Impression 3D des pâtes et matériaux et dispositifs thermiques

Impression 3D des pâtes et matériaux et dispositifs thermiques

Le prototype d’imprimante alimentaire a été élaboré et construit par l’entreprise Dagoma (Roubaix, France), partenaire du projet ID3AL. Ce prototype est inspiré des imprimantes de type FDM. Le mécanisme d’extrusion consiste à la compression du matériau contenu dans une cartouche par un piston. Ce prototype a été amené à évoluer au cours du projet pour réaliser des impressions à différentes températures.

Impression à température ambiante

Le prototype est dit cartésien : position et la direction de la tête d’impression (ici, l’embout de la cartouche) sont fonction des coordonnées cartésiennes de points dans l’espace selon 3 axes, X, Y et Z. Le plateau se déplace sur l’axe Y, tandis que la tête d’impression se déplace sur les axes X et Z (Figure 34). Tous les déplacements dans l’espace sont motorisés et le mécanisme du déplacement du piston est composé d’une vis sans fin acheminée par deux roues crantées dont l’une est motorisée. Un conduit et un embout s’emboîtant dans ce conduit empêche la rotation de la vis sur elle-même et contribuent au déplacement du piston. Impression 3D des pâtes et matériaux et dispositifs thermiques 95 III. Matériels et Méthodes Figure 34 : Photos de l’imprimante 3D alimentaire et de ses composants La cartouche d’impression est une seringue de 60 mL (BD Plastipak, É-U.). Le diamètre le plus large de la seringue est de 26 mm et le diamètre de l’embout est de 3.7 mm. Afin d’éviter le reflux de produit sur les bords de la seringue pendant sa compression par le piston, un bouchon anti-reflux imprimé en PLA a été placé sous le piston. Le porte seringue est maintenu par des aimants sur une partie métallique mobile sur la traverse de l’axe X. La progression du piston dans la cartouche et les déplacements de tête d’impression sont fonction du code lu par l’imprimante. Ce code est obtenu en format g.code lors de la modélisation de l’objet 3D sur le logiciel Ultimaker (version 2.6.2, Ultimaker, NL),servant d’interface entre le modèle de l’objet désiré et l’imprimante. Les paramètres d’impression, tels que la largeur et la hauteur des cordons, le débit d’impression, la vitesse d’impression sont modifiés sur cette interface. La conception et le dessin des modèles utilisés ont été réalisés sur le logiciel open source Tinkercad (Autodesk, É-U.). Un code simple d’extrusion à vitesse de déplacement du piston constante a également été écrit pour l’impression des matériaux à des températures supérieures à la température ambiante. Les modèles utilisés pour l’impression sont composés d’associations de formes cylindriques permettant la formation d’objet d’une hauteur supérieure à 20 mm et la variation du remplissage de l’objet. L’imprimabilité des matériaux est testée sur au moins 2 géométries sur les 3 présentées en Figure 35 correspondant à des captures d’écran du logiciel slicer Cura. La vitesse d’impression est de 10 mm/s pour l’impression d’un cylindre et diminuée à 5 mm/s pour les autres mises en forme. La représentation couche par couche permet de visualiser l’objet « réellement » imprimé. La hauteur de la couche est de 2 mm pour une largeur de couche de 3,7mm. On « écrase » le cordon en renseignent une hauteur de couche plus petite par rapport à la largeur afin d’augmenter l’adhésion entre les couches. Cette méthode est également utilisée en impression 3D de 96 III. Matériels et Méthodes thermoplastique. Le choix des formes a été orienté par le contexte du projet ID3AL. En effet, l’impression d’objet de petite taille et de fine résolution n’était pas dans les objectifs d’impression, sachant que nous visions l’impression de plats complets et donc des objets de taille supérieure ou égale à une «bouchée », pour que la consommation de 4 à 6 bouchées puissent constituer un plat. La forme cylindrique permet l’impression rapide de plusieurs objets à partir de la même cartouche d’impression. Cette forme est moins coûteuse en temps et en quantité de matière avec une qualité d’impression supérieure par rapport à l’impression d’une forme cubique de même dimension. Il était possible de varier le taux de remplissage de cette forme et le motif de remplissage. La forme S-cargot nous a permis d’observer la force de résistance à la déformation de la 1ère couche de pâte déposée, qui supporte l’ensemble de la structure. A mesure que l’objet est imprimé, les couches inférieures peuvent s’affaisser et les parties hautes de la forme viennent se toucher (effondrement vers le centre du S). Enfin des formes arrondies et composés de plusieurs sous-formes sont proposées pour observer la performance du matériau pour former des dômes et des sphères « parfaites » demandant une dextérité à l’utilisateur voulant réaliser ces formes par d’autres procédés que l’impression 3D. Figure 35 : Exemples de modèles imprimés dans le cadre du projet. Représentations obtenues par le logiciel Cura. 

Fabrication d’une buse chauffante instrumentée

La collaboration entre l’entreprise Dagoma, le laboratoire LGPM (Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux, CentraleSupeléc) et l’UMR Sayfood a permis de concevoir et de produire un prototype de buse chauffante compatible avec le prototype d’imprimante alimentaire. Ce prototype de buse est présenté en Figure 36. Il se compose de 3 parties : – le porte seringue, aimanté sur un support de la traverse de l’axe x de l’imprimante, 97 III. Matériels et Méthodes – le bloc de jonction qui porte des entrées pour deux thermocouples et fait la jonction entre la buse et le porte seringue, – et le bloc de chauffe fileté permettant l’enroulement de fils résistifs qui apporteront la chaleur dans la buse par conduction. Le matériau PTFE est utilisé pour la fabrication des blocs de jonction et de chauffe pour sa compatibilité avec les produits alimentaires, ses caractéristiques thermomécaniques et sa facilité d’usinage. Le porte seringue (Figure 36) est fabriqué sur mesure en PLA par impression 3D. Les 3 parties du prototype sont indépendantes et vissées entre elles, afin de faciliter le nettoyage de la buse et limiter la manipulation des thermocouples. L’étanchéité de l’ensemble est assurée par la compression des différentes parties réunies, grâce au positionnement de joints en nylon entre le bloc de chauffe et le bloc de jonction et la seringue et par le vissage des blocs au porte-seringue.