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WO2023194490A1 - Procédé de fabrication additive d'un objet magnétique - Google Patents

Procédé de fabrication additive d'un objet magnétique Download PDF

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WO2023194490A1
WO2023194490A1 PCT/EP2023/059038 EP2023059038W WO2023194490A1 WO 2023194490 A1 WO2023194490 A1 WO 2023194490A1 EP 2023059038 W EP2023059038 W EP 2023059038W WO 2023194490 A1 WO2023194490 A1 WO 2023194490A1
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WO
WIPO (PCT)
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magnetic
magnet
magnetic field
layer
printing plate
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2023/059038
Other languages
English (en)
Inventor
Antoine COHADON
Noémie VENNIN
Samuel Kenzari
Thomas Hauet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Lorraine
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Lorraine
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National Polytechnique de Lorraine filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C04B2235/605—Making or treating the green body or pre-form in a magnetic field

Definitions

  • the present invention generally relates to the field of additive manufacturing of magnetic objects, in particular by selective laser sintering (SLS).
  • SLS selective laser sintering
  • Additive manufacturing or 3D printing constitutes a major axis of R&D in France and throughout the world, making it possible to produce three-dimensional polymer or metallic parts from powders.
  • 4D or four-dimensional printing is the process by which an object printed in three dimensions [or 3D) can itself modify its structure and change shape with the impulse of an external energy such as temperature, light or other environmental stimuli, such as magnetic field.
  • 4D printing can be defined as 3D printing capable of transforming over time.
  • 4D printing offers the possibility of manufacturing objects with the capacity to modify their shape or their properties over time under the action of an external stimulus.
  • a magnetic material can be deformed under the effect of magnetic forces exerted by a magnetic field generated by a magnet positioned at a distance from said material, it is possible to remotely control the change in shape of such objects.
  • a mixture of powders comprising a polyurethane powder and a powder of a Neodymium-Iron-Boron alloy is shaped by selective laser sintering, in order to obtain a non-magnetic object which is then subjected, during a post-processing step.
  • -magnetization to an intense magnetic field generated by an electromagnet traversed by an electric voltage of 1,900 V.
  • the application of the intense magnetic field makes it possible to orient all of the metal particles, and therefore their magnetic moment, according to a common direction, so that the object becomes magnetic and is able to respond to an external magnetic stimulus.
  • the objective of the present invention is to propose an alternative process for additive manufacturing of a magnetic object that is easy to implement on standard manufacturing installations and makes it possible to dispense with the post-magnetization step.
  • the present invention relates to a process for additive manufacturing of a magnetic object comprising the following steps: depositing on a printing plate a layer of a mixture of powders comprising at least one polymer powder thermoplastic to form a matrix and at least one powder of magnetizable particles; selectively irradiating by laser at least one region of the layer of the powder mixture.
  • depositing on a printing plate a layer of a mixture of powders comprising at least one polymer powder thermoplastic to form a matrix and at least one powder of magnetizable particles; selectively irradiating by laser at least one region of the layer of the powder mixture.
  • at least one region of the layer deposited on the printing plate is subjected, at least during the liquid phase of the polymer powder due to laser irradiation, to a magnetic field.
  • the magnetic field has sufficient power to direct the magnetic moments of the magnetizable particles.
  • the printing plate is made of magnetically inert material and the magnetic field is generated by at least one magnet combined with the printing plate.
  • the present process allows the manufacture of 3D and 4D magnetic objects using traditional SLS printers.
  • the magnetic object is manufactured layer by layer, by selective irradiation of each layer using the laser, according to a digital 3D model [corresponding to the object divided into slices).
  • a digital 3D model [corresponding to the object divided into slices).
  • the laser radiation will heat the layer being manufactured so as to at least partially melt the polymer, in order to stick/agglomerate the particles.
  • the polymer therefore forms a matrix. This is obtained by at least partial fusion of the polymer powder grains.
  • the term “liquid phase” of the polymer powder therefore designates a partial or complete fusion of the polymer grains.
  • heating of the layer depends on the energy delivered locally by the laser, which can move relatively quickly [e.g. of the order of 2 m/s).
  • the polymer is in the liquid state for a short time; we can therefore consider that at a given moment only the polymer particles located in the zone irradiated by the laser are in the liquid phase.
  • the mixture of polymer powders and magnetizable particles is subjected, during irradiation, to a magnetic field, which allows the orientation [in a predetermined direction defined by the magnetic field) of the moments magnetic of the magnetizable particles during the manufacture of the layer.
  • a magnetic field which allows the orientation [in a predetermined direction defined by the magnetic field) of the moments magnetic of the magnetizable particles during the manufacture of the layer.
  • the present additive manufacturing process makes it possible to manufacture a permanent magnet by the orientation of the magnetic moments of the magnetizable particles.
  • the orientation in a predetermined direction of the magnetic moments is imposed by the applied magnetic field, in particular by using a field of sufficient intensity.
  • a magnetic field of sufficient power is used to impose a direction of orientation of the magnetic moments of the magnetizable particles, which will advantageously retain their orientation after stopping the magnetic field. Thanks to this alignment/reorientation of the magnetic moments, the magnetic object obtained thus has strong permanent magnetization and exhibits permanent magnet-like behavior.
  • the present process therefore advantageously allows the manufacture of a permanent magnet, the magnetization of which is induced from the stages of the manufacturing process, without requiring postmagnetization. Initial tests made it possible to manufacture magnetic objects with permanent magnetization of at least 30 or 60 mT on their surface.
  • orientation of the magnetic moments is advantageously done by application of the magnetic field, a magnetic phenomenon at the particle scale, without requiring the mobility/rotation of the particles.
  • the principle of the invention is based on a statistically significant orientation of the magnetic moments of the magnetizable powder particles.
  • the orientation of the magnetic moments is favored by the fact that the magnetic field is applied during the liquid phase of the polymer, the local temperature increase in the layer being formed lowering the magnetic moment.
  • the sintering step can be calibrated so that the temperature is, for example, between 100 and 230°C under the laser beam.
  • the magnetic field can be generated permanently during the implementation of the present method. This will typically be the case if we uses permanent magnet(s); one or more electromagnets make it possible, if necessary, to cut the field during the deposition phases of the powder mixture.
  • the plate being made of magnetically inert material, this advantageously makes it possible to avoid magnetic interference between the printing plate and the layer of the mixture of powders to be printed.
  • this makes it possible to deposit regular and homogeneous layers of the powder mixture, and thus to avoid the formation of hedgehogs or other clusters of magnetic particles.
  • the magnet is combined with the printing plate, and is therefore close to the object being manufactured and in particular to the layer being manufactured.
  • the method according to the invention can therefore be implemented with traditional equipment and simply requires adaptation of the printing plate.
  • the magnet is combined or associated with the printing plate, so that the magnet is at a predefined distance from the surface of the printing plate supporting the powders/the part being manufactured.
  • the magnet(s) are combined with the plate so that they can move with it. This proximity makes it possible to work with lower power magnets.
  • one or more magnets can be used as a magnetic field source. Magnets can have the same or different properties [dimensions, magnetic field intensity).
  • the magnet respectively the magnets, is/are of the permanent magnet or electromagnet type. In the case of several magnets, permanent magnets and electromagnets can be combined. Generally speaking, those skilled in the art will choose the number of magnets and their characteristics according to the desired magnetic field(s).
  • the magnet(s) are integrated into the printing plate, in the sense that they are positioned on, in, or under the printing plate, so as to generate one or more magnetic fields in the print chamber [above the top surface of the print bed).
  • the magnets are therefore typically vertical to the plate here.
  • the magnet is positioned so that its top surface is close to, or flush with, the surface of the platen.
  • At least one magnet (in particular permanent) is integrated into the plate, in particular housed in the plate, and generates a magnetic field above the surface of the plate.
  • the magnet can be placed in a cavity and immobilized using a resin. This allows the magnet to be fixed in place; filling the cavity with a resin helps prevent contamination. Any suitable material can be used to immobilize the magnet and/or fill the cavity, having no impact on the magnetic fields. It is possible to form a thin layer of resin on the surface of the magnet, for example of the order of 0.2 mm to 1 mm. [0027] According to variants, at least one magnet can be placed on the surface of the plate.
  • the at least one magnet can be surrounded by a magnetically inert material, such as for example but not limited to, the thermoplastic polymer powder of the powder mixture, in order to produce a flat/parallel working surface. on the surface of the plate, the layer of powder mixture being deposited on this work surface.
  • a magnetically inert material such as for example but not limited to, the thermoplastic polymer powder of the powder mixture
  • the magnet(s) can be fixed or mobile.
  • the use of magnet fixing systems allowing a certain mobility makes it possible to change the magnetic configuration of the printing plate as needed between two different parts to be manufactured, or even during manufacturing depending on the complexity of the object.
  • the magnetic field generated by the at least one magnet combined with the printing plate has an intensity of between 250 and 750 mT, in particular from 300 to 600 mT, preferably from 300 to 500 mT.
  • Such magnetic field intensity can be achieved by economically affordable commercial magnets.
  • the magnetic field intensity indicated is preferably that which must prevail in the layer(s) of powder being manufactured, respectively in the layer which is selectively irradiated by the laser.
  • the intensity of the magnetic field is chosen to control the orientation of the magnetic moments of the magnetizable particles.
  • the temperature of the liquid phase is controlled [via the laser) so that the viscosity of the polymer liquid phase also allows reorientation, respectively rotation, of the magnetizable particles.
  • magnetizable particle designates any particle presenting magnetic properties, ie intrinsically presenting a non-zero magnetic moment which allows it to be oriented by the application of an external magnetic field.
  • a magnetizable particle may have ferrimagnetic or ferromagnetic properties, and in particular the magnetizable particles may be made of hard ferromagnetic material.
  • magnetizable particles are particles which carry a magnetic moment [therefore magnetic particles). But they are called “magnetizable particles” because in the powder state they carry a weak magnetic moment, and do not behave like a magnet for an observer.
  • all of the magnetizable particles, whose moments have been oriented, produce a magnetization such that the object exhibits the observable behavior of a permanent magnet.
  • the quantity and nature of the magnetizable particles are chosen so that the magnetic object obtained forms a permanent magnet having a magnetization such that it allows the magnetic object to support at least its own weight when it adheres to a vertical steel plate.
  • the magnetizable particles are ferromagnetic and have a Curie temperature higher than the melting temperature of the thermoplastic polymer powder.
  • the magnetizable particles consist entirely of a ferromagnetic material and do not include any non-magnetic material, in particular no material which is not ferromagnetic.
  • the magnetizable particles comprise, respectively consist of, ferromagnetic alloy particles, in particular particles of FesCU, NdFeB, SmCo and/or AINiCo.
  • thermoplastic polymer comprises polylactic acid (PLA), polyamide, polypropylene and/or polyurethane.
  • the magnetizable particles can be spherical or non-spherical, depending on the powder formation process. Spherical or rounded shapes facilitate the movement/orientation of particles in the layer by training.
  • the magnetizable particles have for example a dimension between 30 and 250 pm, preferably between 50 and 200 pm, more preferably between 80 and 150 pm. When the particles are spherical, this dimension corresponds to the diameter of the magnetizable particles. Otherwise, it is the largest dimension.
  • a particle is spherical if it has substantially identical dimensions in all directions, for example if a relative difference between two of its dimensions, determined in two distinct directions, is less than 15%, preferably less than 10%, in particular less than 5%.
  • the magnetizable particles may have a spherical, rounded or patatoid shape, the magnetizable particles being characterized by an aspect ratio L/D ⁇ 2, where L is the largest dimension and D is the smallest. dimension.
  • the dimensions of the polymer powders are in the same ranges, and preferably polymer powders and powders of magnetizable particles of comparable sizes are used in the same process.
  • the magnetizable particles represent less than 50% by volume of the mixture of powders, preferably less than 30% by volume, more preferably less than 25%, 20 or 15% by volume, in order to obtain a object presenting the desired mechanical properties [for example fragility, flexibility, etc.).
  • the magnetizable particles represent at least 5 or 10% by volume of the powder mixture.
  • thermoplastic polymer particles have a density typically 8 to 10 times lower than that of the magnetizable particles, so that a volume content of approximately 10% of magnetizable particles corresponds to a mass content of approximately 50%.
  • the mixture of powders always comprises magnetizable particles, that is to say a non-zero concentration.
  • the content of magnetizable particles in the mixture of powders is sufficient for the magnetic object obtained by the present additive manufacturing process to have a magnetic moment which allows it to magnetically adhere to a vertical surface (steel plate) without falling/sliding, that is to say to support its own weight. This is a minimum magnetic attraction, which can be increased by increasing the content of magnetizable particles.
  • a magnetically inert buffer layer is initially deposited on the printing plate.
  • a buffer layer makes it possible to then deposit regular and homogeneous layers of the mixture of powders, and thus to avoid the formation of hedgehogs or other clusters of magnetic particles.
  • the present invention also relates to a magnetic object, in particular a permanent magnet, obtained by a process according to the invention as described above.
  • the invention relates to a system for additive manufacturing of a magnetic object comprising: a printing plate; means for depositing on the printing plate a layer of a mixture of powders comprising at least one thermoplastic polymer powder to form a matrix and at least one powder of magnetizable particles; a laser capable of selectively irradiating at least one region of the layer of the powder mixture; in which the printing plate is made of magnetically inert material and at least one magnet is combined with the printing plate so as to be able to generate a magnetic field in at least one region of the layer deposited on the printing plate; and in which the magnetic field has sufficient strength to direct the magnetic moments of the magnetizable particles.
  • the magnet can be housed in, under, or on the printing plate, in a fixed or mobile manner.
  • Said at least one magnet can be a permanent magnet or an electromagnet.
  • the temperature of the liquid phase is controlled [via the laser] so that the viscosity of the polymer liquid phase also allows reorientation, respectively rotation.
  • the magnetic field can thus have sufficient power to orient the magnetizable particles.
  • FIG. 1 a diagram of an additive manufacturing installation for a magnetic object
  • FIG. 2 a top view of the installation of Fig. 1 when printing a magnetic object in a uniform magnetic field [a] and a photograph of the printed object [b];
  • FIG. 3 a top view of the installation of Fig. 1 when printing a magnetic object in a non-uniform magnetic field [a] and diagrams of the magnetic object printed in the presence [b, d) or absence [c] of an external magnetic field ;
  • FIG. 4 schematic diagrams of a region of the layer being formed [a] before the sintering step and [b] after the sintering step.
  • Figure 1 represents an additive manufacturing installation [a system] 10 adapted to the implementation of an embodiment of the present additive manufacturing process of a magnetic object, here indicated 40.
  • This comprises at minus a powder supply tank 18 whose bottom is movable and movable in translation [vertically] and containing a mixture of powders [not shown] comprising a thermoplastic polymer powder and a magnetizable particle powder.
  • the installation 10 also includes a compartment defining a printing volume (or chamber) 20, adjacent to the powder supply tray 18, the bottom of which is constituted by a printing plate 22, or construction plate , mobile and also movable in vertical translation.
  • the printing plate 22 is generally made of a non-magnetic material, such as for example epoxy resin.
  • a magnet 26 is combined with the mobile printing plate 22, generating a magnetic field inside the printing volume 20.
  • the magnet 26 is a permanent magnet, for example a neodymium magnet having a magnetic field with an intensity of approximately 300 mT at its surface, integrated into the plate 22 so that an upper surface 26.1 of the magnet is flush with the surface of the plate 22.1 on which the powders are deposited.
  • the mobile printing plate 22 has a cavity in which the magnet is housed.
  • the cavity is dimensioned so that the upper surface 26.1 of the magnet is flush with the surface 22.1 of the mobile printing plate.
  • the magnet can be immobilized in the cavity using a resin, for example an epoxy resin or any other material not having magnetic properties likely to interfere with the magnet and/or the magnetizable particles, which will fill the gaps between the magnet and the walls of the cavity dug in the print bed.
  • Figure 1 comprises a single magnet in order to generate the magnetic field, but that this is a non-limiting example of the scope of the invention. Indeed, several magnets can be used and positioned at the level of the mobile construction plate to generate the desired magnetic field, in particular in order to modulate the intensity and geometry of the field.
  • the magnet can also be associated with magnetic field conductors [not shown) and devices capable of moving it [not shown) in order to modify the intensity and direction of the field perceived by the magnetic object during its printing, ie to modify the intensity and direction of the magnetic field between the printing of two successive layers or two objects to be manufactured.
  • Figures 2a and 3a each show a top view of the printing volume during the manufacture of a magnetic object.
  • the printed area is entirely arranged above the magnet 26, and is in a uniform magnetic field.
  • a transverse section, along a plane parallel to the construction plate, of the magnetic object 30 obtained has uniform magnetization.
  • the printed area covers a larger area than the surface of the magnet 26.
  • the magnetic field generated by the magnet is not uniform in the printing area and a cross section, along a plane parallel to the printing plate construction, of the magnetic object 40 obtained presents a magnetic field gradient.
  • the installation 10 for manufacturing a magnetic object further comprises means [not shown) making it possible to bring powder from the powder supply tank 18 to the manufacturing volume 20, for example a scraper moving along a horizontal plane, and means 12 for generating a laser beam 14, coupled to a device 16, e.g. with mirror[s), making it possible to orient and move the laser beam 14.
  • the orientation and movement device 16 can in particular be an orientable deflector mirror.
  • the device 16 is controlled by an information processing system [not shown), typically a microprocessor device, for example a PC, configured to implement the present method and in which a model has been recorded with the three-dimensional coordinates points of successive layers of the part to be produced.
  • an information processing system typically a microprocessor device, for example a PC, configured to implement the present method and in which a model has been recorded with the three-dimensional coordinates points of successive layers of the part to be produced.
  • the cutting software files including the cuts/layers corresponding to the object to be printed, can be translated into G-code by the slic3r software before being loaded into the PC, which will translate the G-code on the way to the laser.
  • the key parameters are then determined based on the G-code: movement speed, power, layer height, time between printing successive layers, etc.
  • Table 1 gives, by way of example, printing characteristics used in first tests carried out on the invention.
  • a powerful CO2 laser A nominal 14 W was used, having a wavelength of approximately 10 pm.
  • the process could be implemented operating at a fraction of the laser power.
  • the present manufacturing process follows the general steps of additive manufacturing processes by selective laser sintering of powders.
  • a mixture of powders comprising at least one thermoplastic polymer powder to form a matrix and at least one magnetizable particle powder is introduced into the feed tray 18.
  • the polymer powder is a powder of thermoplastic polymer, elastomer or not, printable by selective laser sintering.
  • thermoplastic polymer include, for example, polylactic acid [PLA], polyamide 11 [Nylon 11, or PAU], polyamide 12 [PA12], polypropylene [PP], and/or thermoplastic polyurethane.
  • the magnetizable particles can be of any type of material having magnetic properties, for example an alloy of a material ferromagnetic (NdFeB, SmCo, AlNiCo) and thus allow the printing of objects presenting an intrinsic magnetic field (permanent magnetization), even in the absence of an external field, or be a mixture of powders presenting different magnetic properties (for example example ferrimagnetic, ferromagnetic and/or paramagnetic), or be made of a material having both ferromagnetic, ferrimagnetic and/or paramagnetic properties.
  • the powder of magnetizable particles, or powder of magnetic material must have a Curie temperature (in the case where the magnetizable particles have ferromagnetic properties) greater than the melting temperature of the matrix (ie of the polymer powder thermoplastic).
  • the magnetizable particles have dimensions (particle size) of the order of that of the particles of the thermoplastic polymer powder, typically less than 250 pm, and the magnetizable particles can have a spherical or non-spherical shape.
  • the proportion of magnetic charges is typically less than 30% by volume to maintain acceptable mechanical properties, preferably less than 25% by volume.
  • the composition of the powder mixture (thermoplastic polymer powder and magnetizable particle powder) gives the overall mechanical behavior of the magnetic object (or composite part) manufactured, and must be adapted in order to guarantee consistency between the polymer matrix. and magnetizable particles. If the proportion of magnetic charges is too high compared to the thermoplastic polymer, the resulting object will be poorly sintered and fragile.
  • the minimum volume proportion of magnetizable particles is 5 or 10%.
  • the proportion between magnetizable particles and thermoplastic polymer can be adjusted according to the type of magnetizable particles and their particle size, as well as the desired magnetic and mechanical properties. It is thus possible to print flexible or mobile magnetic composite parts by controlling the quantity of magnetizable powder in relation to the quantity of polymer powder. Preferably, the proportion and nature of the magnetic particles is chosen so that the manufactured object behaves like a permanent magnet supporting its own weight.
  • the printing volume 20 is conventionally heated [by heating means not shown) and can be inerted by a gas.
  • the operating conditions are determined in particular by the properties of the thermoplastic polymer powder, in particular the printing volume can be heated between 60°C and 200°C and inerting is possible by gas sweeping [nitrogen and/or argon ) in order to reduce the presence of oxygen.
  • a magnetically inert buffer layer 24 is formed or deposited on the printing plate 22 before the construction of the magnetic object.
  • the buffer layer 24 may be composed of thermoplastic polymer powder identical to the polymer present in the powder mixture, or a different polymer powder.
  • This optional buffer layer completely covers the working surface of the printing plate and creates a space in relation to the surface of the plate and a distance from the magnet to avoid the formation of hedgehogs or other clusters of magnetic particles. The usefulness of such a layer depends on the configuration of the magnetic field, and the way in which the magnet is integrated into the plate.
  • the buffer layer is normally not sintered or bonded to the object to be manufactured, which is formed on this buffer layer.
  • the buffer layer typically constitutes a bed of powder which promotes the formation, on top, of a regular and homogeneous layer.
  • the formation of the magnetic object is started, by bringing [using a scraper or a roller - not shown) the mixture of powders from the feed tray 18 up to print volume 20 to form the first layer.
  • a part of the magnetizable particles because they each have a non-zero magnetic moment, will align locally with the field generated by the magnet 26 combined with the construction plate 22. All of these particles form a copy of the orientation of the field at each point of the printing area.
  • the intensity/power of the applied magnetic field is such that it makes it possible to force the orientation of the magnetic moments on the scale of the particles, so that the magnetic moments are reoriented by the applied field and retain this orientation after it stops.
  • the application of the magnetic field imposes a direction of magnetization, which causes an alignment of the magnetic moments in the particles.
  • the magnetic moments are said to be aligned in the sense that they point generally in the same direction (same half-sphere) without necessarily being strictly parallel; on a macroscopic scale, this confers remanent/permanent magnetization.
  • a laser beam 14 then scans the surface of the printing bed which corresponds to a section of the part to be printed. 11 will allow the rapid melting and solidification of the thermoplastic polymer (forming the matrix and also called binder), which will have the effect of trapping the magnetic particles in their position.
  • the power of the laser, its wavelength as well as its scanning speed of the surface of the powder bed are adjusted in order to allow the printing of the part, depending in particular on the nature of the thermoplastic polymer powder, and the the thickness of the layer to be printed, and constitute data known to those skilled in the art.
  • Laser irradiation induces an increase in temperature of the powder mixture of a few degrees (or tens of degrees) necessary to melt the thermoplastic polymer powder to a thickness of around one hundred microns.
  • the conditions are controlled so that the temperature does not exceed 250°C under the laser beam.
  • FIG.4 shows two diagrams which illustrate the inventive principle.
  • the layer comprises a mixture of powders comprising magnetizable particles 1 and polymer particles 2, in the configuration as deposited and therefore before passing the laser.
  • Fig. 4b illustrates the configuration after the sintering step under magnetic field (arrow 3).
  • the laser provided the energy allowing partial fusion of the polymer whose particles stick to each other and to the magnetizable particles.
  • the polymer forms a continuous matrix.
  • the magnetic field causes an alignment/reorientation of the magnetic moments of the magnetizable particles. A realignment effect of magnetic moments is statistically significant on the macroscopic scale, which gives remanent magnetization.
  • the liquid phase is only partial.
  • the laser can be controlled so as to completely melt the thermoplastic polymer; we thus obtain a matrix without porosity.
  • the temperature affects the viscosity of the liquid phase, which can therefore be advantageously adjusted to allow the rotation of the particles under field.
  • the applied magnetic field can be modified by changing the position and/or orientation of the permanent magnet.
  • the printing bed is lowered by a distance defining the height of the new layer to be printed.
  • the scraper or roller provides the material necessary to fill this volume and the process continues by modifying the magnetic field if necessary and by again scanning the surface of the bed which corresponds to the new section of the part to be printed. These steps are repeated until the object is complete.
  • the magnetic object obtained can be a permanent magnet whose geometry does not vary over time, like object 30 in FIG. 2, which is a permanent magnet in the shape of a disk [or pin), capable of carrying its own weight [Fig. 2b), or the object can present a variable geometry depending on an external magnetic stimulus, like object 40 in Fig. 3, also capable of carrying its own weight [at least).
  • FIG. 3 shows a magnetic object 40 obtained using the present additive manufacturing process when the magnetic field generated is not homogeneous over the entire printed layer.
  • Field inhomogeneities can for example be generated by printing [laser irradiating) a region having a larger surface area than the surface of the magnet 26, ie when the irradiated zone extends beyond the zone directly vertically of the magnet [Fig. 3a).
  • Such an object 40 can for example have the shape of a parasol with a heart 42, a foot 44 and rays 46, but different morphologies are possible, and this example is not limiting of the structures that can be obtained with the present method. .
  • Fig. 3 shows a magnetic object 40 obtained using the present additive manufacturing process when the magnetic field generated is not homogeneous over the entire printed layer.
  • Field inhomogeneities can for example be generated by printing [laser irradiating) a region having a larger surface area than the surface of the magnet 26, ie when the irradiated zone extend
  • the ends of the spokes and the foot have the same magnetic polarity, while the core is of opposite polarity.
  • the heart can constitute a magnetic north pole while the ends of the foot and the spokes constitute magnetic south poles.
  • the rays extend transversely to the base of the object [Fig. 3c).
  • a magnetic source for example a permanent magnet
  • the ends of the rays will react to the generated magnetic field and be attracted [Fig. 3d) or pushed back [Fig. 3b) by the upper face of the permanent magnet.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication additive d'un objet magnétique dans lequel on dépose sur un plateau d'impression une couche d'un mélange de poudres comprenant au moins une poudre de polymère thermoplastique pour former une matrice et au moins une poudre de particules magnétisables; et on irradie sélectivement par laser au moins une région de la couche du mélange de poudre. Au moins une région de la couche déposée sur le plateau d'impression est soumise, au moins pendant la phase liquide de la poudre de polymère due à l'irradiation laser, à un champ magnétique. Le champ magnétique a une puissance suffisante pour orienter les moments magnétiques des particules magnétisables. Le plateau d'impression est réalisé en matériau magnétiquement inerte et le champ magnétique est généré par au moins un aimant combiné au plateau d'impression.

Description

Description
Titre de l’invention : Procédé de fabrication additive d’un objet magnétique
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne généralement le domaine de la fabrication additive d’objets magnétiques, en particulier par frittage laser sélectif [en anglais « Selective Laser Sintering » - SLS).
Etat de la technique
[0002] La fabrication additive ou impression 3D constitue un axe majeur de la R&D en France et dans le monde permettant de produire des pièces polymères ou métalliques tridimensionnelles à partir de poudres. L’impression 4D ou quadridimensionnelle est le processus par lequel un objet imprimé en trois dimensions [ou 3D) peut modifier lui-même sa structure et changer de forme avec l’impulsion d’une énergie extérieure comme la température, la lumière ou d’autres stimuli environnementaux, comme le champ magnétique. L’impression 4D peut se définir comme de l’impression 3D capable de se transformer au fil du temps. Ainsi, l’impression 4D offre la possibilité de fabriquer des objets ayant la capacité de modifier leur forme ou leurs propriétés au fil du temps sous l’action d’un stimulus externe.
[0003] En particulier, l'impression 4D d’objets répondant à un stimulus magnétique a été développée ces dernières années. Un matériau magnétique pouvant se déformer sous l'effet des forces magnétiques exercées par un champ magnétique généré par un aimant positionné à distance dudit matériau, il est possible de contrôler à distance le changement de forme de tels objets.
[0004] Dans la pratique, la fabrication d’objets aimantés n’est pas aisée, surtout pas avec les moyens conventionnels. Par exemple, la fabrication d’aimants par la technique du dépôt de fil [FDM] requiert la fabrication préalable d’un fil extrudé chargé en particules magnétiques.
[0005] Par ailleurs, concernant les objets 4D, un procédé de fabrication d’un matériau composite répondant à un stimulus magnétique est par exemple décrit dans « Selective Laser Sintering-Based 4D Printing of MagnetismResponsive Grippers », par Hongzhi Wu, Ouyangxu Wang, Yujia Tian, Mingzhe Wang, Bin Su, Chunze Yan, Kun Zhou, and Yusheng Shi, publié dans ACS AppL Mater. Interfaces 2021, 13, 12679-1268. Un mélange de poudres comprenant une poudre de polyuréthane et une poudre d’un alliage Néodyme-Fer-Bore est mis en forme par frittage laser sélectif, afin d’obtenir un objet non magnétique qui est ensuite soumis, lors d’une étape de post-aimantation, à un champ magnétique intense généré par un électro-aimant parcouru par une tension électrique de 1 900 V. L’application du champ magnétique intense permet d’orienter l’ensemble des particules métalliques, et donc leur moment magnétique, selon une direction commune, de sorte que l’objet devienne magnétique et soit capable de répondre à un stimulus magnétique externe. [0006] La nécessité d’effectuer une étape de post-aimantation est compliquée à mettre en œuvre, en particulier car tous les fabricants d’objets par impression 4D ne disposent pas de moyens permettant la génération d’un champs magnétique intense nécessaire à la création de l’aimantation de l’objet obtenu. De plus, une telle étape de post-aimantation oriente l’ensemble des moments magnétiques des particules métalliques suivant une direction commune, ce qui limite les changements de forme possibles des objets imprimés 4D.
[0007] L’objectif de la présente invention est de proposer un procédé alternatif de fabrication additive d’un objet magnétique facile à mettre en œuvre sur des installations de fabrications standard et permettant de s’affranchir de l’étape de post aimantation.
Description générale de l’invention
[0008]Avec cet objectif en tête, la présente invention concerne un procédé de fabrication additive d’un objet magnétique comprenant les étapes suivantes : déposer sur un plateau d’impression une couche d’un mélange de poudres comprenant au moins une poudre de polymère thermoplastique pour former une matrice et au moins une poudre de particules magnétisables ; irradier sélectivement par laser au moins une région de la couche du mélange de poudre. [0009] On appréciera qu’au moins une région de la couche déposée sur le plateau d’impression [c’est-à-dire la couche en cours de fabrication) est soumise, au moins pendant la phase liquide de la poudre de polymère due à l’irradiation laser, à un champ magnétique. Le champ magnétique a une puissance suffisante pour orienter les moments magnétiques des particules magnétisables.
[0010] Le plateau d’impression est réalisé en matériau magnétiquement inerte et le champ magnétique est généré par au moins un aimant combiné au plateau d’impression.
[0011]Le présent procédé permet la fabrication d’objets magnétiques 3D et 4D à l’aide d’imprimantes traditionnelles de SLS. Conventionnellement, l’objet magnétique est fabriqué couche après couche, par irradiation sélective de chaque couche au moyen du laser, selon un modèle 3D numérique [correspondant à l’objet divisé en tranches). On notera que bien que le polymère thermoplastique de la poudre de polymère se trouve en phase liquide lors de l’irradiation laser de la couche déposée sur le plateau et en cours de fabrication, le présent procédé est un procédé de frittage laser sélectif et non pas un procédé de fusion, car les particules magnétisables restent à l’état solide, i.e. le mélange de poudre ne passe jamais complètement en phase liquide. Dans le procédé, le rayonnement laser va réchauffer la couche en cours de fabrication de sorte à faire fondre au moins partiellement le polymère, afin de coller/agglomérer les particules. Le polymère forme donc une matrice. Cela est obtenu par une fusion au moins partielle des grains de poudre polymère. Dans le présent texte, le terme « phase liquide » de la poudre polymère désigne donc une fusion partielle ou complète des grains de polymère.
[0012] On notera que dans un tel procédé, réchauffement de la couche dépend de l’énergie délivrée localement par le laser, qui peut se déplacer relativement rapidement [par ex. de l’ordre de 2 m/s). Ainsi, le polymère se trouve à l’état liquide pendant une courte période ; on peut donc considérer qu’à un instant donné seules les particules de polymère se trouvant dans la zone irradiée par le laser sont en phase liquide.
[0013] Le mélange de poudres de polymère et de particules magnétisables est soumis, pendant l’irradiation, à un champ magnétique, qui permet l’orientation [selon une direction prédéterminée définie par le champ magnétique) des moments magnétiques des particules magnétisables pendant la fabrication de la couche. Cela permet la fabrication d’un objet magnétique avec une aimantation permanente donné, obtenu dès la fin de l’impression, sans nécessité d’appliquer un posttraitement dans un champ magnétique (contrairement au procédé décrit par Hongzhi Wu étal.').
[0014] En d’autres termes, le présent procédé de fabrication additive permet de fabriquer un aimant permanent par l’orientation des moments magnétiques des particules magnétisables. L’orientation dans une direction prédéterminée des moments magnétiques est imposée par le champ magnétique appliqué, notamment en utilisant un champ d’une intensité suffisante. Ainsi, on emploie un champ magnétique d’une puissance suffisante pour imposer une direction d’orientation des moments magnétiques des particules magnétisables, lesquelles vont avantageusement conserver leur orientation après arrêt du champ magnétique. Grâce à cet alignement/réorientation des moments magnétiques, l’objet magnétique obtenu possède ainsi une forte aimantation permanente et présente un comportement de type aimant permanent. Le présent procédé permet donc avantageusement la fabrication d’un aimant permanent, dont l’aimantation est induite dès les étapes du procédé de fabrication, sans nécessiter de postaimantation. Des premiers essais ont permis de fabriquer des objets magnétiques à aimantation permanente d’au moins 30 ou 60 mT à leur surface.
[0015]0n notera que l’orientation des moments magnétiques se fait avantageusement par application du champ magnétique, phénomène magnétique à l’échelle des particules, sans requérir la mobilité/rotation des particules.
[0016] On remarquera encore que le principe de l’invention repose sur une orientation statistiquement significative des moments magnétiques des particules de poudre magnétisable. L’orientation des moments magnétiques est favorisée par le fait que le champ magnétique est appliqué pendant la phase liquide du polymère, l’augmentation de température locale dans la couche en cours de formation faisant baisser le moment magnétique. En pratique, on peut calibrer l’étape de frittage de sorte que la température soit, par exemple, entre 100 et 230°C sous le faisceau laser. [0017] En pratique, le champ magnétique peut être généré de manière permanente pendant la mise en œuvre du présent procédé. Ce sera typiquement le cas si l’on emploie un/des aimants permanents ; un/des électroaimants permettent le cas échéant de couper le champ pendant les phases de dépôt du mélange de poudres.
[0018] Le plateau étant réalisé en matériau magnétiquement inerte, cela permet avantageusement d’éviter des interférences magnétiques entre le plateau d’impression et la couche du mélange de poudres à imprimer. Avantageusement, cela permet de déposer des couches régulières et homogènes du mélange de poudres, et ainsi d’éviter la formation de hérissons ou autres amas de particules magnétiques.
[0019] On notera en particulier que l’aimant est combiné au plateau d’impression, et se trouve donc à proximité de l’objet en cours de fabrication et notamment de la couche en cours de fabrication. Le procédé selon l’invention peut donc être mis en œuvre avec un équipement traditionnel et nécessite simplement une adaptation du plateau d’impression.
[0020] En particulier l’aimant est combiné ou associé au plateau d’impression, de sorte à ce que l’aimant soit à une distance prédéfinie de la surface du plateau d’impression supportant les poudres / la pièce en cours de fabrication. En particulier, le/les aimants sont combinés au plateau de sorte qu’ils puissent se déplacer avec celui-ci. Cette proximité permet notamment de travailler avec des aimants de plus faible puissance.
[0021] En pratique, on peut employer un ou plusieurs aimants en tant que source de champ magnétique. Les aimants peuvent avoir des propriété identiques ou différentes [dimensions, intensité du champ magnétique). L’aimant, respectivement les aimants, est/sont de type aimant permanent ou électroaimant. En cas de plusieurs aimants, on peut combiner aimants permanents et électro-aimants. De manière générale, l’homme du métier choisira le nombre d’aimants et leurs caractéristiques en fonction du ou des champs magnétiques désirés.
[0022] Selon la position et les propriétés des aimants par rapport au plateau d’impression, différentes régions du plateau peuvent être soumises à des champs magnétiques différents. Ainsi, selon les besoins et l’intégration des aimants, on peut fabriquer des objets dont toutes les parties sont soumises à un même champ magnétique, donc uniforme, ou dont au moins deux parties sont soumises à des champs magnétiques différents en intensité et/ou orientation. [0023] Selon les mêmes ou d’autres modes de réalisation, il est également possible de fabriquer des objets dont toutes les parties sont soumises à un même champ magnétique lorsque les régions de la couche du mélange de poudre irradiées par le laser sont situées à la verticale de l’aimant, de sorte à être soumises à un champ magnétique uniforme. Alternativement, il est possible de fabriquer des objets dont au moins deux parties sont soumises à des champs magnétiques différents en intensité et/ou orientation lorsque l’irradiation sélective par laser se fait pour au moins deux régions de la couche du mélange de poudre soumises à un champ magnétique différent, en particulier lorsque l’on irradie au moins une région de la couche du mélange de poudre qui est située à la verticale de l’aimant et au moins une région de la couche du mélange de poudre qui n’est pas située à la verticale de l’aimant, et donc soumise à un champ magnétique différent.
[0024] Par 'verticale de l’aimant’ on entend ici des poudres qui sont placées, vues en projection verticale dans le plan de la face supérieure de l’aimant, à l’intérieur du bord périphérique délimitant la face supérieure de l’aimant. A contrario, les poudres qui ne sont pas à la verticale de l’aimant sont à l’extérieur de ce bord périphérique. [0025] Selon des modes de réalisation, le ou les aimants sont intégrés au plateau d’impression, en ce sens qu’ils sont positionnés sur, dans, ou sous le plateau d’impression, de sorte à générer un ou des champs magnétiques dans la chambre d’impression [au-dessus de la surface supérieure du plateau d’impression). Les aimants sont donc ici typiquement à la verticale du plateau. De manière générale, l’aimant est positionné de sorte que sa surface supérieure est à proximité de, ou affleure avec, la surface du plateau.
[0026] Selon des variantes, au moins un aimant [en particulier permanent) est intégré au plateau, en particulier logé dans le plateau, et génère un champ magnétique au-dessus de la surface du plateau. L’aimant peut être placé dans une cavité et immobilisé au moyen d’une résine. Cela permet de fixer en place l’aimant ; le comblement de la cavité par une résine permet d’éviter les contaminations. On pourra employer tout matériau approprié pour immobiliser l’aimant et/ou combler la cavité, n’ayant pas d’incidence sur les champs magnétiques. 11 est possible de former une fine couche de résine à la surface de l’aimant, par exemple de l’ordre de 0,2 mm à 1 mm. [0027] Selon des variantes, au moins un aimant peut être posé sur la surface du plateau. Dans ce cas, l’au moins un aimant peut être entouré d’un matériau magnétiquement inerte, comme par exemple mais sans s’y limiter, la poudre de polymère thermoplastique du mélange de poudres, afin de réaliser une surface de travail plane/parallèle à la surface du plateau, la couche du mélange de poudre étant déposée sur cette surface de travail.
[0028]Le/les aimant(s) peuvent être fixes ou mobiles. L’utilisation de systèmes de fixation des aimants permettant une certaine mobilité permet de changer la configuration magnétique du plateau d’impression selon les besoins entre deux pièces différentes à fabriquer, voire en cours de fabrication selon la complexité de l’objet.
[0029] Selon des modes de réalisation, le champ magnétique généré par l’au moins un aimant combiné au plateau d’impression a une intensité comprise entre 250 et 750 mT, en particulier de 300 à 600 mT, de préférence de 300 à 500 mT. Une telle intensité de champ magnétique peut être atteinte par des aimants du commerce économiquement abordables. L’intensité de champ magnétique indiquée est préférablement celle qui doit régner dans la ou les couches de poudre en cours de fabrication, respectivement dans la couche qui est irradiée sélectivement par le laser. L’intensité du champ magnétique est choisie pour contrôler l’orientation des moments magnétiques des particules magnétisables.
[0030] Dans des variantes, on peut employer en complément des aimants positionnés latéralement, c’est-à-dire au-delà du bord périphérique du plateau. Cela permet, conjointement avec le/les aimants intégrés au plateau, d’avoir un champ magnétiquement résultant plus complexe.
[0031] Selon certains modes de réalisation, on contrôle [via le laser) la température de la phase liquide de sorte à ce que la viscosité de la phase liquide de polymère permette en outre une réorientation, respectivement rotation, des particules magnétisables.
[0032] Dans le présent texte, l’expression « particule magnétisable » désigne toute particule présentant des propriétés magnétiques, i.e. présentant intrinsèquement un moment magnétique non nul ce qui lui permet d’être orientée par l’application d’un champ magnétique extérieur. En particulier, une particule magnétisable peut présenter des propriétés ferrimagnétiques ou ferromagnétiques, et notamment les particules magnétisables peuvent être en matériau ferromagnétique dur.
[0033] On notera que dans le cadre de l’invention les « particule magnétisable » sont des particules qui portent un moment magnétique [donc des particules magnétiques). Mais elles sont nommées « particules magnétisables » car à l’état de poudre elles portent un moment magnétique faible, et ne se comportent pas comme un aimant pour un observateur. En revanche, une fois l’objet magnétique fabriqué selon le présent procédé, l’ensemble des particules magnétisables, dont les moments ont été orientés, produit une aimantation telle que l’objet présente un comportement observable d’aimant permanent.
[0034] De préférence, la quantité et nature des particules magnétisables sont choisies de sorte que l’objet magnétique obtenu forme un aimant permanent présentant une aimantation telle qu’elle permet à l’objet magnétique de supporter au moins son propre poids lorsqu’il adhère à une plaque en acier verticale.
[0035] Selon certains modes de réalisation, les particules magnétisables sont ferromagnétiques et ont une température de Curie supérieure à la température de fusion de la poudre de polymère thermoplastique. De préférence, les particules magnétisables sont entièrement constituées d’un matériau ferromagnétique et ne comprennent pas de matériau non magnétique, en particulier pas de matériau qui n’est pas ferromagnétique.
[0036] Avantageusement, les particules magnétisables comprennent, respectivement sont constituées, des particules d’alliage ferromagnétique, en particulier des particules de FesCU, NdFeB, SmCo et/ou AINiCo.
[0037] Selon les mêmes ou d’autres modes de réalisation, le polymère thermoplastique comprend de l’acide polylactique (PLA), du polyamide, du polypropylène et/ou du polyuréthane.
[0038] Les particules magnétisables peuvent être sphériques ou non-sphériques, dépendant du procédé de formation des poudres. Les formes sphériques ou arrondies facilitent le déplacement/orientation des particules dans la couche en formation. Les particules magnétisables ont par exemple une dimension comprise entre 30 et 250 pm, de préférence entre 50 et 200 pm, de manière plus préférée entre 80 et 150 pm. Lorsque les particules sont sphériques, cette dimension correspond au diamètre des particules magnétisables. Sinon, il s’agit de la plus grande dimension.
[0039] Dans le présent texte, une particule est sphérique si elle présente des dimensions sensiblement identiques dans toutes les directions, par exemple si une différence relative entre deux de ses dimensions, déterminées selon deux directions distinctes, est inférieure à 15%, de préférence inférieure à 10%, en particulier inférieure à 5%.
[0040] De préférence, les particules magnétisables peuvent avoir une forme sphérique, arrondie ou de patatoïde, les particules magnétisables étant caractérisées par un rapport d’aspect L/D < 2, où L est la plus grande dimension et D est la plus petite dimension.
[0041] Les dimensions des poudres polymères sont dans les mêmes gammes, et de préférences on utilise dans un même procédé des poudres de polymère et des poudres de particules magnétisables de tailles comparables.
[0042]Avantageusement, les particules magnétisables représentent moins de 50% en volume du mélange de poudres, de préférence moins de 30% en volume, de manière plus préférée moins de 25%, 20 ou 15 % en volume, afin d’obtenir un objet présentant les propriétés mécaniques désirées [par exemple fragilité, flexibilité...).
[0043] Selon certains modes de réalisation, les particules magnétisables représentent au moins 5 ou 10% en volume du mélange de poudres.
[0044] On pourra noter que les particules de polymère thermoplastique présentent une densité typiquement 8 à 10 fois inférieure à celle des particules magnétisables, de sorte qu’une teneur volumique d’environ 10% en particules magnétisables correspond à une teneur massique d’environ 50%.
[0045] Au sens de la présente invention, le mélange de poudres comprend toujours des particules magnétisables, c’est-à-dire une concentration non nulle. Avantageusement, la teneur en particules magnétisables dans le mélange de poudres est suffisante pour que l’objet magnétique obtenu par le présent procédé de fabrication additive présente un moment magnétique qui lui permet d’adhérer magnétiquement à une surface verticale (plaque d’acier) sans tomber/glisser, c’est- à-dire de supporter son propre poids. 11 s’agit d’une attraction magnétique minimum, qui peut être augmentée en augmentant la teneur en particules magnétisables.
[0046] Selon certains modes de réalisation, une couche tampon magnétiquement inerte est déposée initialement sur le plateau d’impression. Avantageusement, une telle couche tampon permet de déposer ensuite des couches régulières et homogènes du mélange de poudres, et ainsi d’éviter la formation de hérissons ou autres amas de particules magnétiques.
[0047] La présente invention concerne également un objet magnétique, en particulier un aimant permanent, obtenu par un procédé selon l’invention tel que décrit ci-dessus.
[0048] Selon un autre aspect, l’invention concerne un système de fabrication additive d’un objet magnétique comprenant : un plateau d’impression ; des moyens pour déposer sur le plateau d’impression une couche d’un mélange de poudres comprenant au moins une poudre de polymère thermoplastique pour former une matrice et au moins une poudre de particules magnétisables ; un laser apte à irradier sélectivement au moins une région de la couche du mélange de poudre ; dans lequel le plateau d’impression est réalisé en matériau magnétiquement inerte et au moins un aimant est combiné au plateau d’impression de sorte à pouvoir générer un champ magnétique dans au moins une région de la couche déposée sur le plateau d’impression ; et dans lequel le champ magnétique a une puissance suffisante pour orienter les moments magnétiques des particules magnétisables. [0049] L’aimant peut être logé dans, sous, ou sur le plateau d’impression, de manière fixe ou mobile.
[0050] Ledit au moins un aimant peut être un aimant permanent ou un électroaimant.
[0051] Selon certains modes de réalisation, en particulier lorsque l’on contrôle [via le laser] la température de la phase liquide de sorte à ce que la viscosité de la phase liquide de polymère permette en outre une réorientation, respectivement rotation. Le champ magnétique peut ainsi avoir une puissance suffisante pour orienter les particules magnétisables.
Brève description des figures
[0052] D’autres particularités et caractéristiques de l’invention ressortiront de la description détaillée d'au moins un mode de réalisation avantageux présenté ci- dessous, à titre d’illustration, en se référant aux dessins annexés. Ceux-ci montrent :
[Fig. 1] un schéma d’une installation de fabrication additive d’un objet magnétique ;
[Fig. 2] une vue de dessus de l’installation de la Fig. 1 lors de l’impression d’un objet magnétique dans un champ magnétique uniforme [a] et une photographie de l’objet imprimé [b] ;
[Fig. 3] une vue de dessus de l’installation de la Fig. 1 lors de l’impression d’un objet magnétique dans un champ magnétique non uniforme [a] et des schémas de l’objet magnétique imprimé en présence [b, d) ou en l’absence [c] d’un champ magnétique externe ;
| [Fig. 4] des schémas de principe d’une région de la couche en cours de formation [a] avant l’étape de frittage et [b] après l’étape de frittage..
Description détaillée à l'aide d'exemples
[0053] La figure 1 représente une installation [un système) de fabrication additive 10 adaptée à la mise en œuvre d’un mode de réalisation du présent procédé de fabrication additive d'un objet magnétique, ici indiqué 40. Celle-ci comprend au moins un bac d’alimentation de poudres 18 dont le fond est mobile et déplaçable en translation [verticalement] et contenant un mélange de poudres [non représenté] comprenant une poudre polymère thermoplastique et une poudre de particules magnétisables.
[0054] L’installation 10 comprend également un compartiment définissant un volume [ou chambre) d’impression 20, voisin du bac d’alimentation de poudre 18, dont le fond est constitué par un plateau d’impression 22, ou plateau de construction, mobile et également déplaçable en translation verticale. Le plateau d’impression 22 est généralement fait en un matériau amagnétique, comme par exemple de la résine époxy.
[0055]Un aimant 26 est combiné au plateau d’impression 22 mobile, générant un champ magnétique à l’intérieur du volume d’impression 20. Selon l’exemple de la Fig. 1, l’aimant 26 est un aimant permanent, par exemple un aimant néodyme présentant un champ magnétique d’une intensité d’environ 300 mT à sa surface, intégré au plateau 22 de sorte qu’une surface supérieure 26.1 de l’aimant affleure avec la surface du plateau 22.1 sur laquelle les poudres sont déposées.
[0056] En particulier, selon la variante représentée à la Fig. 1, le plateau d’impression 22 mobile présente une cavité dans laquelle l’aimant est logé. La cavité est dimensionnée de sorte que la surface supérieure 26.1 de l’aimant affleure avec la surface 22.1 du plateau mobile d’impression. L’aimant peut être immobilisé dans la cavité à l’aide d’une résine, par exemple une résine époxy ou tout autre matériau ne présentant pas de propriétés magnétiques susceptibles d’interférer avec l’aimant et/ou les particules magnétisables, qui va combler les interstices entre l’aimant et les parois de la cavité creusée dans le plateau d’impression.
[0057] 11 est à noter que l’installation de la figure 1 comprend un seul aimant afin de générer le champ magnétique, mais qu’il s’agit ici d’un exemple non limitatif de la portée de l’invention. En effet, plusieurs aimants peuvent être employés et positionnés au niveau du plateau de construction mobile pour générer le champ magnétique désiré, notamment afin de moduler l’intensité et la géométrie du champ. L’aimant peut également être associé à des conducteurs de champ magnétique [non représentés) et de dispositifs pouvant le mouvoir [non représentés) afin de modifier l’intensité et la direction du champ perçu par l’objet magnétique au cours de son impression, i.e. de modifier l’intensité et la direction du champ magnétique entre l’impression de deux couches successives ou deux objets à fabriquer. [0058] Les figures 2a et 3a présentent chacune une vue de dessus du volume d’impression lors de la fabrication d’un objet magnétique. Selon une première variante [Fig. 2a) la zone imprimée est intégralement disposée au-dessus de l’aimant 26, et se trouve dans un champ magnétique uniforme. Une coupe transversale, selon un plan parallèle au plateau de construction, de l’objet magnétique 30 obtenu présente une aimantation uniforme. Selon une deuxième variante [Fig. 3a) la zone imprimée couvre une surface plus importante que la surface de l’aimant 26. Le champ magnétique généré par l’aimant n’est pas uniforme dans la zone d’impression et une coupe transversale, selon un plan parallèle au plateau de construction, de l’objet magnétique 40 obtenu présente un gradient de champ magnétique.
[0059] L'installation 10 de fabrication d’un objet magnétique comporte en outre des moyens [non représentés) permettant d'amener de la poudre du bac d’alimentation de poudre 18 vers le volume de fabrication 20, par exemple un racleur se déplaçant le long d’un plan horizontal, et des moyens de génération 12 d’un faisceau laser 14, couplés à un dispositif 16, par ex. à miroir[s), permettant d'orienter et de déplacer le faisceau laser 14.
[0060] Le dispositif 16 d’orientation et de déplacement peut notamment être un miroir déflecteur orientable. Le dispositif 16 est commandé par un système de traitement de l'information [non représenté), typiquement un dispositif à microprocesseur, par exemple un PC, configuré pour mettre en œuvre le présent procédé et dans lequel on a enregistré un modèle avec les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives de la pièce à réaliser. Par exemple, les fichiers du logiciel de découpe, comprenant les coupes/couches correspondant à l’objet à imprimer, peuvent être traduits en G-code par le logiciel slic3r avant d’être chargés dans le PC, qui va traduire le G-code en trajet pour le laser. Les paramètres clés sont alors déterminés sur base du G-code : vitesse de déplacement, puissance, hauteur des couches, temps entre l’impression de couches successives...
[0061] Le tableau 1 donne, à titre d’exemple, des caractéristiques d’impression utilisées dans des premiers tests réalisés sur l’invention. Un laser CO2 de puissance nominale 14 W a été utilisé, ayant une longueur d’onde d’environ 10 pm. Le procédé a pu être mis en œuvre en opérant à une fraction de la puissance du laser.
[0062] [Tableau 1]
Figure imgf000016_0001
[0063] Le présent procédé de fabrication suit les étapes générales des procédés de fabrication additive par frittage laser sélectif de poudres. Dans une première étape, un mélange de poudres comprenant au moins une poudre de polymère thermoplastique pour former une matrice et au moins une poudre de particules magnétisables est introduit dans le bac d’alimentation 18. En particulier, la poudre de polymère est une poudre de polymère thermoplastique, élastomère ou non, imprimable par frittage laser sélectif. 11 s’agit par exemple de l’acide polylactique [PLA], du polyamide 11 [Nylon 11, ou PAU], du polyamide 12 [PA12], du polypropylène [PP], et/ou du polyuréthane thermoplastique.
[0064] Les particules magnétisables peuvent être de tout type de matériau possédant des propriétés magnétiques, par exemple un alliage d’un matériau ferromagnétique (NdFeB, SmCo, AlNiCo) et ainsi permettre l’impression d’objets présentant un champ magnétique intrinsèque (aimantation permanente), même en l’absence de champ extérieur, ou alors être un mélange de poudres présentant des propriétés magnétiques différentes (par exemple ferrimagnétiques, ferromagnétiques et/ou paramagnétiques), ou être faite d’un matériau présentant à la fois des propriétés ferromagnétiques, ferrimagnétiques et/ou paramagnétiques. [0065] La poudre de particules magnétisables, ou poudre de matériau magnétique, doit posséder une température de Curie (dans le cas où les particules magnétisables possèdent des propriétés ferromagnétiques) supérieure à la température de fusion de la matrice (i.e. de la poudre de polymère thermoplastique).
[0066]. Les particules magnétisables ont des dimensions (granulométrie) de l’ordre de celle des particules de la poudre de polymère thermoplastique, typiquement inférieure à 250 pm, et les particules magnétisables peuvent avoir une forme sphérique ou non-sphérique.
[0067] La proportion de charges magnétiques (particules magnétisables) est typiquement inférieure à 30% en volume pour garder des propriétés mécaniques acceptables, de préférence inférieure à 25% en volume. En effet, la composition du mélange de poudres (poudre de polymère thermoplastique et poudre de particules magnétisables) donne le comportement mécanique global de l’objet (ou pièce composite) magnétique fabriqué, et doit être adaptée afin de garantir une cohérence entre la matrice polymère et les particules magnétisables. Si la proportion de charges magnétiques est trop importante par rapportau polymère thermoplastique, l’objet résultant sera mal fritté et fragile. La proportion volumique minimale de particules magnétisables est 5 ou 10%.
[0068] La proportion entre particules magnétisables et polymère thermoplastique peut être ajustée en fonction du type de particules magnétisables et de leur granulométrie, ainsi que des propriétés magnétiques et mécaniques souhaitées. 11 est ainsi possible d’imprimer des pièces composites magnétiques flexibles ou mobiles en contrôlant la quantité de poudre magnétisable par rapport à la quantité de poudre de polymère. [0069] Préférablement, la proportion et la nature des particules magnétiques est choisie pour que l’objet fabriqué se comporte comme un aimant permanent supportant son propre poids.
[0070] Le volume d’impression 20 est classiquement chauffé [par des moyens de chauffage non montrés) et peut être inerté par un gaz. Les conditions opératoires sont déterminées notamment par les propriétés de la poudre polymère thermoplastique, en particulier le volume d’impression peut être chauffé entre 60°C et 200°C et l’inertage est possible par un balayage de gaz [azote et/ou argon) afin de réduire la présence d’oxygène.
[0071] Selon des variantes, une couche tampon magnétiquement inerte 24 est formée ou déposée sur le plateau d’impression 22 avant la construction de l’objet magnétique. Par exemple, la couche tampon 24 peut être composée de poudre de polymère thermoplastique identique au polymère présent dans le mélange de poudres, ou une poudre de polymère différente. Cette couche tampon, optionnelle, recouvre entièrement la surface de travail du plateau d’impression et permet de créer un espace par rapport à la surface du plateau et un éloignement de l’aimant pour éviter la formation de hérissons ou autres amas de particules magnétiques. L’utilité d’une telle couche dépend de la configuration du champ magnétique, et de la manière dont l’aimant est intégré au plateau. La couche tampon n’est normalement pas frittée ni liée à l’objet à fabriquer, qui est formé sur cette couche tampon. La couche tampon constitue typiquement un lit de poudre qui favorise la formation, par-dessus, d’une couche régulière et homogène.
[0072]Une fois la couche tampon en place, la formation de l’objet magnétique est démarrée, en apportant [à l’aide d’un racleur ou un rouleau - non représenté) le mélange de poudres depuis le bac d’alimentation 18 jusqu’au volume d’impression 20 pour former la première couche. Une partie des particules magnétisables, du fait qu’elles présentent chacune un moment magnétique non nul, vont s’aligner localement avec le champ généré par l’aimant 26 combiné au plateau de construction 22. L’ensemble de ces particules forme une copie de l’orientation du champ en chaque point de la zone d’impression.
[0073] On notera que l’intensité/puissance du champ magnétique appliqué est telle qu’il permet de forcer l’orientation des moments magnétiques à l’échelle des particules, de sorte que les moments magnétiques se voient réorientés par le champ appliqué et conservent cette orientation après son arrêt. Pour les particules (peu mobiles dans le mélange de poudres), l’application du champ magnétique impose une direction d’aimantation, qui provoque un alignement des moments magnétiques dans les particules. En pratique, les moments magnétiques sont dits alignés en ce sens qu’ils pointent globalement dans la même direction (même demi- sphère) sans être nécessairement strictement parallèles ; à l’échelle macroscopique, cela confère une aimantation rémanente/permanente.
[0074]Un faisceau laser 14 balaye alors la surface du lit d’impression qui correspond à une coupe de la pièce à imprimer. 11 va permettre la fusion et la solidification rapide du polymère thermoplastique (formant la matrice et également appelé liant), ce qui aura pour effet de piéger les particules magnétiques dans leur position. La puissance du laser, sa longueur d’onde ainsi que sa vitesse de balayage de la surface du lit de poudre sont ajustées afin de permettre l’impression de la pièce, en fonction notamment de la nature de la poudre polymère thermoplastique, et de l’épaisseur de la couche à imprimer, et constituent des données connues par l’homme de métier. L’irradiation laser induit une augmentation de température du mélange de poudres de quelques degrés (ou dizaines de degrés) nécessaires pour faire fondre la poudre de polymère thermoplastique sur une centaine de microns d'épaisseur. 11 y a alors un collage/fusion partielle qui s’opère avec la couche inférieure pour garantir la bonne adhésion entre les couches. Avantageusement, lors de l’étape de frittage (i.e. irradiation par le laser) les conditions sont contrôlées pour que la température ne dépassera pas 250°C sous le faisceau laser.
[0075]La fig.4 montre deux schémas qui illustrent le principe inventif. Dans la Fig.4a), la couche comprend un mélange de poudres comprenant des particules magnétisables 1 et des particules de polymère 2, dans la configuration telle que déposée et donc avant passage du laser. La fig. 4b) illustre la configuration après l’étape de frittage sous champ magnétique (flèche 3). Le laser a apporté l’énergie permettant une fusion partielle du polymère dont les particules se collent les unes aux autres et aux particules magnétisables. Le polymère forme une matrice continue. Le champ magnétique entraine un alignement/réorientation des moments magnétiques des particules magnétisables. Un effet de réalignement des moments magnétiques est statistiquement significatif à l’échelle macroscopique, ce qui donne une aimantation rémanente.
[0076] On notera que sur la Fig.4b) la phase liquide n’est que partielle. Dans d’autres variantes on peut contrôler le laser de sorte à fondre entièrement le polymère thermoplastique ; on obtient ainsi une matrice sans porosité. La température affecte la viscosité de la phase liquide, qui peut donc être avantageusement ajustée pour permettre la rotation des particules sous champ.
[0077] Selon des variantes, pendant l’impression de cette couche le champ magnétique appliqué peut être modifié en changeant la position et/ou l’orientation de l’aimant permanent.
[0078]Après la formation de la première couche, le lit d’impression est abaissé d’une distance définissant la hauteur de la nouvelle couche à imprimer. Le racleur ou le rouleau apporte la matière nécessaire pour remplir ce volume et le processus continue en modifiant si besoin le champ magnétique et en balayant de nouveau la surface du lit qui correspond à la nouvelle section de la pièce à imprimer. Ces étapes sont répétées jusqu’à la complétion de l’objet.
[0079] L’objet magnétique obtenu peut être un aimant permanent dont la géométrie ne varie pas dans le temps, comme l’objet 30 de la Fig. 2, qui est un aimant permanent en forme de disque [ou pion), capable de porter son propre poids [Fig. 2b), ou alors l’objet peut présenter une géométrie variable dépendant d’un stimulus magnétique externe, comme l’objet 40 de la Fig. 3, également capable de porter son propre poids [au moins).
[0080] La Fig. 3 montre un objet magnétique 40 obtenu à l’aide du présent procédé de fabrication additive lorsque le champ magnétique généré n’est pas homogène sur la totalité de la couche imprimée. Les inhomogénéités de champs peuvent par exemple être générées en imprimant [irradiant au laser) une région ayant une surface plus importante que la surface de l’aimant 26, i.e. lorsque la zone irradiée s’étend au-delà de la zone directement à la verticale de l’aimant [Fig. 3a). Un tel objet 40 peut par exemple avoir la forme d’un parasol avec un cœur 42, un pied 44 et des rayons 46, mais différentes morphologies sont envisageables, et cet exemple n’est pas limitatif des structures pouvant être obtenues avec le présent procédé. [0081] Selon l’exemple de la Fig. 3, les extrémités des rayons et du pied possèdent la même polarité magnétique, tandis que le cœur est de polarité opposée. Par exemple, le cœur peut constituer un pôle nord magnétique tandis que les extrémités du pied et des rayons constituent des pôles sud magnétiques. En l’absence de champ magnétique externe, les rayons s’étendent transversalement au pied de l’objet [Fig. 3c). Lorsque l’objet est approché d’une source magnétique, par exemple un aimant permanent, les extrémités des rayons vont réagir au champ magnétique généré et être attirées [Fig. 3d) ou repoussées [Fig. 3b) par la face supérieure de l’aimant permanent.
[0082]Ainsi, si le champ magnétique appliqué est homogène dans une même couche, respectivement sur tout le volume de l’objet, alors les moments magnétiques sont alignés dans l’ensemble du volume. A contrario, si certaines régions de la couche en formation subissent des champs différents, alors l’orientation des moments magnétiques des particules se fait selon le champ local régnant dans chaque région.

Claims

Revendications Procédé de fabrication additive d’un objet magnétique comprenant les étapes suivantes : déposer sur un plateau d’impression une couche d’un mélange de poudres comprenant au moins une poudre de polymère thermoplastique pour former une matrice et au moins une poudre de particules magnétisables ; irradier sélectivement par laser au moins une région de la couche du mélange de poudre ; dans lequel au moins une région de la couche déposée sur le plateau d’impression est soumise, au moins pendant la phase liquide de la poudre de polymère due à l’irradiation laser, à un champ magnétique ; dans lequel le champ magnétique a une puissance suffisante pour orienter les moments magnétiques des particules magnétisables ; dans lequel le plateau d’impression est réalisé en matériau magnétiquement inerte et le champ magnétique est généré par au moins un aimant combiné au plateau d’impression. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’aimant est intégré au plateau d’impression, de manière fixe ou mobile. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit au moins un aimant est un aimant permanent ou un électro-aimant. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit au moins un aimant génère un champ magnétique d’intensité comprise entre 250 et 750 mT, en particulier de 300 à 600 mT, de préférence de 300 à 500 mT. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les régions de la couche du mélange de poudre irradiées par le laser sont placées à la verticale de l’aimant, de sorte à être soumises à un champ magnétique uniforme. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’irradiation sélective par laser se fait pour au moins deux régions de la couche du mélange de poudre soumises à un champ magnétique différent. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on irradie au moins une région de la couche du mélange de poudre qui est située à la verticale de l’aimant et au moins une région de la couche du mélange de poudre qui n’est pas située à la verticale de l’aimant, et donc soumise à un champ magnétique différent. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on dépose initialement sur le plateau une couche tampon magnétiquement inerte. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les particules magnétisables présentent un rapport d’aspect inférieur à 2, en particulier sont sphériques ou arrondies. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les particules magnétisables ont une dimension comprise entre 30 et 250 pm, de préférence entre 50 et 200 pm, de manière plus préférée entre 80 et 150 pm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les particules magnétisables représentent moins de 50% en volume du mélange de poudres, de préférence moins de 30% en volume, de manière plus préférée moins de 25% ou 20 % en volume. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les particules magnétisables représentent au moins 5 ou 10% en volume du mélange de poudres. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les particules magnétisables sont ferromagnétiques et ont une température de Curie supérieure à la température de fusion de la poudre de polymère thermoplastique. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le polymère thermoplastique comprend de l’acide polylactique (PLA), du polyamide, du polypropylène et/ou du polyuréthane. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les particules magnétisables comprennent des particules d’alliage ferromagnétique, en particulier des particules de Fe3O4, NdFeB, SmCo et/ou AINiCo. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la température de la phase liquide est contrôlée pour atteindre une viscosité permettant l’orientation des particules sous le champ magnétique. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’objet magnétique est un aimant permanent présente une adhérence magnétique permettant de supporter son propre poids. Objet magnétique, en particulier aimant permanent, obtenu par un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes. Système de fabrication additive d’un objet magnétique comprenant : un plateau d’impression ; des moyens pour déposer sur le plateau d’impression une couche d’un mélange de poudres comprenant au moins une poudre de polymère thermoplastique pour former une matrice et au moins une poudre de particules magnétisables ; un laser apte à irradier sélectivement au moins une région de la couche du mélange de poudre ; caractérisé en ce que le plateau d’impression est réalisé en matériau magnétiquement inerte et au moins un aimant est combiné au plateau d’impression de sorte à pouvoir générer un champ magnétique dans au moins une région de la couche déposée sur le plateau d’impression ; dans lequel le champ magnétique a une puissance suffisante pour orienter les moments magnétiques des particules magnétisables. Système selon la revendication 19, dans lequel l’aimant est logé dans le plateau d’impression, de manière fixe ou mobile. Système selon la revendication 19 ou 20, dans lequel ledit au moins un aimant est un aimant permanent ou un électro-aimant.
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