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]

[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.