à base de PVDF ou de copolymère P(VDF-TrFE) peuvent être fabriqués et être utilisés comme matières premières pour imprimer des objets à une température comprise entre 150 °C et 280 °C. Le polymère fondu s'écoule à travers la sortie de la buse 106. Le dépôt des polymères, et plus généralement des autres matériaux, s'effectue au-dessus d'un support d'impression 100. Le support 100 et la tête de dépôt 110 peuvent se déplacer de manière à empiler les couches déposées ou à dessiner une forme géométrique avec le polymère déposé pour former un objet en trois dimensions. Le polymère déposé constitue alors la structure mécanique du composant piézoélectrique. In a conventional manner, each deposition head 110 comprises a nozzle 106, a heating block 105, a heat cut screw 103 and a radiator 101. The heating block 105 also comprises a heating cartridge 104. During the deposition of the polymer 102 , the polymer filament 102 is driven by an extrusion motor towards the nozzle 106. The filament is pushed through the screw 103 to the heating block 105. The heating block 105 transmits heat to the edges of the nozzle 106 by thermal conduction. The end of the filament 102 in contact with the heating edges of the nozzle 106 melts, and the molten material is ejected from the nozzle 106 under the effect of the pressure exerted by the not yet melted part of the filament, which acts as a piston . Generally, the filament is brought to the deposition head 110 in the form of a coil 125. The temperature of the heating block depends on the material deposited. Indeed, the different materials are not always available on the market in the form of filaments for 3D printing. For example, the filaments of P (VDF-TrFE) do not exist on the market, the inventors therefore had to adapt this material and the printing parameters to produce an object printed in 3D. For example, new filaments based on PVDF or on copolymer P (VDF-TrFE) can be manufactured and used as raw materials for printing objects at a temperature between 150 ° C and 280 ° C. The molten polymer flows through the outlet of the nozzle 106. The deposition of the polymers, and more generally of the other materials, takes place above a printing medium 100. The support 100 and the deposition head 110 can move so as to stack the deposited layers or to draw a geometric shape with the deposited polymer to form a three-dimensional object. The deposited polymer then constitutes the mechanical structure of the piezoelectric component.
Le contrôle de la quantité de matière par l'imprimante peut être réalisé par un simple contrôle du poids, en connaissant la densité du filament, le poids de la bobine 125 (standard, mais peut être déduit de ses dimensions et de la densité du matériau constitutif), et le diamètre du filament. Le poids peut être mesuré par un simple capteur de pression, ou un capteur de force plus complexe. Par souci de précision, la mesure en temps réel du poids par le capteur peut être complétée par une approche plus classique qui consiste à utiliser un capteur de contact pour mesurer le nombre de rotations effectuées par la bobine. A chaque tour, un compteur s'incrémente de 1. La longueur consommée pour un tour complet est égale au périmètre de la bobine ; en multipliant cette longueur par la section du filament et par sa densité, on obtient la quantité de matière déposée. The control of the quantity of material by the printer can be carried out by a simple weight control, by knowing the density of the filament, the weight of the spool 125 (standard, but can be deduced from its dimensions and the density of the material constitutive), and the diameter of the filament. Weight can be measured by a simple pressure sensor, or a more complex force sensor. For the sake of accuracy, the real-time measurement of the weight by the sensor can be supplemented by a more conventional approach which consists in using a contact sensor to measure the number of rotations performed by the coil. At each revolution, a counter increments by 1. The length consumed for a complete revolution is equal to the perimeter of the coil; by multiplying this length by the section of the filament and by its density, we obtain the quantity of material deposited.
La fiabilité de l'impression de la structure mécanique et fonctionnelle du composant piézoélectrique dépend notamment de la précision du positionnement des différentes têtes de dépôt 110. Elle repose tout d'abord sur une procédure d'étalonnage automatisé pour l'espacement entre les têtes de dépôt 110 et le support 100 (selon la direction z), et pour la position des têtes dans le plan (x,y) du support 100. The reliability of the printing of the mechanical and functional structure of the piezoelectric component depends in particular on the precision of the positioning of the different deposition heads 110. It is first of all based on an automated calibration procedure for the spacing between the heads of deposit 110 and the support 100 (in the direction z), and for the position of the heads in the plane (x, y) of the support 100.
L'étalonnage de l'espacement entre les têtes de dépôt 110 et le support d'impression 100 en hauteur (z), et de la planéité du support 100 se fait généralement grâce à un capteur de fin de course et un réglage des coins du support 100. Mais lorsqu'on utilise des supports de grande surface (par exemple de l'ordre de 20 cm x 20 cm ou plus), il devient difficile d'assurer sa planéité et donc l'utilisation d'un capteur de fin de course n'est pas satisfaisante. C'est pourquoi, un capteur capacitif 126 solidaire du chariot d'impression 121 peut être présent sur l'appareil d'impression 120. Ce capteur 126 permet d'étalonner le support 100 en plusieurs points sans le toucher et d'éviter les imprécisions mécaniques inhérentes aux capteurs mécaniques de fin de course couramment utilisés sur les servomoteurs. Le capteur capacitif 126 agit comme un interrupteur sans contact. A la différence d'un capteur inductif, il détecte des matériaux non-ferreux comme le verre, le bois, la peau, etc. Ce capteur 126 va tout simplement remplacer le contact de fin de course en étant installé directement sur le chariot d'impression 121. The calibration of the spacing between the deposition heads 110 and the print medium 100 in height (z), and of the flatness of the medium 100 is generally done by means of a sensor. limit switch and an adjustment of the corners of the support 100. But when using large surface supports (for example of the order of 20 cm x 20 cm or more), it becomes difficult to ensure its flatness and therefore the use of a limit switch is not satisfactory. This is why a capacitive sensor 126 secured to the printing carriage 121 may be present on the printing apparatus 120. This sensor 126 makes it possible to calibrate the support 100 at several points without touching it and to avoid inaccuracies. mechanical inherent to mechanical limit switches commonly used on servomotors. The capacitive sensor 126 acts as a contactless switch. Unlike an inductive sensor, it detects non-ferrous materials such as glass, wood, skin, etc. This sensor 126 will simply replace the limit switch by being installed directly on the printing carriage 121.
L'étalonnage de la position des têtes de dépôt 110 dans le plan (x,y) du support 100 est important afin de bien aligner ou empiler les couches de matériaux déposés avec les différentes têtes. Pour une première couche (réalisant par exemple, une surface de la structure tridimensionnelle du composant piézoélectrique), un étalonnage initial est réalisé grâce au capteur capacitif 126 avec électrode de masse intégrée, et d'électrodes métalliques de masse placées dans les coins du support 100. En effet, à distance constante entre le capteur et le support, la capacité mesurée sera plus grande avec une pièce métallique entre les deux électrodes du capteur plutôt qu'avec un revêtement ou matériau isolant du support. Néanmoins, le capteur capacitif fonctionne également avec des matériaux isolants, donc la présence de cette pièce métallique n'est pas obligatoire. Il est également possible de prendre d'autres points de mesure sur le support pour augmenter la précision. The calibration of the position of the deposition heads 110 in the plane (x, y) of the support 100 is important in order to properly align or stack the layers of material deposited with the different heads. For a first layer (making, for example, a surface of the three-dimensional structure of the piezoelectric component), an initial calibration is carried out using the capacitive sensor 126 with integrated ground electrode, and metallic mass electrodes placed in the corners of the support 100 Indeed, at constant distance between the sensor and the support, the measured capacity will be greater with a metal piece between the two electrodes of the sensor rather than with a coating or insulating material of the support. However, the capacitive sensor also works with insulating materials, so the presence of this metal part is not compulsory. It is also possible to take other measurement points on the support to increase accuracy.
Pour les couches suivantes, en particulier quand plusieurs têtes d'impression sont utilisées, et donc plusieurs matériaux sont imprimés, l'alignement avec la couche précédente et avec la partie imprimée avec un autre matériau doit être vérifiée à l'aide d'un asservissement visuel mettant en œuvre une caméra 127 reliée à un système de traitement d'images, qui coïncide avec le système informatique de pilotage 123 dans le mode de réalisation de la figure 1. L'asservissement visuel est réalisé de la manière suivante : une image de la surface d'impression, sur laquelle a été déposée au moins une couche de matière est acquise par la caméra 127 ; éventuellement, plusieurs images peuvent être acquises et moyennées pour améliorer le rapport signal à bruit ; For the following layers, in particular when several printheads are used, and therefore several materials are printed, the alignment with the previous layer and with the part printed with another material must be checked using a servo visual using a camera 127 connected to an image processing system, which coincides with the computer control system 123 in the embodiment of FIG. 1. The visual control is carried out as follows: an image of the printing surface, on which at least one layer of material has been deposited, is acquired by the camera 127; possibly several images can be acquired and averaged to improve the signal to noise ratio;
un point de référence est choisi sur l'image, de manière automatique ou manuelle ; a reference point is chosen on the image, automatically or manually;
la position de ce point de référence sur l'image prise par la caméra 127 est comparée à sa position sur le modèle de la dernière couche déposée, déjà en mémoire dans l'imprimante 120 ; the position of this reference point on the image taken by the camera 127 is compared with its position on the model of the last layer deposited, already in memory in the printer 120;
la position du chariot d'impression 121 suivant les axes x et y est calculée, et stockée en mémoire ; the position of the printing carriage 121 along the x and y axes is calculated, and stored in memory;
l'impression de la couche supérieure prend en compte ces décalages éventuels. the printing of the upper layer takes these possible offsets into account.
De préférence, la caméra d'étalonnage 127 peut être solidaire du chariot d'impression 121, avec une position relative par rapport aux têtes de dépôt 110 connue. Néanmoins, comme dans le cas de la figure 1, la caméra 127 peut être fixe et utiliser un repère visuel fixé au chariot d'impression 121 pour déterminer la position relative de ce dernier par rapport au point de référence sur l'image. Preferably, the calibration camera 127 can be integral with the printing carriage 121, with a relative position relative to the known deposit heads 110. However, as in the case of FIG. 1, the camera 127 can be fixed and use a visual cue fixed to the printing carriage 121 to determine the relative position of the latter relative to the reference point on the image.
Afin d'obtenir un composant piézoélectrique, c'est-à-dire rendre piézoélectrique au moins une partie de la structure tridimensionnelle, formée par les différentes couches déposées, les domaines polaires qui constituent le matériau polymère déposé doivent être orientés sous un champ électrique, soit par l'effet Corona (polarisation sans contact), soit par application d'un champ électrique élevé entre deux électrodes placées en-dessous et au- dessus de l'objet (polarisation par contact). In order to obtain a piezoelectric component, that is to say to make piezoelectric at least part of the three-dimensional structure, formed by the various deposited layers, the polar domains which constitute the deposited polymer material must be oriented under an electric field, either by the Corona effect (contactless polarization), or by application of a high electric field between two electrodes placed below and above the object (contact polarization).
Un système Corona peut être utilisé dans l'imprimante 120. Par exemple et avantageusement, le système Corona peut être fixé à la tête de dépôt 110 du polymère, et plus avantageusement la buse d'impression 106 du polymère est utilisée comme à un système Corona. Typiquement, la buse d'impression 106 est déplacée au-dessus de la couche de polymère à une distance minimale de 1 mm de la couche déposée, et une tension d'au moins 10 kV est appliquée pendant au moins 5 s entre la buse d'impression 106 et une partie conductrice du support d'impression 100 relié à une masse électrique. Plus généralement, on appliquera une tension d'au moins 10 kV entre la buse d'impression 106 et un conducteur, qui peut être la partie conductrice du support d'impression 100 ou une couche conductrice intercalaire déposée sur des couches de polymère déjà polarisées et sur laquelle sont déposées les couches à polariser. Par exemple, la distance entre la buse d'impression 106 et la couche de polymère déposée est de 2 cm, la tension appliquée est de 14 kV pendant 3 min. Si la polarisation a lieu à température ambiante, les valeurs de d33 mesurées restent faibles et sont également instables au cours du temps. Les inventeurs se sont rendus compte qu'en effectuant la polarisation à une température plus élevée (par exemple entre 100 °C et 140 °C), on pouvait obtenir des valeurs de d33 importantes (jusqu'à 15 pC/N). Le tableau 1 indique les valeurs de d33 obtenues avec et sans polarisation. Ces constations restent valables même lorsque le nombre de couches déposées augmente (cf. Tableau 2). A Corona system can be used in the printer 120. For example and advantageously, the Corona system can be fixed to the deposition head 110 of the polymer, and more advantageously the printing nozzle 106 of the polymer is used as in a Corona system . Typically, the print nozzle 106 is moved above the polymer layer at a minimum distance of 1 mm from the deposited layer, and a voltage of at least 10 kV is applied for at least 5 s between the nozzle d printing 106 and a conductive part of the printing medium 100 connected to an electrical ground. More generally, a voltage of at least 10 kV will be applied between the print nozzle 106 and a conductor, which may be the conductive part of the print medium 100 or a intermediate conductive layer deposited on already polarized polymer layers and on which are deposited the layers to be polarized. For example, the distance between the printing nozzle 106 and the deposited polymer layer is 2 cm, the applied voltage is 14 kV for 3 min. If the polarization takes place at room temperature, the measured values of d 33 remain low and are also unstable over time. The inventors have realized that by carrying out the polarization at a higher temperature (for example between 100 ° C. and 140 ° C.), large d 33 values can be obtained (up to 15 pC / N). Table 1 shows the values of d 33 obtained with and without polarization. These observations remain valid even when the number of layers deposited increases (cf. Table 2).
Tableau 1 : Valeurs de d33 pour un objet imprimé avec une température de polarisation comprise entre 100 °C et 140 °C Table 1: Values of d 33 for a printed object with a polarization temperature between 100 ° C and 140 ° C
Tableau 2 : Valeurs de d33 pour différentes couches déposées Table 2: Values of d 33 for different deposited layers
Pour effectuer la polarisation à température élevée, au moins une partie du support d'impression 100 peut donc être chauffante. To effect the polarization at high temperature, at least part of the printing medium 100 can therefore be heated.
La polarisation des couches peut se faire au fur et à mesure du dépôt ou peut se faire à la fin du dépôt. On peut donc polariser chaque couche dès qu'elle est déposée ou polariser l'ensemble des couches quand toutes les couches ont été déposées. The polarization of the layers can be done as the deposition takes place or can be done at the end of the deposition. We can therefore polarize each layer as soon as it is deposited or polarize all of the layers when all the layers have been deposited.
De plus, afin que les différentes couches déposées adhérent au support 100, la partie chauffante du support présente une tension de surface supérieure à 70 mN/m (70 dynes/cm) ; cela est typiquement obtenu grâce à un revêtement adapté, par exemple au moyen d'un film à base de PET fonctionnalisé de manière à obtenir une tension de surface supérieure à 70 dynes/cm. Le support d'impression 100 comprend donc au moins une partie conductrice et au moins une partie chauffante dont la tension de surface est supérieure à 70 mN/m. In addition, so that the different layers deposited adhere to the support 100, the heating part of the support has a surface tension greater than 70 mN / m (70 dynes / cm); this is typically obtained by means of a suitable coating, for example by means of a film based on PET functionalized so as to obtain a surface tension greater than 70 dynes / cm. The printing medium 100 therefore comprises at least one conductive part and at least one heating part whose surface tension is greater than 70 mN / m.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, des électrodes peuvent également être déposées. Dans ce cas, une première électrode 107 est imprimée. Elle constitue alors la partie conductrice du support d'impression 100 sur lequel le polymère est au moins en partie déposé. Une deuxième électrode est au moins en partie imprimée sur la couche de polymère polarisé. Ces électrodes peuvent être réalisées à base d'encre conductrice à base de solvant ou d'encre conductrice curable par ultraviolet ou à base de toute encre conductrice que l'on peut sécher. Avantageusement, de l'encre conductrice curable par ultraviolet sera utilisée, car le séchage de l'encre à base de solvant est trop lent ou alors s'il est réalisé par traitement thermique, il peut entraîner des déformations des échantillons. La tête de dépôt de l'encre 111 est basée sur le système « doseur Eco-pen 300 » 128. Il s'agit d'un système de dosage volumétrique basé sur le principe du piston infini (utilisation d'une « vis sans fin »). La tête de dépôt de l'encre peut être fixée au support de la tête de dépôt du polymère ou être indépendante. La forme de la couche d'électrode est réalisée grâce au mouvement des actionneurs 124 sur les axes x, y et z. Le débit de dépôt et les déplacements de la tête sont également pilotés par le système informatique de pilotage 123. L'impression d'une électrode consiste, par exemple, à déposer une couche d'encre conductrice en argent d'une épaisseur de 50 pm. Puis l'encre est soumise à un rayonnement ultraviolet pour le séchage. Cela permet d'avoir un séchage local qui est plus rapide et efficace qu'un séchage avec un four ou une lampe, le séchage avec un four pouvant également abîmer le polymère polarisé (par exemple, perte de la polarisation quand la température augmente). La source ultraviolette 129 peut être fixée à la tête de dépôt de l'encre, avantageusement, la source UV est une fibre optique UV. Comme pour le dépôt du polymère, il est également possible d'empiler les couches d'encre de manière à créer des électrodes en 3D ou à créer des pistes conductrices aux extrémités des électrodes. Afin de faciliter la mise en œuvre de l'impression, les têtes de dépôt du polymère et de l'encre conductrice sont distinctes. According to another embodiment of the invention, electrodes can also be deposited. In this case, a first electrode 107 is printed. It then constitutes the conductive part of the printing medium 100 on which the polymer is at least partly deposited. A second electrode is at least partially printed on the layer of polarized polymer. These electrodes can be made on the basis of conductive ink based on solvent or conductive ink curable by ultraviolet or on any conductive ink which can be dried. Advantageously, conductive ink curable by ultraviolet will be used, because the drying of the solvent-based ink is too slow or else if it is carried out by heat treatment, it may cause deformations of the samples. The ink depositing head 111 is based on the “Eco-pen 300” dosing system 128. It is a volumetric dosing system based on the principle of the infinite piston (use of a “worm "). The ink deposition head can be fixed to the support of the polymer deposition head or be independent. The shape of the electrode layer is produced by the movement of the actuators 124 on the x, y and z axes. The deposition rate and the movements of the head are also controlled by the computerized control system 123. The printing of an electrode consists, for example, in depositing a layer of conductive silver ink with a thickness of 50 μm . Then the ink is subjected to ultraviolet radiation for drying. This allows for local drying which is faster and more efficient than drying with an oven or a lamp, drying with an oven can also damage the polarized polymer (for example, loss of polarization when the temperature increases). The ultraviolet source 129 can be fixed to the ink deposition head, advantageously, the UV source is a UV optical fiber. As with the deposition of the polymer, it is also possible to stack the ink layers so as to create 3D electrodes or to create conductive tracks at the ends of the electrodes. In order to facilitate the implementation of the printing, the heads for depositing the polymer and the conductive ink are separate.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le polymère peut également être polarisé durant son dépôt. Une buse d'impression placée au-dessus de la surface du matériau polymère déposé est reliée à un générateur haute tension par un câble spécial. Le câble permet de supporter des tensions de quelques kilovolts, par exemple entre 15 kV et 30 kV et il est souple afin de pouvoir suivre la buse d'impression. Le générateur permet alors d'appliquer, durant l'impression, une tension positive entre la buse d'impression placée au- dessus de la surface du matériau polymère déposé et la partie conductrice du support d'impression 100. Avantageusement, cette buse est la buse d'impression du matériau polymère. Les paramètres de polarisation et tension sont envoyés au générateur par le système informatique de pilotage 123. Durant cette étape d'impression et polarisation, une ou plusieurs couches de matériau polymère peuvent être déposées. Une tension de 2,5 x z kV/mm est appliquée pendant le dépôt, avec z la distance entre la tête de dépôt et la partie conductrice du support. Cette polarisation est dite polarisation par contact. According to another embodiment of the invention, the polymer can also be polarized during its deposition. A printing nozzle placed above the surface of the deposited polymer material is connected to a high voltage generator by a special cable. The cable can withstand voltages of a few kilovolts, for example between 15 kV and 30 kV and it is flexible so that it can follow the print nozzle. The generator then makes it possible to apply, during printing, a positive voltage between the printing nozzle placed above the surface of the polymer material deposited and the conductive part of the printing medium 100. Advantageously, this nozzle is the polymer material print nozzle. The polarization and voltage parameters are sent to the generator by the control computer system 123. During this printing and polarization step, one or more layers of polymeric material can be deposited. A voltage of 2.5 xz kV / mm is applied during deposition, with z the distance between the deposition head and the conductive part of the support. This polarization is called contact polarization.
Selon des modes de réalisation de l'invention, la buse 106 peut être en métal ou en céramique. La visse coupe chaleur 103 peut être en aluminium ou en céramique, par exemple en nitrure d'aluminium. Le bloc de chauffe 105 peut être en céramique, et le radiateur 101 peut être en aluminium. Néanmoins, si la buse d'impression 106 du polymère est en métal (par exemple en laiton ou en acier inoxydable) et qu'elle est utilisée pour la polarisation donc reliée à une source de haute tension, l'amplitude de la tension appliquée pour la polarisation est limitée par la tension de claquage. Cette tension de claquage représente la valeur de tension à partir de laquelle une décharge électrique se produit entre la buse et un autre élément conducteur possédant un potentiel inférieur (le cas échéant mis à la terre, soit 0 V). Pour éviter que de telles décharges se produisent entre la buse 106 et la cartouche chauffante 104, le bloc de chauffe 105 doit être réalisé avec un matériau céramique diélectrique. La céramique doit présenter une bonne conductivité thermique. Les principales céramiques alliant bonne conductivité thermique et bonne constante diélectrique sont l'alumine (38), le nitrure d'aluminium (285), l'oxyde de bérillyum (370), le nitrure de bore (300) et le nitrure de bore cubique (1300). Par ailleurs, pour augmenter la tension de claquage et donc la tension appliquée pour la polarisation, il suffit d'augmenter la distance entre la cartouche chauffante 104 et la buse 106. Cependant, en augmentant cette distance, on augmente le volume du bloc de chauffe 105 et par conséquent la puissance nécessaire pour atteindre les températures d'extrusion. Cette distance dépend de la constante électrique de la céramique constituant le bloc de chauffe 105. Par exemple, pour obtenir une tension de claquage de 10 kV, les inventeurs ont calculé une distance de 2,5 mm entre la buse 106 et la cartouche chauffante 104 pour une céramique ayant une constante électrique de 65 kV/mm. According to embodiments of the invention, the nozzle 106 can be made of metal or ceramic. The heat cut screw 103 can be made of aluminum or ceramic, for example aluminum nitride. The heating block 105 can be made of ceramic, and the radiator 101 can be made of aluminum. Nevertheless, if the printing nozzle 106 of the polymer is made of metal (for example brass or stainless steel) and it is used for the polarization therefore connected to a high voltage source, the amplitude of the voltage applied for the polarization is limited by the breakdown voltage. This breakdown voltage represents the voltage value from which an electrical discharge occurs between the nozzle and another conductive element having a lower potential (if necessary earthed, ie 0 V). To prevent such discharges from occurring between the nozzle 106 and the heating cartridge 104, the heating block 105 must be made with a dielectric ceramic material. The ceramic must have good thermal conductivity. The main ceramics combining good thermal conductivity and good dielectric constant are alumina (38), aluminum nitride (285), beryllum oxide (370), boron nitride (300) and cubic boron nitride (1300). Furthermore, to increase the breakdown voltage and therefore the voltage applied for polarization, it suffices to increase the distance between the heating cartridge 104 and the nozzle 106. However, by increasing this distance, the volume of the heating block is increased 105 and therefore the power required to reach the extrusion temperatures. This distance depends on the electrical constant of the ceramic constituting the heating block 105. For example, to obtain a breakdown voltage of 10 kV, the inventors calculated a distance of 2.5 mm between the nozzle 106 and the heating cartridge 104 for a ceramic having an electrical constant of 65 kV / mm.
Le matériau déposé 102 peut être un polymère, un copolymère ou un composite à base de polymère ou copolymère. Par exemple, le matériau déposé est de type PVDF, cela comprend le PVDF, les polymères et copolymères à base de PVDF ou les composites ayant un polymère ou copolymère à base de PVDF comme matrice. Le matériau déposé peut contenir, par exemple, des particules céramiques piézoélectriques. Plus généralement, le matériau déposé, dit matériau polymère, contient des domaines polaires pouvant être orientés, les polymères de type PVDF en sont d'ailleurs un exemple. Avantageusement, le polymère déposé est un copolymère, et plus particulièrement du P(VDF-TrFE). Contrairement au PVDF, lors de son impression, le P(VDF-TrFE) présente un taux de phase b important (diffractogramme de la figure 2, présentant le taux de phase b pour le PVDF et le P(VDF-TrFE) après une impression selon un même mode de réalisation de l'invention). Cela permet d'obtenir un coefficient piézoélectrique d33 jusqu'à 15 pC/N pour le P(VDF-TrFE) alors que pour le PVDF imprimé, d33 reste inférieur à 0,8 pC/N. The deposited material 102 can be a polymer, a copolymer or a composite based on a polymer or copolymer. For example, the material deposited is of PVDF type, this includes PVDF, polymers and copolymers based on PVDF or composites having a polymer or copolymer based on PVDF as a matrix. The deposited material may contain, for example, piezoelectric ceramic particles. More generally, the deposited material, called polymer material, contains polar domains which can be oriented, polymers of the PVDF type are moreover an example of this. Advantageously, the deposited polymer is a copolymer, and more particularly P (VDF-TrFE). Unlike PVDF, when it is printed, P (VDF-TrFE) has a high phase b rate (diffractogram in Figure 2, showing the phase b rate for PVDF and P (VDF-TrFE) after printing according to the same embodiment of the invention). This makes it possible to obtain a piezoelectric coefficient d 33 up to 15 pC / N for P (VDF-TrFE) whereas for printed PVDF, d 33 remains less than 0.8 pC / N.
Le matériau polymère déposé est par exemple choisi parmi : PVDF, P(VDF-TrFE), PVF, PVC, P(VDCN/VAc), PTUFB, Nylon-ll/PVDF, PVDF/PZT, et Caoutchouc/PZT. The polymer material deposited is for example chosen from: PVDF, P (VDF-TrFE), PVF, PVC, P (VDCN / VAc), PTUFB, Nylon-ll / PVDF, PVDF / PZT, and Rubber / PZT.
Afin de faciliter la conception des composants piézoélectriques imprimés, une interface de conception 130 est avantageusement prévue. Cette interface 130 est un système informatique (ordinateur, réseau d'ordinateurs, carte à microprocesseur ...) programmée pour recevoir en entrée des paramètres d'un composant piézoélectrique à fabriquer, tels que les propriétés électriques souhaitées, la position de ses points de prise de contact, son emplacement au sein ou à la surface d'une structure mécanique, etc et de fournir en sortie, grâce à l'application d'algorithmes appropriés, un fichier d'impression (généralement au format G-Code) qui permet le pilotage de l'imprimante tridimensionnelleIn order to facilitate the design of the printed piezoelectric components, a design interface 130 is advantageously provided. This interface 130 is a computer system (computer, computer network, microprocessor card, etc.) programmed to receive as input parameters of a piezoelectric component to be manufactured, such as the desired electrical properties, the position of its points of making contact, its location within or on the surface of a mechanical structure, etc. and providing as output, thanks to the application of appropriate algorithms, a print file (generally in G-Code format) which allows piloting the three-dimensional printer
120. 120.
L'interface 130 est notamment composée d'un logiciel de conception assistée par ordinateur 131, dit logiciel de CAO, d'un plugin 132 exécuté par le logiciel de CAO 131, d'un logiciel 135, dit logiciel P-Tronics, et d'un « slicer » 136. Le plugin 132 permet de transmettre le modèle 3D conçu par l'utilisateur dans le logiciel de CAO 131 au logiciel P-Tronics 135 ainsi que les matériaux et les paramètres choisis. Ce plugin 132 permet avantageusement au logiciel P-Tronics 135 de recevoir le modèle 3D conçu par n'importe quel logiciel de CAO. Le logiciel P-Tronics 135 permet à l'utilisateur d'ajouter des composants et/ou de modifier le modèle 3D reçu, de communiquer avec le slicer 136 qui permet d'analyser et visualiser une image 3D couche par couche et de convertir le modèle 3D en G-Code utilisable par l'imprimante 120 et de fournir à l'imprimante 120 un fichier d'impression 133 en G-Code. Avantageusement, le logiciel de CAO 131,1e plugin 132 et le logiciel 135 peuvent faire appel à une base de données 134 regroupant une bibliothèque de composants, de matériaux, etc. The interface 130 is notably composed of computer-aided design software 131, called CAD software, a plugin 132 executed by CAD software 131, software 135, called P-Tronics software, and d 'a “slicer” 136. The plugin 132 makes it possible to transmit the 3D model designed by the user in the CAD software 131 to the P-Tronics 135 software as well than the materials and parameters chosen. This plugin 132 advantageously allows the P-Tronics 135 software to receive the 3D model designed by any CAD software. P-Tronics 135 software allows the user to add components and / or modify the 3D model received, to communicate with the slicer 136 which allows to analyze and visualize a 3D image layer by layer and to convert the model 3D in G-Code usable by the printer 120 and to provide the printer 120 with a print file 133 in G-Code. Advantageously, the CAD software 131.1 plugin 132 and the software 135 can use a database 134 grouping together a library of components, materials, etc.
Le logiciel 135 et le slicer 136 permettent de : générer un composant seul ; The software 135 and the slicer 136 make it possible to: generate a single component;
générer des composants et des pistes conductrices au sein d'un document CAO (document créé par le logiciel de CAO) ; generate components and conductive tracks within a CAD document (document created by CAD software);
modifier des réglages de chaque sous-partie du document CAO (comme le matériau, les motifs d'impression, la tension appliquée lors de la polarisation ...) ; modifier des réglages globaux d'impression (épaisseur de couche, type de filament ...) ; et modify the settings of each sub-part of the CAD document (such as the material, the print patterns, the voltage applied during polarization, etc.); modify global printing settings (layer thickness, filament type, etc.); and
conversion du document CAO en G-Code. conversion of the CAD document into G-Code.
Pour la génération de composant seul, l'utilisateur choisit, dans le logiciel de CAO 131, le type de composant à générer, puis les paramètres du composant, comme ses dimensions ou les paramètres spécifiques à chaque type de composant. Un document CAO est alors créé, contenant uniquement le composant souhaité (et si besoin une couche de support isolante de même dimensions). Dans ce document CAO, l'utilisateur peut alors générer de nouveaux composants et/ou des pistes conductrices. Pour cela, il délimite des zones dans le document, définissant l'emplacement et la taille des nouveaux composants à générer. Pour chacune des zones, l'utilisateur spécifie le type de composant à générer ainsi que ses paramètres (par exemple, les paramètres électriques). Puis l'utilisateur exécute le plugin 132 qui va lui-même exécuter le logiciel P-Tronics 135, afin de générer les nouveaux composants. Le logiciel 135 examine le document CAO afin d'identifier les zones représentant ces nouveaux composants à générer. Pour chaque zone, il génère un composant seul et l'insère dans le document CAO sur la zone délimitée par l'utilisateur. L'utilisateur peut également modifier certaines propriétés d'un composant généré ou d'une partie du composant ou de tout autre objet qu'il a modélisé lui-même dans le logiciel de CAO 131, comme par exemple les propriétés électriques du matériau (isolant, conducteur, piézoélectrique), le motif d'impression, l'espacement des fils, la tension appliquée pour la polarisation, etc. Dans le cas d'un composant généré automatiquement par le logiciel 135, ces réglages sont pré-assignés, mais quand même modifiables par l'utilisateur. For the generation of a single component, the user chooses, in the CAD software 131, the type of component to be generated, then the parameters of the component, such as its dimensions or the parameters specific to each type of component. A CAD document is then created, containing only the desired component (and if necessary an insulating support layer of the same dimensions). In this CAD document, the user can then generate new components and / or conductive tracks. To do this, it delimits areas in the document, defining the location and size of the new components to be generated. For each of the zones, the user specifies the type of component to be generated as well as its parameters (for example, electrical parameters). Then the user executes the plugin 132 which will itself execute the P-Tronics 135 software, in order to generate the new components. The software 135 examines the CAD document in order to identify the areas representing these new components to be generated. For each zone, it generates a single component and inserts it into the CAD document on the zone delimited by the user. The user can also modify certain properties of a generated component or a part of the component or of any other object which he has modeled himself in the CAD software 131, such as for example the electrical properties of the material (insulator , conductive, piezoelectric), print pattern, wire spacing, voltage applied for polarization, etc. In the case of a component automatically generated by software 135, these settings are pre-assigned, but still modifiable by the user.
L'utilisateur a également la possibilité de modifier les réglages globaux de l'impression, comme la qualité d'impression, ou les matériaux présents dans chaque tête de dépôt. Le logiciel 135 permet de prendre en compte tous les composants et les réglages donnés par l'utilisateur pour la génération du fichier d'impression 133 en G-Code. Si aucun réglage particulier n'est donné par l'utilisateur sur une sous-partie, cette sous-partie sera imprimée avec un matériau par défaut (isolant). The user can also modify the global print settings, such as the print quality, or the materials present in each deposition head. The software 135 makes it possible to take into account all the components and the settings given by the user for the generation of the print file 133 in G-Code. If no particular setting is given by the user on a sub-part, this sub-part will be printed with a default material (insulation).
Pour la création de pistes conductrices, l'utilisateur a le choix entre un processus manuel et un processus automatique. For the creation of conductive tracks, the user has the choice between a manual process and an automatic process.
Pour le processus manuel, l'utilisateur construit, dans le document CAO, des segments représentant les pistes conductrices à générer. Les extrémités de ces pistes peuvent : être reliées entre elles ; ou For the manual process, the user builds, in the CAD document, segments representing the conductive tracks to be generated. The ends of these tracks can: be connected together; or
reliées à des composants ; ou connected to components; or
n'être reliées à aucun élément. not be linked to any element.
Quand l'utilisateur demande logiciel 135, via le plugin 132, de générer ces pistes, le logiciel 135 examine le document CAO pour identifier les pistes à générer, c'est-à-dire les segments construits par l'utilisateur. Pour chaque segment de type « même couche », c'est- à-dire un segment restant dans un même couche, donc dans un même plan (x, y), il génère un pavé droit suivant le tracé du segment, de même longueur que la taille du segment, de la largeur d'une piste et de hauteur épaisseurC0Uche x num_couches_pistes. When the user requests software 135, via the plugin 132, to generate these tracks, the software 135 examines the CAD document to identify the tracks to be generated, that is to say the segments constructed by the user. For each segment of the "same layer" type, that is to say a segment remaining in the same layer, therefore in the same plane (x, y), it generates a right block following the path of the segment, of the same length as the size of the segment, the width of a track and the height thickness C0Uche x num_couches_pistes.
Pour chaque segment de type « via », c'est-à-dire un segment traversant plusieurs couches, donc selon l'axe z, le logiciel 135 génère un pavé droit suivant le tracé vertical du segment, dont la hauteur est égale à la taille du segment et dont les deux autres dimensions sont égales à l'épaisseur du via. Les pavés droits ainsi générés sont unifiés en pistes conductrices pour chaque ensemble connecté de segments, et les volumes 3D résultants sont intégrés dans le document CAO au même endroit que les segments correspondants. For each segment of type “via”, that is to say a segment crossing several layers, therefore along the z axis, the software 135 generates a right block following the vertical layout of the segment, the height of which is equal to the size of the segment and the other two dimensions of which are equal to the thickness of the via. The straight blocks thus generated are unified into conductive tracks for each connected set of segments, and the resulting 3D volumes are integrated into the CAD document in the same place as the corresponding segments.
Pour le processus automatique, l'utilisateur sélectionne : une paire de composants dans le document CAO ; ou For the automatic process, the user selects: a pair of components in the CAD document; or
un composant et un point de liaison ; ou encore a component and a connection point; or
une paire de points de liaison, les points de liaison étant construits préalablement par l'utilisateur. a pair of connection points, the connection points being constructed beforehand by the user.
L'utilisateur indique au logiciel 135 que ces deux objets doivent être reliés et le plugin enregistre cette relation dans le document CAO. Si besoin est, l'utilisateur peut également préciser à quelle entrée ou sortie est relié un composant, si celui possède plusieurs terminaisons. Puis, le logiciel 135 va générer les pistes conductrices reliant les deux objets. Il va d'abord générer des segments reliant les différents objets. Plusieurs cas sont alors possibles : The user indicates to the software 135 that these two objects must be linked and the plugin saves this relation in the CAD document. If necessary, the user can also specify to which input or output a component is linked, if it has several terminations. Then, the software 135 will generate the conductive tracks connecting the two objects. It will first generate segments connecting the different objects. Several cases are then possible:
Pour les extrémités de pistes : For the ends of the tracks:
o Dans le cas d'un composant sans emplacements de connexion particuliers, l'extrémité de la piste se trouve sur le bord du composant le plus proche de l'objet à relier, o In the case of a component without specific connection locations, the end of the track is on the edge of the component closest to the object to be connected,
o Dans le cas d'un composant disposant de plusieurs emplacements de connexion, l'emplacement choisi par l'utilisateur définit l'extrémité de la piste, o In the case of a component having several connection locations, the location chosen by the user defines the end of the track,
o Dans le cas d'un point de liaison, le point constitue l'extrémité de la piste ; o In the case of a link point, the point constitutes the end of the track;
Pour les tracés des segments : For segment plots:
o Les parties du document constituées de matériau isolant sont découpées en voxels de dimensions ma x[largeurpiste,- épaisseurvia\ + séparationpistes , les voxels formés ne sont pas forcément constitués uniquement de matériau isolant ; o The parts of the document made of insulating material are cut into voxels of dimensions ma x [ track width, - thickness via \ + track separation, the voxels formed are not necessarily made only of insulating material;
Pour chaque paire d'objets à relier : o Les voxels ne contenant pas 100% de matériau isolant sont marqués comme invalides, car ils peuvent en effet contenir des pistes précédemment générées, les autres voxels étant considérés comme valides, For each pair of objects to be linked: o Voxels that do not contain 100% insulating material are marked as invalid, because they may indeed contain previously generated tracks, the other voxels being considered as valid,
o Le logiciel part d'une extrémité de la paire d'objets à relier, et la relie à l'autre extrémité en générant des segments (de type « même couche » ou « même via »), les segments peuvent éventuellement traverser des voxels valides, et dans ce cas, ils passent par le centre de ces voxels, o The software starts from one end of the pair of objects to be linked, and connects it to the other end by generating segments (of the “same layer” or “same via” type), the segments can possibly cross voxels valid, and in this case, they pass through the center of these voxels,
o L'ensemble des segments ainsi générés constitue une piste conductrice reliant les deux objets, o The set of segments thus generated constitutes a conductive track connecting the two objects,
Puis les segments produits sont automatiquement transformés en volumes 3D de la même manière que le processus manuel. Then the product segments are automatically transformed into 3D volumes in the same way as the manual process.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, une puce électronique ou une carte électronique peut être insérée sur la structure tridimensionnelle du composant piézoélectrique. En effet, l'imprimante 3D décrite n'est pas capable d'imprimer l'équivalent d'un microprocesseur. Il faut donc pouvoir l'ajouter à l'objet et le programmer pour prendre en compte l'ensemble des composants présents dans le composant piézoélectrique. L'ajout de la puce est facilité par la génération de connecteurs spécifiques par le logiciel 135, dit connecteur pour puces. Ce type de composant permet d'accueillir une carte électronique ou une puce munie de pattes métalliques, grâce à des trous disposés selon la même configuration et de profondeur appropriée. Il fournit un certain nombre de terminaisons auxquelles des pistes conductrices peuvent être connectées. La connaissance par le logiciel 135 des pistes reliées à chaque patte permet également de générer un code sur mesure pour la carte ou la puce destiné à piloter les composants qui y sont connectés, ce qui permettra de rendre le composant piézoélectrique imprimé immédiatement fonctionnel. According to another embodiment of the invention, an electronic chip or an electronic card can be inserted on the three-dimensional structure of the piezoelectric component. Indeed, the 3D printer described is not capable of printing the equivalent of a microprocessor. It must therefore be able to add it to the object and program it to take into account all of the components present in the piezoelectric component. The addition of the chip is facilitated by the generation of specific connectors by the software 135, said connector for chips. This type of component can accommodate an electronic card or a chip fitted with metal tabs, thanks to holes arranged in the same configuration and of appropriate depth. It provides a number of terminations to which conductive tracks can be connected. Knowledge by the software 135 of the tracks connected to each tab also makes it possible to generate a tailor-made code for the card or the chip intended to control the components connected to it, which will make the printed piezoelectric component immediately functional.
La figure 3A présente un capteur de vibration fabriqué selon un des modes de réalisation de l'invention. Ce capteur a été imprimé avec des encres conductrices en argent et un matériau polymère en P(VDF-TrFE). Ses dimensions sont de 30x30x1 mm3. Les valeurs de d33 pour ce capteur sont proches de 13 pC/N. La figure 3B présente la réponse du capteur, c'est-à-dire sa tension de sortie, en fonction du temps pour différentes fréquences de vibration. La figure 3C présente la réponse du capteur en fonction de l'amplitude de vibration pour différentes fréquences de vibration. FIG. 3A shows a vibration sensor manufactured according to one of the embodiments of the invention. This sensor was printed with conductive silver inks and a P polymer material (VDF-TrFE). Its dimensions are 30x30x1 mm3. The values of d 33 for this sensor are close to 13 pC / N. Figure 3B shows the response of the sensor, i.e. its output voltage, as a function of time for different frequencies vibration. Figure 3C shows the response of the sensor as a function of the vibration amplitude for different vibration frequencies.
Un actionneur a été fabriqué selon un des modes de réalisation de l'invention. Cet actionneur a été imprimé avec des encres conductrices en argent et un matériau polymère en P(VDF-TrFE). Ses dimensions sont identiques à celles du capteur présenté à la figure 3 : 30 x 30 x 1 mm3. Les valeurs de d33 pour cet actionneur sont proches de 13 pC/N. La figure 4A présente le déplacement de l'actionneur en fonction de la tension appliquée à 1 kHz et la figure 4B présente le déplacement de l'actionneur en fonction de la fréquence appliquée àAn actuator was manufactured according to one of the embodiments of the invention. This actuator was printed with conductive silver inks and a P polymer material (VDF-TrFE). Its dimensions are identical to those of the sensor shown in Figure 3: 30 x 30 x 1 mm 3 . The values of d 33 for this actuator are close to 13 pC / N. FIG. 4A shows the displacement of the actuator as a function of the voltage applied to 1 kHz and FIG. 4B presents the displacement of the actuator as a function of the frequency applied to
10 V. 10 V.
Claims
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113977932A (en) * | 2021-07-26 | 2022-01-28 | 四川大学 | A preparation method for 3D printing of porous high-performance piezoelectric components |
| US20220328754A1 (en) * | 2020-09-09 | 2022-10-13 | Baker Hughes Oilfield Operations Llc | Method for manufacturing piezoelectric instrumentation devices with 3d structures using additive manufacturing |
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| CN113977932A (en) * | 2021-07-26 | 2022-01-28 | 四川大学 | A preparation method for 3D printing of porous high-performance piezoelectric components |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3087698A1 (en) | 2020-05-01 |
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