BE1012192A3 - Procede de fabrication de trepans a lames du type a matrice et trepans ainsi obtenus. - Google Patents

Procede de fabrication de trepans a lames du type a matrice et trepans ainsi obtenus. Download PDF

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Abstract

Un procédé de fabrication de trépans à lames rotatif par des techniques de dépôt en couches. De minces couches de poudre peuvent être déposées de manière séquentielle et fondues ou autrement liées pour définir le corps de trépan ou de minces feuilles de matière peuvent être superposées, liées et coupées. Des éléments de corps de trépan peuvent également être formés par le procédé et peuvent être ultérieurement assemblés avec d'autres éléments réalisés de manière analogue ou par d'autres procédés pour produire un corps de trépan.

Description


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   Procédé de fabrication de trépans à lames du type à matrice et trépans ainsi obtenus. 



   La présente invention concerne d'une manière générale les trépans à lames destinés à forer dans des formations souterraines et, en particulier, un procédé pour fabriquer de tels trépans par le dépôt et la fixation contrôlés et dirigés de matières utilisées pour former la matrice du trépan. Le procédé décrit permet d'éviter l'utilisation de moules ou de dessin préliminaire pour définir le profil du trépan et la topographie de la face du trépan, ainsi que la nécessité d'au moins certains si pas tous les éléments précoulés ou autrement préfabriqués qui sont normalement utilisés pour définir des éléments internes à l'intérieur de la matrice du trépan. 



   Le procédé peut être utilisé pour fabriquer un corps de trépan entier ou des éléments de corps de trépan qui peuvent être ultérieurement assemblés avec d'autres éléments fabriqués par le même procédé ou autrement. Les éléments assemblés sont alors assujettis les uns aux autres pour former le corps du trépan. 



   Les trépans de forage dans le sol utilisant des éléments de coupe fixes sur la face du trépan, habituellement qualifiés de trépans à lames rotatifs ou simplement   de"trépans   à lames", comprennent un corps de trépan en acier ou en une matrice de matière particulaire dure comme du carbure de tungstène infiltrée au moyen d'un liant, généralement d'un alliage de cuivre. Le corps de trépan est fixé à une queue d'acier présentant un embout fileté destiné à fixer le trépan à l'arbre d'entraînement d'un moteur de fond ou directement aux masses-tiges à l'extrémité distale d'un train de tiges de forage entraîné en rotation à la surface par une table de rotation ou une tête d'injection d'entraînement. 



   Dans le cas de trépans à corps en acier, le corps du trépan est habituellement usiné à partir d'un matériau rond à la forme souhaitée, habituellement avec des buses 

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 internes pour l'amenée du fluide de forage à la face du trépan, et des particularités topographiques sont alors définies en des endroits précis de la face du trépan par usinage, typiquement au moyen d'une machine-outil cinq axes commandée par ordinateur. Un revêtement dur est appliqué à la face du trépan et à d'autres zones critiques de l'extérieur du trépan et des éléments de coupe sont fixés à la face du trépan, d'une manière générale en insérant les extrémités proximales de tenons sur lesquels sont montés les éléments de coupe dans les ouvertures forées dans la face du trépan.

   L'extrémité du corps de trépan opposée à la face est alors filetée, parachevée et soudée à la queue de trépan. 



   Dans le cas d'un corps de trépan du type à matrice, il est traditionnel d'utiliser une"ébauche"de trépan préfaçonnée en acier ou en une autre matière appropriée pour renforcer intérieurement la matrice du corps de trépan. L'ébauche peut être simplement cylindrique et tubulaire ou peut être d'une configuration assez complexe présentant des saillies correspondant à des lames, des ailettes ou d'autres particularités sur la face du trépan. 



  D'autres éléments préfaçonnés constitués de sable imprégné de résine ou dans certains cas de particules de carbure de tungstène dans un liant polymère souple, peuvent également être utilisés pour définir des buses internes et des passages pour l'amenée du fluide de forage à la face du trépan, ainsi que des logements d'éléments de coupe, des nervures, des plages, des déplacements à ajutage, des saignées à ferraille et d'autres particularités topographiques externes du trépan. L'ébauche et d'autres préformes sont placées en des endroits appropriés dans le moule utilisé pour couler le corps de trépan. L'ébauche est unie à la matrice lors du refroidissement du corps du trépan après infiltration du carbure de tungstène avec le liant dans un four et les autres préformes sont retirées dès que la matrice s'est refroidie.

   La queue filetée est alors soudée à l'ébauche de trépan. Les éléments de coupe 

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 (typiquement en diamant et le plus souvent en un compact de diamant polycristallin ou PDC) peuvent être fixés à la face du trépan pendant le traitement au four du corps de trépan si des PDC thermiquement stables, habituellement appelés TSP sont utilisés, ou peuvent y être fixés ultérieurement, par exemple par brasage, par collage ou par fixation mécanique. 



   Comme on peut facilement le remarquer à l'examen de la description qui précède, le procédé de fabrication d'un trépan de forage du type à matrice est assez coûteux et est un procédé en deux étapes extrêmement complexe exigeant l'élaboration d'un produit intermédiaire (le moule) avant que le produit final (le trépan) ne puisse être coulé. 



  Les ébauches et les préformes utilisées doivent être conçues et fabriquées individuellement et des modifications même mineures de la conception d'un trépan de forage peuvent nécessiter l'utilisation de préformes nouvelles et différentes. Le moule utilisé pour couler le corps en matrice doit être usiné dans un élément en graphite cylindrique d'une manière très précise, en particulier en ce qui concerne la topographie de la face du trépan, et les préformes elles-mêmes doivent être placées en des endroits précis à l'intérieur du moule pour assurer le placement adéquat des éléments de coupe, des buses, des saignées à ferraille, etc. 



   Pendant de nombreuses années, les moules à trépan ont été usinés conformément à un profil de trépan général et la topographie d'une face de trépan individuelle a été définie à l'envers dans le moule par des techniciens adroits utilisant les préformes précitées et maniant des fraises du type dentaire et d'autres outils de sculpture fine. Plus récemment, de nombreux détails ont pu être usinés dans un moule à l'aide d'une machine-outil cinq axes commandée par ordinateur. En tout cas, l'usinage du moule à trépan et le placement des préformes est un processus fastidieux, toujours soumis, au moins dans une certaine mesure, à erreur humaine. 



   Dans certains cas, le processus de fabrication du 

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 moule a été rendu plus rapide et moins onéreux à l'aide d'éléments de déplacement en caoutchouc reproduisant de manière finement détaillée la topographie de la totalité d'un profil et d'une face de trépan, ces éléments de déplacement étant alors utilisés pour couler un moule à trépan d'une configuration intérieure appropriée permettant ultérieurement de couler un trépan. Cependant, ces éléments de déplacement ne sont utiles que pour des trépans "standards"qui sont d'une conception fixe quant à leur taille, au nombre et à la disposition des éléments de coupe et au nombre d'ajutages et qui ne sont donc économiques que pour des trépans de volume important qui sont relativement peu nombreux.

   Avec les progrès et les modifications fréquents de la conception des trépans, les préférences des clients individuels pour lesquels les trépans sont fabriqués, et le déclin général du nombre de puits forés ces dernières années, les trépans standards de grand volume sont presque devenus inexistants. 



   Bien que les trépans du type à matrice puissent offrir des avantages significatifs par rapport aux trépans à corps en acier en termes de résistance à l'abrasion et à l'érosion, et bien que des progrès récents dans la technologie des matrices ont notablement augmenté la ténacité et la ductilité des corps en matrice, dans de nombreux cas le coût plus élevé d'un trépan du type à matrice et le temps plus long nécessaire pour le fabriquer peuvent amener le client à choisir un trépan à corps en acier moins coûteux, mais dont le délai de livraison est plus court. La technique actuelle en matière de fabrication des trépans à matrice n'a pas été à même jusqu'à présent de surmonter les avantages précités des trépans à corps en acier et d'éliminer la majeure partie de la complexité dans la fabrication des trépans à matrice. 



   Résumé de l'invention. 



   La présente invention envisage un procédé de 

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 fabrication de trépans à lames rotatifs du type à matrice destinés à des forages souterrains qui ne nécessitent pas la préparation et l'utilisation de moules tels que ceux utilisés dans la technique connue pour définir le profil du trépan, notamment la face, le nez, le flanc, l'épaulement, la partie de calibrage ainsi que d'autres détails fins de la topographie superficielle extérieure du trépan. Dans certaines formes de réalisation de l'invention, l'utilisation de préformes pour définir des passages à fluide à l'intérieur du corps de trépan peut être éliminée ou fortement réduite, tandis que dans d'autres formes de réalisation de l'invention, des préformes peuvent être utilisées pour accroître l'intégrité structurelle et la fonctionnalité du trépan. 



   Une particularité principale du procédé conforme à l'invention réside dans la fabrication du corps de trépan de forage en une série de couches ou de tranches superposées de manière séquentielle. Un trépan de forage à fabriquer est conçu comme un   modèle"massif"tridimensionnel   utilisant un système de conception assistée par ordinateur (CAO) qui offre la possibilité au concepteur de dimensionner, de configurer et de placer toutes les particularités internes et externes du trépan telles que (à titre d'exemple) des passages à fluide internes et des ébauches, et des tailles, angles de dépouille et emplacements d'éléments de coupe externes ainsi que la hauteur, l'épaisseur, le profil et l'orientation des plages et des nervures sur la face de trépan et l'orientation,

   la profondeur et le profil des passages d'eau sur la face de trépan et des saignées à ferraille sur la partie de calibrage du trépan. Le système CAO est alors utilisé   pour"trancher"numériquement   le modèle massif en un grand nombre de couches minces, à la façon d'un pain coupé en tranches. 



   Après que la division en tranches ou en couches a été effectuée dans le système CAO, dans une forme de réalisation de l'invention, un plateau horizontal est prévu sur lequel une matière granulaire ou particulaire telle 

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 qu'une poudre de métal enrobée de résine, par exemple du carbure de tungstène, est déposée en une mince couche uniforme. Un laser finement focalisé, programmé pour suivre la configuration de la couche ou section de base ou inférieure extrême du corps du trépan, est dirigé sur la couche de poudre pour faire fondre la résine et agglomérer les particules de métal les unes aux autres dans les zones de la couche représentées en tant que parties massives du trépan dans le modèle.

   Une autre couche de poudre est alors déposée uniformément sur la première couche non agglomérée jusqu'à une épaisseur égale à la première, après quoi les particules de métal de la seconde couche sont agglomérées les unes aux autres et simultanément à la première couche au moyen du laser. Le processus se poursuit jusqu'à ce que toutes les couches ou toutes les tranches du trépan, représenté par le modèle numérique massif, aient été déposées et agglomérées, donnant une masse de matière particulaire agglomérée comprenant un corps de trépan qui reproduit fidèlement le modèle informatique sous tous ses aspects dimensionnels. Le corps de trépan peut alors être placé dans un four où il peut être préchauffé pour vaporiser la résine.

   Il est envisagé d'utiliser certaines résines qui se vaporisent au contact de la lumière laser pendant le processus de dépôt en couches initial et dans ces cas certaines poudres métalliques peuvent également être au moins préalablement frittées ou fondues par le laser, ce frittage étant approfondi ou achevé si nécessaire dans une opération de traitement au four ultérieure. 



   Si un métal en poudre imprégné de résine est utilisé en tant que matière particulaire comme mentionné plus haut, le corps de trépan obtenu est une masse de métal poreuse et perméable semblable à une éponge ou à une mousse à cellules ouvertes qui peut être infiltrée au moyen de liants métalliques ou non métalliques appropriés pour achever le corps de trépan. Si un liant non métallique tel qu'un polymère est utilisé, le trépan peut être infiltré dans sa masse par un écoulement par gravité à température 

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 ambiante, tandis que si un liant métallique est utilisé, le trépan devra être infiltré dans sa masse par un écoulement par gravité dans un four, tout ceci étant bien connu. 



   Dans une variante de la forme de réalisation qui précède, un carbure de tungstène ou une autre poudre ou mélange de poudres approprié (soit métalliques, soit non métalliques) présentant les caractéristiques physiques souhaitées pour une matrice peut être prémélangé de manière uniforme avec un polymère en poudre (ou une autre matière non métallique) ou une poudre liante métallique, le prémélange peut être déposé en couches et la poudre liante peut être au moins partiellement fondue par un laser pour agglomérer les particules de carbure de tungstène en une matrice et définir la forme du corps de trépan. Au terme du processus de dépôt en couches et de fusion, puisque le liant est déjà en place, le corps de trépan est chauffé dans un four pour effectuer une infiltration en place complète de la matrice.

   Une variante de la procédure décrite plus haut consiste à déposer des couches de poudre de matrice alternant avec des couches de poudre liante. Dans les deux cas, un liant supplémentaire doit être placé sur le dessus du corps de trépan pour infiltrer et combler tous les vides présents dans la matrice de poudre de métal consolidée par un liant. 



   Une autre variante encore implique l'utilisation d'un carbure de tungstène imprégné de liant ou d'une autre poudre ou mélange de poudres approprié en une disposition par couches, en recourant à un laser pour faire fondre l'enrobage de liant au moins suffisamment pour rendre chaque couche cohérente, le corps de trépan achevé étant ensuite placé dans un four en vue d'une infiltration en place du corps de trépan au moyen d'un liant supplémentaire, comme mentionné plus haut. 



   Dans l'une quelconque des formes de réalisation de l'invention décrites plus haut, un trépan de forage peut être fabriqué directement à partir du modèle massif généré par CAO sans qu'il soit nécessaire de concevoir et de 

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 fabriquer des moules et sans le travail manuel artistique délicat qui est actuellement requis pour les détails du trépan. 



   Le processus de dépôt et de disposition en couches mentionné plus haut peut être exécuté sur une ébauche classique placée sur le plateau de dépôt, ou une ébauche peut être formée au cours du processus de disposition en couches en déposant sélectivement une poudre de la matière d'ébauche souhaitée en des endroits plus appropriés dans chaque couche avant l'étape de fusion. D'une manière analogue, une matière extrêmement résistante à l'abrasion et à l'érosion peut être déposée en des endroits sélectifs dans chaque couche par exemple à la périphérie pour fournir un revêtement dur pour l'extérieur du corps de trépan ou sur l'intérieur de la couche afin de définir les segments de paroi des segments de passage à fluide destinés à amener le fluide de forage à la face du trépan. 



   Comme mentionné plus haut, un mélange de poudres de métaux de matrice peut être utilisé dans le corps de trépan pour réduire la taille nécessaire de l'ébauche ou éliminer entièrement le besoin d'une ébauche. Une matrice métallique mixte de carbure de tungstène et d'une ou de plusieurs autres matières fournissant une ténacité, une ductilité et/ou une résistance au choc accrues telle que décrite dans le brevet US-A-5 090 491 cédé à la Demanderesse et incorporé ici par cette référence, peut convenir en particulier pour la fabrication par le procédé conforme à l'invention. 



   Une autre variante encore du procédé conforme à l'invention utilise de minces couches ou tranches faites de matière de matrice en feuilles, comme un métal poreux, un fin treillis métallique ou même une matière synthétique telle qu'une matière composite qui sont chacune jointes à la couche inférieure suivante, puis coupées au laser (ou autrement) selon la configuration périphérique de cette "tranche"de trépan.

   Cette jonction peut être effectuée au moins partiellement par un apport de chaleur et de pression 

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 (par exemple, par un rouleau chauffé), puis elle peut être renforcée et achevée si on le souhaite ou si cela s'avère nécessaire (par exemple, par chauffage) par un liant polymère ou métallique qui peut être amené à la surface des feuilles ou être imprégné dans des pores ou des ouvertures prévus dans les feuilles, peut être placé en feuilles entre les feuilles de matrice, peut être déposé en couches de poudre, ou peut être pulvérisé. 



   Il est, en outre, envisagé que toutes les formes d'exécution du procédé de l'invention peuvent indifféremment être utilisées pour fabriquer un élément de corps de trépan au lieu d'un corps de trépan entier. Dans une telle variation, un élément du modèle "massif" tridimensionnel est défini par le concepteur de trépan et est"retiré" numériquement du modèle en vue d'une fabrication séparée comme un élément individuel par la technique de dépôt en couches multiples décrite plus haut.

   Le façonnage d'éléments de corps de trépan individuellement peut être avantageux lorsque le profil du trépan, la topographie de sa surface ou sa configuration interne est d'une complexité inhabituelle ou lorsqu'il est souhaitable d'assembler un ou plusieurs éléments fabriqués au moyen du procédé de l'invention, comme décrit plus haut, avec d'autres éléments fabriqués par d'autres moyens, par exemple par usinage, coulée, extrusion, etc. Les éléments assemblés peuvent alors être infiltrés comme décrit plus haut pour former un corps de trépan d'une seule pièce. 



   Des trépans à lames rotatifs et des éléments de trépan fabriqués conformément au procédé de l'invention sont également envisagés comme rentrant dans le cadre de l'invention. Ces trépans offrent un placement précis contrôlé de manière avantageuse de différentes matières de matrice de trépan à l'intérieur du corps du trépan ou sur la surface de celui-ci, ainsi que la possibilité de placer avec précision, de configurer et d'orienter des passages à fluide internes, des collecteurs et d'autres vides.

   De plus, comme mentionné plus haut, les trépans fabriqués 

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 conformément au procédé de l'invention offrent la possibilité de modifier la dimension des éléments de coupe, le placement, ltorientation et les détails de la topographie de la surface du trépan, à volonté, via un système CAO et d'exécuter ces modifications de la forme d'un nouveau trépan de conception"sur mesure"comme cela s'avère nécessaire. 



   Brève description des dessins. 



   La Fig. 1 est une vue en perspective d'un modèle massif ou tridimensionnel d'un trépan de forage tel qu'il pourrait être conçu par un système CAO ; la Fig. 2 est une vue en perspective, à plus grande échelle, du trépan de forage de la Fig. 1, tranché transversalement à l'axe longitudinal du trépan pour exposer une section intérieure ; la Fig. 3 est une vue en élévation du dessus de la tranche ou couche supérieure du segment de trépan de forage illustré sur la Fig. 1 ; la Fig. 4 est une vue schématique d'un premier appareil de dépôt en couches commandé par ordinateur préféré propre à être utilisé dans la fabrication d'un trépan de forage selon une forme de réalisation préférée du procédé de l'invention ; les Fig. 4A-4E sont des vues schématiques illustrant l'utilisation de l'appareil dans la fabrication d'un trépan ;

   la Fig. 5 est une vue en élévation du dessus de la surface d'une tranche ou couche unique d'un autre modèle de trépan de forage, illustrant l'utilisation de plusieurs poudres différentes pour fournir différentes caractéristiques physiques pour diverses parties de la tranche ou couche de trépan et des parties contiguës de tranches ou couches adjacentes ; la Fig. 6 est une vue schématique d'un second appareil de dépôt en couches préféré propre à être utilisé dans la fabrication d'un trépan de forage selon une autre 

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 forme d'exécution préférée du procédé de l'invention, et la Fig. 7 est une vue en élévation du dessous schématique d'un trépan de forage à ailettes ou à lames formé d'éléments mutuellement verrouillés et fabriqués par le procédé de l'invention. 



  Description détaillée des formes de réalisation préférées. 



   Les Fig. 1 à 3 des dessins illustrent un exemple de trépan de forage 10 modélisé en trois dimensions par un système CAO de type connu. Ces systèmes sont bien connus et largement utilisés et un système CAO disponible dans le commerce et particulièrement approprié pour la mise en oeuvre de l'invention est le Pro/ENGINEER offert par la société Parametric Technology Corporation. Le trépan de forage 10, comme indiqué, comprend une variété d'éléments externes et internes comme le corps de trépan 12 fixé à une queue de trépan tubulaire 14 présentant un embout de raccordement fileté 16 à son extrémité libre et six lames ou ailettes 18 portant des éléments de coupe 20 placés dans des logements 22 et soutenus de l'arrière par des contreforts inclinés 24.

   Des éléments de calibrage 26 sont fixés tout près des patins de calibrage 28 et au-dessus de ceux-ci (comme indiqué aux dessins). Les lames 18 sont séparées par des chenaux à fluide 30 s'étendant dans l'ensemble radialement et s'ouvrant dans des saignées à ferraille 32, les chenaux à fluide 30 et les saignées à ferraille 32 étant alimentés, en fonctionnement, par du fluide de forage ("boue") en provenance du train de tiges de forage à travers la queue 14 communiquant avec des passages à fluide interne 34 qui débouchent dans des ajutages 36 prévus dans des cavités 38 qui s'ouvrent sur les chenaux à fluide 30.

   Les lames 18, les chenaux à fluide 30 et leurs détails topographiques définissent ensemble ce que l'on peut qualifier de"face du trépan",   c'est-à-dire   la surface du trépan en contact avec la formation non forée au fond du trou de forage. La forme extérieure d'une section 

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 transversale diamétrale du corps de trépan 12 prise le long de l'axe longitudinal 40 du trépan définit ce que l'on peut qualifier de profil de trépan ou"couronne". 



   Comme le montre la Fig. 2 des dessins, un système CAO permet   de"trancher"numériquement   le modèle de trépan tridimensionnel suivant n'importe quel plan souhaité et dans ce cas suivant un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal 40 du trépan 10. Si l'on considère la surface 42 sur la Fig. 2, il apparaîtra clairement que le modèle de trépan 10 peut être facilement caractérisé numériquement comme une série de minces couches superposées principalement bidimensionnelles de section transversale progressivement variable, ces couches bidimensionnelles, lorsqu'elles sont complètement empilées, définissant le modèle de trépan de forage tridimensionnel illustré sur la Fig. 1.

   Comme le montrent les Fig. 2 et 3, la surface 42 comprend des ouvertures ou des vides là où des segments   34'des   passages à fluide internes 34 sont présents, les segments contigus   34'dans   des couches ou tranches superposées comprenant des passages 34 complets dans le modèle de trépan représentatif du trépan de forage 10. La Fig. 2 montre également des vides 44 dans la surface du corps de trépan où des éléments de calibrage 26 ont été supprimés, le procédé de l'invention fournissant un corps de trépan prêt pour l'adjonction d'éléments de coupe 20, d'éléments de calibrage 26 et d'ajutages 38. 



   Cette technique de dépôt de couches ou de tranches permise par les systèmes CAO a été adaptée à des techniques de fabrication principalement utilisées dans la fabrication de prototypes non métalliques d'objets tridimensionnels, comme des pièces de moteur, et de moules pour la coulée de métaux liquéfiés et d'autres matières dans la production en faible volume d'objets massifs. Il apparaît cependant que ces techniques sont limitées et à courte vue comparé au potentiel d'adaptation de ces techniques à la fabrication du produit final souhaité ultime, dans le cas présent un trépan à lames rotatif. 

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   La Fig. 4 des dessins illustre un premier exemple préféré d'appareil 100 pour la fabrication d'un trépan à lames rotatif conforme à l'invention. L'appareil 100 comprend un plateau horizontal 102 sur lequel un corps de trépan 12 doit être formé. Le plateau 102 est, de préférence, mobile verticalement selon des incréments précis, par exemple à l'intervention d'un dispositif à moteur pas à pas ou d'un autre dispositif 104. Un distributeur de particules, comprenant une tête de distribution linéaire 106 au bas d'une trémie 108 est mobile horizontalement en travers du plateau 102 et au-dessus de celui-ci afin de déposer une couche de matière particulaire sur le plateau 102. La trémie 108 peut être vibrée pour faciliter le débit de la matière particulaire et rendre ce débit plus uniforme, si on le souhaite.

   Un rouleau ou une barre ou une lame de raclage 110 fixé verticalement et s'étendant horizontalement est également mobile horizontalement en travers du plateau 102 et peut, si on le souhaite, être suspendu à la trémie 108. Une tête de fixage 112, mobile au moins dans les plans X et Y et de préférence, également dans le plan Z est suspendue au-dessus du plateau 102. La tête de fixage 112 peut comprendre l'un d'une variété d'ensembles, en fonction de la nature de la matière particulaire 120 utilisée pour fabriquer le corps de trépan et le type de liant souhaité utilisé pour exécuter le procédé de l'invention. La tête de fixage 112 peut comprendre, par exemple et de manière non limitative, un laser, un ajutage à jet d'encre ou un pistolet pulvérisateur de métal.

   La séquence de fonctionnement et les mouvements du plateau 102, de la trémie 108, du rouleau 110 et de la tête de fixage 112 sont commandés par un ordinateur 114 utilisant un programme de commande de machine approprié bien connu actuellement. L'ordinateur 114 peut comprendre un ordinateur personnel disponible dans le commerce utilisant un microprocesseur Intel de la série 486. Des vendeurs offrant des ordinateurs convenablement programmés utilisant des systèmes de stéréolithographie (SLA) réagissant à des 

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 formats de fichier CAO. STL ainsi que le matériel associé adaptables au procédé de l'invention comprennent les sociétés DTM Corporation, Austin, Texas ; Soligen, Inc., Northridge, Californie ; Stratasys, Inc., Eden Prairie, Minnesota et Helisys, Inc. de Torrance, Californie. 



   Dans une première forme de réalisation préférée du procédé conforme à l'invention, la matière particulaire 120 comprend des particules de métal imprégnées de résine telles que du carbure de tungstène, du fer, de l'acier, de l'Invar, des céramiques ou un mélange de l'une quelconque des matières précédentes, ces particules 120 sont déposées par le déplacement horizontal de la trémie 108 au-dessus du plateau 102, ce dernier se trouvant dans sa position supérieure.

   Le rouleau ou le racloir 110 répartit et égalise les particules 120 en une première couche mince 122 d'épaisseur sensiblement uniforme (par exemple, de 0,003 à 0,020 pouce ou 76,2 à 502   tim).   Ensuite, la tête de fixage 112, qui comprend un laser, est dirigée vers la couche de particules 122 et est déplacée en travers de celle-ci en un motif horizontal régulier représentatif d'une première couche ou tranche transversale inférieure du corps de trépan à lames 12 défini numériquement et stocké dans l'ordinateur 114.

   Le faisceau laser est dirigé de manière à attaquer la couche 122 dans les zones où le corps de trépan 12 est constitué d'une matière solide, et évite les zones dans lesquelles un segment   34'd'un   passage à fluide interne 34 ou d'un autre vide (par exemple, un collecteur) existe à l'intérieur du corps de trépan 12. Comme le montre la Fig. 4A, le laser fait fondre la résine et agglomère les particules de métal par fusion, formant ce que l'on peut qualifier de couche de préforme 122'ayant le contour périphérique du corps de trépan 12 à ce niveau vertical ou longitudinal, des ouvertures ou des vides dans cette couche subsistant sous la forme de particules non fondues libres 120. Avec certaines poudres métalliques, un frittage peut également avoir lieu.

   Le laser est alors retiré et, comme le montre la Fig. 4B, le plateau 102 est indexé vers le bas 

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 d'une distance verticale égale à l'épaisseur de la couche 122, une deuxième couche 124 de particules 120 est déposée par la tête de distribution 106 de la trémie 108, puis elle est étalée et lissée par le rouleau ou le racloir 110, comme décrit plus haut. Comme le montre la Fig. 4C, le laser est à nouveau dirigé, cette fois vers la couche 124, afin de suivre un motif horizontal représentatif d'une deuxième couche ou tranche plus élevée du corps 12 du trépan à lames, défini numériquement et stocké dans l'ordinateur 114, agglomérant la deuxième couche 124 en une deuxième couche de préforme   124'qui   est également simultanément fondue sur la première couche de préforme 122'.

   Il est à remarquer que les couches   122'et 124'ont   été exagérées en épaisseur à titre illustratif. Comme le profil de la couronne du corps de trépan 12 n'est pas cylindrique, mais tronconique et que les passages à fluide internes s'étendent latéralement ainsi que longitudinalement à l'intérieur du corps de trépan 12, le résultat net est que la couche de préforme 124', tout en étant contiguë à la couche 122', peut ne pas être identique à celle-ci. 



   Le dépôt des particules, l'égalisation et la fusion sélective de chaque couche de préforme successive se poursuivent sous la commande de l'ordinateur pendant des centaines ou même des milliers de couches jusqu'à ce qu'une structure tridimensionnelle reconnaissable telle que représentée sur la Fig. 2 émerge progressivement, et le processus de disposition en couches est poursuivi jusqu'à ce qu'un corps de trépan terminé 12 tel que représenté sur la Fig. 1 (mais sans les éléments de coupe 20, les éléments de calibrage 26 et les ajutages 36) soit réalisé, comme illustré sur la Fig. 4D. Le corps de trépan 12, à ce stade, est une matrice poreuse, spongieuse ou à cellules ouvertes 130 qui doit être infiltrée au moyen d'un liant.

   Pour effectuer l'infiltration, la matrice 130 peut être exposée à une pulvérisation au moyen d'un bouche-pores destiné à fermer les pores extérieurs de la couronne de trépan ainsi que ceux qui s'ouvrent sur des vides intérieurs quelconques 

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 dans la matrice 130, puis elle peut être retournée et mise en place dans un bac de moulage 140 comme illustré sur la Fig. 4E. Un liquide durcissable 142 tel que du Cotronics 770 (une céramique) est ensuite coulé dans le bac 140 et est laissé à durcir en une forme de moulage solide 144 résistant à des températures supérieures à celle à laquelle un liant se liquéfie, la forme de moulage 144 entourant l'extérieur de la matrice 130 et remplissant les passages à fluide intérieurs 34 et d'autres vides internes. 



  Le moule peut alors être préchauffé pour vaporiser la résine dans la matrice. Un liant liquide durcissable est ensuite infiltré en masse dans la matrice 130 de la façon bien connue pour remplir les pores ou les cellules de la matrice, puis il est laissé à durcir, le produit fini comprenant le corps de trépan 12. La forme de moulage est ensuite cassée et détachée du corps de trépan 12 et la matière de moulage remplissant les passages internes 34 et d'autres vides est retirée. 



   Il est également envisagé qu'un moule"mou"ou non consolidé peut être utilisé pour soutenir le corps de trépan 12 pendant l'infiltration. Par exemple, du sable de coulée ou de la poudre de graphite peut être versé autour du corps de trépan 12 dans un bac 140 et le bac peut être vibré pour tasser le sable ou une autre matière particulaire autour du corps de trépan 12 et à l'intérieur de celui-ci éliminant les vides indésirables avant que l'infiltration ne soit effectuée. 
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  Un liant polymère tel qu'un polyester ou une résine époxyde ou même du verre peut être utilisé pour infiltrer la matrice 130. Dans certains cas, l'infiltration peut donc être effectuée en substance à température ambiante en versant le liant liquéfié dans le bac de moulage 140. En variante, un liant métallique plus traditionnel tel qu'un alliage à base de cuivre ou un liant non métallique à point de fusion élevé comme du verre peut être placé sur le dessus de la matrice 130 et du bac de moulage 140, la matrice 130 et le liant étant placés dans un four jusqu'à ce que le 

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 liant fonde et s'infiltre vers le bas dans la matrice 130. Un alliage de cuivre particulièrement approprié est décrit dans le brevet US-A-5 000 273 de Horton et al.

   Si on le souhaite, avec n'importe quel type de liant, un vide peut être créé au fond du bac de moulage 140 pour éliminer les poches d'air et les défauts structurels éventuels présents dans le corps de trépan 12 constituant le produit final. 



   On comprendra que le procédé de l'invention peut être employé avec une ébauche de trépan préformée telle que celle utilisée dans les techniques de fabrication connues pour des trépans à matrice, l'ébauche étant placée sur le plateau 102 et les couches de particules étant déposées autour de l'ébauche. Evidemment, avec cette variante du procédé, l'utilisation d'un rouleau ou d'un racloir s'avère difficile. Cela étant, la distribution et l'égalisation de chaque couche de particules 122,124, etc., peuvent être effectuées par vibration du plateau 102, et le volume de matière particulaire peut être réglé avec davantage de soin. 



   Une variante de la première forme de réalisation préférée de l'invention utilise un prémélange de matière de matrice en poudre et de liant pulvérulent qui est déposé en couches sur le plateau 102, comme décrit plus haut. 



  Cependant, au lieu d'un processus d'infiltration de liant en masse complet comme décrit plus haut, on utilise le laser pour effectuer un processus d'infiltration en place, couche par couche, qualifié de préliminaire en chauffant et en liquéfiant le liant pour unir les couches supérieures de particules de matrice non consolidées l'une à l'autre et aux couches sous-jacentes précédemment unies. En utilisant un tel procédé, le corps de trépan de forage 12 est terminé au terme du processus de dépôt en couches, et seule une infiltration avec un liant supplémentaire est requise pour éliminer les vides dans le corps de trépan, si une certaine porosité ne peut pas être tolérée. Le liant pulvérulent peut, comme décrit plus haut, être non métallique ou métallique.

   Au lieu de prémélanger une poudre de matrice et une poudre liante, des couches séparées de chacune de ces 

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 matières peuvent être appliquées (en premier lieu une poudre de matrice, puis une poudre de liant avant que le liant ne soit liquéfié par chauffage au laser et ne pénètre dans les particules de matrice sous-jacentes). Une autre variante en vue d'éviter une éventuelle distribution inégale des particules de matrice et de liant dans un prémélange, implique l'utilisation de particules de matrice imprégnées de liant pour assurer que chaque particule de matrice soit mouillée par du liant et soit unie à une particule de matrice adjacente. Les particules imprégnées sont chauffées par un laser pour faire fondre le liant et consolider les particules de matrice les unes avec les autres et avec la couche sous-jacente. 



   Une deuxième forme d'exécution préférée du procédé conforme à l'invention peut être réalisée à l'aide de particules de métal non imprégnées ou d'une autre matière appropriée déposées sur le plateau 102, comme décrit plus haut. Dans ce cas, cependant, la tête de fixage 112 peut comprendre un ou plusieurs ajutages à jet d'encre tels qu'ils sont utilisés dans des mécanismes d'imprimante ou en variante un pistolet pulvérisateur de métal. La tête de fixage 112 dépose un liant liquide sur les particules de poudre, ce liant pénétrant entre les particules et se solidifiant, de manière à faire adhérer les particules de la couche supérieure les unes aux autres et à la couche sous-jacente qui a été précédemment consolidée.

   Si un processus de dépôt de liant du type à jet d'encre est utilisé, le liant peut comprendre un liant non métallique 
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 tel qu'un composé polymère. En variante, un liant métallique tel qu'un alliage de cuivre ou de zinc ou de Kirksite, un alliage breveté fourni par la société Industrial Modern Pattern and Mold Corp., peut être utilisé. Dans le cas d'un alliage métallique, le liant peut être fourni sous la forme d'un fil métallique qui est liquéfié (par exemple, par chauffage au moyen d'un arc électrique) et pulvérisé sur la couche de particules supérieure. Une autre variante consiste à liquéfier l'extrémité distale du fil de liant au moyen 

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 d'un laser ou d'un autre dispositif de chauffage immédiatement au-dessus de la couche de poudre non consolidée au lieu d'utiliser une pulvérisation de métal. 



   Dans la mise en pratique de la forme d'exécution préférée du procédé de l'invention, d'autres variantes sont également envisagées. Par exemple, différentes poudres de matrice peuvent être déposées séparément sur le plateau 102 en des endroits appropriés et souhaités, afin de conférer différentes caractéristiques physiques à des parties différentes du trépan de forage.

   Spécifiquement, des particules de carbure de tungstène, d'une céramique ou d'une autre matière dure peuvent être déposées par un dispositif de dépôt à trémie ou autre déplacé de manière contrôlable dans le plan X-Y à la périphérie d'une couche formée sur le plateau ou sur une couche sous-jacente pour fournir une enveloppe extérieure résistant à l'abrasion et à l'érosion pour le corps de trépan, et aux emplacements indiqués par CAO pour des segments de passages à fluide internes   34'en   vue de fournir un segment de paroi résistant de manière analogue à l'abrasion et à l'érosion qui entoure le segment de passage 34'.

   Les autres particules de matrice utilisées dans la couche en cours de formation peuvent comprendre du fer, de l'acier, de l'Invar ou d'autres matières tenaces et ductiles de manière à accroître la ténacité et la ductilité du corps de trépan. Lorsque les deux types de poudre ont été déposés (deux types étant cités uniquement à titre d'exemple non limitatif), la couche de poudre peut être frittée ou autrement agglomérée, le résultat final étant une couche ou une tranche 200 d'un corps de trépan comme illustré sur la Fig. 5 des dessins.

   La couche 200, représentée dans la forme finie qui serait la sienne en tant que partie du corps de trépan 12, comprend une périphérie extérieure dure 202 et des segments de paroi de passage 204 pour des segments de passage 34', ainsi qu'une partie principale tenace et ductile 206 fournissant les caractéristiques physiques robustes souhaitées pour le corps de trépan dans sa totalité. En dehors de l'utilisation des deux poudres, le 

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 procédé conforme à l'invention est exécuté de la manière décrite plus haut. 



   A titre de variante de la mise en place sélective de différentes matières pulvérulentes dans une couche et l'agglomération immédiate de la couche entière, on peut atteindre le même résultat par une variante du procédé qui est plus facile à exécuter en pratique et qui peut fournir des limites plus précises entre les diverses matières dans une couche. Dans la variante, une première matière pulvérulente est déposée sur la totalité de la section transversale d'une couche de corps de trépan, puis elle est agglomérée sélectivement, par exemple, par un laser dans des endroits souhaités.

   La poudre se trouvant dans les zones non agglomérées de la couche est alors éliminée et récupérée par aspiration et une seconde matière en poudre est alors déposée sur la totalité de la section transversale et est sélectivement agglomérée, la matière non agglomérée étant à nouveau éliminée par aspiration. Une troisième matière, etc., peut également être déposée et être sélectivement agglomérée. 



   A l'aide d'une mise en place sélective ou d'une agglomération sélective de matières pulvérulentes présentant des caractéristiques physiques différentes, on réduit le volume de tungstène ou de carbure de tungstène relativement onéreux requis pour le corps de trépan, car cette matière ne sera utilisée qu'aux endroits nécessaires, et on peut réduire la taille de l'ébauche requise ou éliminer entièrement le besoin d'une ébauche classique grâce à l'utilisation d'une matière de matrice essentiellement tenace et ductile dans la majorité du volume du corps de trépan.

   Seule une courte   ébauche"mâle"peut   donc être requise pour souder la queue filetée au corps de trépan, ou les températures relativement basses ou même la température ambiante utilisée dans le processus de fabrication du trépan de l'invention peuvent permettre la fixation de la matrice (par frittage, fusion ou par voie mécanique) à une combinaison   d'ébauche/queue   pendant le processus de 

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 formation de la matrice sans affecter défavorablement les caractéristiques physiques de   l'ébauche/queue.   Il convient, en outre, de noter qu'un troisième type de poudre 208, comme le montre la Fig. 5 peut à présent être déposé d'une manière contrôlée pour former   une"ébauche"simulée   à l'intérieur du corps de trépan si cela est souhaité. 



   Avec l'une quelconque des formes d'exécution qui précèdent du procédé de l'invention et, en particulier, celles dans lesquelles la poudre de métal ou autre définissant la matrice du corps de trépan est assez poreuse et peut être usinée facilement, le corps de trépan 12 en couches et consolidé (mais pas finalement infiltré) est foré, fraisé ou autrement usiné pour fournir un réceptacle destiné à accepter une ébauche de trépan de la configuration voulue. L'ébauche est alors introduite, et fixée dans le corps de trépan 12 pendant son infiltration. Une autre variante prévoit d'éviter la fusion de la matière particulaire dans les régions dans lesquelles une ébauche doit être introduite dans le corps du trépan, afin de définir un réceptacle d'ébauche de la même manière que la définition des passages à fluide. 



   Une autre forme de réalisation préférée de l'invention qui peut utiliser au moins deux poudres différentes dans la matrice diffère des variantes décrites plus haut en ce que seule une enveloppe de trépan externe (une couche à titre d'exemple de cette enveloppe étant l'élément 200 sur la Fig. 5) est formée par le processus de dépôt en couches, et l'enveloppe est alors ultérieurement pourvue de préformes pour définir les passages à fluide internes 34, remplis de la seconde poudre et l'ensemble est infiltré au moyen d'un liant. L'enveloppe forme donc un moule pour la coulée de la grande majorité du corps de trépan, et devient ensuite partie intégrante de celui-ci. 



   Pour exécuter la forme de réalisation particulière du procédé, des particules de carbure de tungstène ou de céramique (soit imprégnées de résine, enrobées de liant ou mélangées avec une résine ou un liant) 

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 peuvent être déposées sur le plateau 102 en une couronne proche de la périphérie externe de la première couche inférieure du corps de trépan. Un laser est alors utilisé pour agglomérer les particules de poudre, et un dépôt contrôlé ultérieur de particules est ensuite effectué pour définir la deuxième couche qui est alors formée et simultanément fondue sur la première couche.

   Pour favoriser une disposition en couches plus uniforme, on peut déposer des couches planes complètes de carbure de tungstène ou de céramique au lieu d'une couronne et (si une deuxième matière doit être utilisée pour l'intérieur du trépan), la matière non agglomérée peut être ultérieurement récupérée, placée dans la trémie et utilisée pour la formation du trépan suivant. Si une telle pratique est adoptée, il devient également relativement aisé de définir tous les passages à fluide internes 34 du corps de trépan 12 en bâtissant des segments de paroi de   passage"superposés"204   (voir Fig. 5). 



  Il est, en outre, envisagé que si la forme de réalisation à"enveloppe"du procédé de l'invention est utilisée, le volume intérieur du corps du trépan peut comprendre un liquide durcissable tel que du fer en fusion, de l'acier ou une substance non métallique comme un polymère, et la seconde poudre ainsi que son infiltration peuvent être éliminées complètement. 



   Il est également envisagé que le procédé de l'invention peut être utilisé pour former des parties de corps de trépan ou des éléments qui peuvent être ultérieurement assemblés en contact abouté et placés dans un moule en vue d'être infiltrés en un seul corps. De cette manière, des configurations de corps de trépan très complexes peuvent être facilement réalisées. Si on le souhaite, les parties ou éléments peuvent être conformés de manière à se verrouiller physiquement pour faciliter l'assemblage et l'infiltration. 



   Comme le montre la Fig. 7 des dessins, un trépan de forage du type à ailettes ou à lames ou une autre configuration de corps de trépan complexe peut être fabriqué 

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 en formant un élément central 400 par le procédé de l'invention avec des rainures, des canaux ou des cavités 402 à proximité de la partie de calibrage 410. Des ailettes ou des lames 404 peuvent également être formées par le procédé de l'invention de manière à s'étendre au-dessus de la face 412 du trépan. L'ensemble 406, maintenu assemblé par le verrouillage des parties de clavetage 408 des lames 404 avec des rainures 402, est alors infiltré comme décrit plus haut pour former une unité complète.

   L'élément central 400 peut également être formé sans rainures 402, et des ailettes ou des lames 404 sans parties de clavetage 408 et les éléments peuvent être simplement placés en contact dans un moule pour infiltration. Les éléments peuvent être collés l'un à l'autre pour l'infiltration ou être maintenus assemblés mécaniquement par des organes d'assemblage, si on le souhaite. Au lieu de former un élément central et des lames séparées, on peut former séparément des éléments ayant la forme de moitiés, de quarts ou d'autres fractions ou parties égales ou inégales de corps de trépan en vue d'un assemblage et d'une unification ultérieure.

   En bref, des éléments de corps de trépan peuvent être définis au choix à l'aide du système CAO, de n'importe quelle manière souhaitée, et peuvent être ultérieurement formés par le procédé de l'invention. 



   Il est également envisagé que d'autres éléments d'un corps de trépan non formés par le procédé de l'invention peuvent être assemblés avec des éléments formés par le procédé de l'invention et fixés à ceux-ci pendant le processus d'infiltration. Par exemple, des éléments usinés ou coulés en métal ou en d'autres matières peuvent être fixés à des éléments fabriqués au moyen des techniques de dépôt en couches de l'invention par infiltration. De plus, des éléments de coupe en diamant thermiquement stable tel que du diamant naturel, ou en compacts de diamant polycristallin thermiquement stable (PDC) peuvent être liés au corps de trépan en couches avant l'infiltration et être fixés à celui-ci pendant le processus d'infiltration.

   Si un 

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 liant à basse température approprié est utilisé pour infiltrer le corps de trépan, des diamants PDC non thermiquement stables peuvent être fixés pendant l'infiltration. D'autres éléments de coupe connus dans le métier tels que des éléments de coupe imprégnés de diamant pressés isostatiques chauds, des éléments de coupe en nitrure de bore cubique ou des éléments de coupe en film de diamant peuvent également être assemblés avec un corps de trépan ou des éléments de corps de trépan formés par le procédé de l'invention, peuvent être infiltrés avec celui-ci et y être fixés par un liant approprié. Evidemment, l'un quelconque et tous les types d'éléments de coupe peuvent être fixés à un corps de trépan après formation et infiltration, d'une manière bien connue.

   Par le terme "éléments de corps de   trépan"utilisé   ici, on entend spécifiquement, sans limitation, des éléments de coupe et des structures de coupe. 



   Une autre forme d'exécution préférée du procédé conforme à l'invention utilise une matière en feuilles, au lieu de poudres ou de matières en particules, pour former la matrice de corps de trépan. Comme le montre la Fig. 6 des dessins, un appareil 300 pour effectuer le procédé comprend au moins un plateau 302, des moyens 304 pour déplacer le plateau 302 par incréments verticaux, un alimenteur de feuilles 306, une tête laser 308 et un calculateur de commande 310. Le distributeur de feuilles 306 peut comprendre un distributeur du type photocopieur et fournir des feuilles individuelles, ou peut comprendre un alimenteur du type à rouleaux avec un rouleau d'alimentation et un rouleau d'envidage, comme on le souhaite.

   En tout cas, une feuille de matière de matrice 312 (qui peut être imperforée ou qui peut comprendre un écran ou une feuille perforée ou poreuse) en un métal approprié tel que du fer ou de l'acier ou une matière non métallique comme une matière composite, est placée sur le plateau 302. La tête laser 308, sous la commande du calculateur de commande 310, peut découper un contour de la périphérie de cette couche du corps de trépan 

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 en cours de formation. La matière en feuilles environnante peut alors être enlevée, si on le souhaite, et une deuxième feuille non découpée 312 et placée sur la première, est reliée à celle-ci par des moyens appropriés après quoi la tête laser 308 découpe le contour périmétrique de la deuxième couche du corps de trépan.

   Si on le souhaite, le laser peut être utilisé pour chauffer rapidement la deuxième couche et la relier à la première avant que la feuille de la deuxième couche 312 ne soit découpée périphériquement. Le procédé le plus courant utilise cependant un rouleau chauffé 314 qui est pressé et roulé par-dessus la couche supérieure 312 avant que la périphérie de cette couche ne soit découpée. 



   Cette liaison peut être effectuée par frittage si la matière en feuilles est du métal ou peut être de nature adhésive. Par exemple, la face supérieure et la face inférieure (ou les deux) de chaque feuille peuvent être revêtues d'une substance de liaison activée par la chaleur ou fusible. Une autre variante implique l'utilisation de couches de matière en feuilles comprenant une feuille perforée ou poreuse, du genre treillis, de matière de matrice imprégnée d'un liant qui peut être fondu ou autrement activé par la tête laser 308 et/ou le rouleau chauffé 314.

   Une autre variante encore prévoit d'alterner des feuilles 312 de matière de matrice avec des feuilles d'une matière liante, ou des couches pulvérulentes d'une matière liante, ou même de pulvériser une matière liante sur la face supérieure de chaque feuille 312 avant de mettre la feuille suivante en place. De plus, et si on le souhaite, des feuilles de matière de matrice peuvent comprendre une couronne d'une matière différente de celle du corps principal de la feuille, et le laser peut être utilisé pour découper la périphérie de la couche, de sorte que la matière de la couronne forme l'enveloppe extérieure du trépan. Il est également envisagé que le laser puisse être utilisé pour découper des segments de passage à fluide internes   34'dans   chaque couche après sa mise en place.

   Comme c'est le cas 

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 avec les autres formes d'exécution décrites plus haut du procédé de l'invention, des éléments du corps de trépan peuvent être formés en vue d'un assemblage ultérieur avec d'autres éléments pour former un corps de trépan. 



   Bien que l'invention ait été décrite en termes de certaines formes de réalisation illustrées et décrites, les hommes du métier se rendront aisément compte qu'elle n'y est pas limitée et que de nombreuses ajoutes ou suppressions et modifications de l'invention décrite peuvent être utilisées sans pour autant sortir du cadre de l'invention telle qu'elle est revendiquée plus loin. Par exemple, un plateau fixe peut être utilisé et la trémie, le rouleau, la tête de fixage, le distributeur de feuilles, etc., associés peuvent être rendus verticalement mobiles. Une tête de soudage par faisceau d'électrons peut être utilisée en lieu et place d'un laser dans des circonstances appropriées. Des trépans peuvent être fabriqués entièrement en des matières non métalliques, si on le souhaite.

   Un mélange de poudre de matrice et d'un adhésif ou d'un liant liquide peut être pulvérisé en couches, ou la poudre de matrice et l'adhésif ou le liant peuvent être pulvérisés de manière séquentielle (voir le brevet US-A-4 884 477 de Smith et al., cédé à la Demanderesse et incorporé ici par cette référence).

   Une matière de matrice pulvérulente peut être produite en forme de feuille avec un liant polymère flexible (voir le brevet US-A-4 919 013 de Smith et al., cédé à la Demanderesse et incorporé au présent mémoire par cette référence) pour former les couches du corps de trépan, la périphérie et les vides souhaités peuvent être découpés dans chaque couche et le polymère peut être éliminé par brûlage avec un laser et la poudre peut être frittée, ou le polymère peut être vaporisé par un liant liquide métallique chaud lorsque le corps de trépan est infiltré.

   Des corps de trépan formés par le procédé de l'invention peuvent être ultérieurement usinés pour recevoir des éléments de coupe sur la face tels que des diamants naturels ou des produits thermiquement stables   (TSP)   qui sont alors liés au corps de trépan pendant son 

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 infiltration. Des particules de diamant peuvent être mélangées avec du carbure de tungstène et peuvent être déposées sélectivement à la périphérie de chaque couche définissant la face du trépan de manière à fournir des trépans dits imprégnés.

   De grandes cavités, des rainures ou d'autres logements peuvent être ménagés dans la face du trépan ou dans sa partie de calibrage et des ensembles d'éléments de coupe préfabriqués, des patins de calibrage en diamant naturel ou des blocs de carbure de tungstène peuvent être fixés au corps de trépan pendant le processus d'infiltration ou après celui-ci, par exemple, par brasage ou par d'autres moyens bien connus dans ce domaine.

Claims (54)

  1. EMI28.1
    R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1. - Procédé pour fabriquer un élément de corps de trépan à lames rotatif (12) à partir d'un modèle massif tridimensionnel dudit élément de corps de trépan (12), caractérisé en ce que : on dépose une première couche sensiblement plane (122,312) de matière de matrice ; on définit une périphérie dans ladite première couche à un premier niveau correspondant à la périphérie de l'élément modèle massif de corps de trépan (12) audit premier niveau ; on dépose une seconde couche sensiblement plane (124,312) de matière de matrice sur la première couche (122,312) ; on fixe la deuxième couche (124,312) à la première couche (122,312) ;
    on définit une périphérie dans la deuxième couche (124,312) à un deuxième niveau correspondant à la périphérie de l'élément modèle massif de corps de trépan (12) audit deuxième niveau ; on dépose une troisième couche et des couches suivantes (312) de matière de matrice sur la deuxième couche (124,312) ; on fixe la troisième couche et les couches suivantes (312) chacune à la couche de matière de matrice inférieure précédente (312) avant d'appliquer la couche de matière de matrice supérieure suivante (312) ;
    on définit une périphérie dans la troisième couche et les couches suivantes (312) correspondant chacune à la périphérie de l'élément modèle massif de corps de trépan (12) d'un niveau correspondant et ce jusqu'à ce qu'un élément de corps de trépan (12) en matière de matrice correspondant quant à sa configuration et à sa dimension à l'élément modèle massif tridimensionnel soit formé. EMI28.2
  2. 2.-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins certaines des couches (122, <Desc/Clms Page number 29> 124,312) de matière de matrice comprennent une matière particulaire non consolidée (120) au moment de son dépôt et en ce que les étapes de fixation des couches (122,124, 312) comprennent une consolidation de la matière particulaire (120).
  3. 3.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on effectue la fixation et la consolidation de chacune des couches non consolidées (122, 124) en chauffant chaque couche (122,124) avant de déposer sur cette couche la couche suivante (124,312) de matière de matrice. EMI29.1
  4. 4.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on effectue la fixation et la consolidation de chacune des couches non consolidées (122, 124) par liaison adhésive avant de déposer sur ladite couche EMI29.2 la couche (124, 312) suivante de matière de matrice.
  5. 5.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé, en outre, en ce qu'on prémélange une matière liante particulaire avec la matière de matrice particulaire (120) avant le dépôt d'une couche particulaire non consolidée (122,124), et on active le liant après ce dépôt pour fixer et consolider la couche déposée (122,124) à la couche inférieure précédente (122,124, 312) de matière de matrice. EMI29.3
  6. 6.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé, en outre, en ce qu'on applique une matière liante sur une couche non consolidée (122,124) de matière de matrice particulaire (120) afin de consolider la couche de matière de matrice non consolidée (122,124) et de la fixer à la couche inférieure précédente (122,124, 312) de matière de matrice. EMI29.4
  7. 7.-Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'on applique la matière liante, par exemple sous une forme particulaire non consolidée, et en ce qu'on la liquéfie ultérieurement afin qu'elle pénètre dans la couche de matière de matrice non consolidée (122, 124), qu'elle consolide la couche de matière de matrice <Desc/Clms Page number 30> particulaire non consolidée (122,124) et qu'elle la fixe à la couche de matière de matrice inférieure précédente (122,124, 312). EMI30.1
  8. 8.-Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'on applique la matière liante à la couche de matière de matrice particulaire non consolidée (122,124) sous une forme liquide et en ce qu'on la fait durcir ultérieurement pour consolider la couche de matière de matrice particulaire non consolidée (122,124) et la fixer à la couche de matière de matrice inférieure précédente (122,124, 312).
  9. 9.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on imprègne, en outre, la matière de matrice particulaire (120) au moyen d'une matière liante avant le dépôt et on active le liant après le dépôt pour consolider la couche non consolidée (122,124) et la fixer à la couche de matière de matrice inférieure précédente (122,124, 312).
  10. 10. - Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'on effectue l'activation par chauffage et en ce qu'elle comprend une liquéfaction au moins partielle.
  11. 11. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins certaines des couches de matière de matrice (122,124, 312) comprennent des feuilles sensiblement planes (312) lorsqu'elles sont déposées.
  12. 12.-Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce qu'on effectue la fixation de chacune des feuilles sensiblement planes (312) par chauffage avant le dépôt de la couche de matière de matrice (124,312) suivante.
  13. 13.-Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'on effectue la fixation de chacune des feuilles sensiblement planes (312) par liaison adhésive avant le dépôt de la couche de matière de matrice (124,312) suivante. <Desc/Clms Page number 31>
  14. 14.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé, en outre, en ce qu'on applique une matière liante sur au moins une face de la matière en feuilles de matrice (312) avant le dépôt.
  15. 15.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que la matière en feuilles de matrice (312) est poreuse.
  16. 16.-Procédé suivant la revendication 15, caractérisé, en outre, en ce qu'on imprègne la matière en feuilles de matrice poreuse (312) d'une matière liante avant le dépôt.
  17. 17.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé, en outre, en ce qu'on dépose une matière liante sur chacune des couches de matière en feuilles de matrice (312) avant de déposer sur celles-ci une autre des couches de matière en feuilles de matrice (312).
  18. 18.-Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 14 et 17, caractérisé en ce qu'on dépose la matière liante sous la forme d'une feuille de préforme.
  19. 19.-Procédé suivant la revendication 17, caractérisé en ce qu'on dépose la matière liante sous la forme d'une poudre. EMI31.1
  20. 20.-Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 14 et 17, caractérisé en ce qu'on dépose la matière liante par pulvérisation.
  21. 21.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que la matière de matrice est constituée d'au moins deux substances différentes présentant des caractéristiques physiques différentes.
  22. 22.-Procédé suivant la revendication 21, caractérisé en ce que l'une au moins desdites au moins deux substances différentes présente une résistance relativement supérieure à l'abrasion et à l'érosion.
  23. 23.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce qu'on effectue la <Desc/Clms Page number 32> fixation de manière sélective afin de laisser des segments non fixés contigus (34') dans au moins certaines des couches (122,124, 312) pour définir des vides (34) dans l'élément de corps de trépan.
  24. 24.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé, en outre, en ce qu'on dépose les couches de matière de matrice (122,124, 312) sur une ébauche d'une matière plus ductile et relativement plus tenace. EMI32.1
  25. 25.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé, en outre, en ce qu'on infiltre l'élément de corps de trépan (12) au moyen d'une matière liante liquide durcissable.
  26. 26.-Procédé suivant la revendication 25, caractérisé en ce que l'infiltration est une infiltration par gravité dans la masse à partir de l'extérieur de l'élément de corps de trépan (12).
  27. 27.-Procédé suivant la revendication 25, caractérisé en ce que le procédé comprend, en outre, la mise en place d'un liant à l'intérieur de l'élément de corps de trépan (12) pendant sa formation et l'infiltration comprend, au moins en partie, une infiltration en place.
  28. 28.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 27, caractérisé en ce que l'élément de corps de trépan à lames rotatif (12) comprend un corps de trépan à lames rotatif (12). EMI32.2
  29. 29.-Procédé suivant la revendication 28, caractérisé, en outre, en ce qu'on ménage des vides dans le corps de trépan (12) pour recevoir une ébauche de trépan et on insère une telle ébauche dans lesdits vides.
  30. 30.-Procédé suivant la revendication 29, caractérisé en ce que l'étape d'aménagement des vides comprend l'usinage des vides d'ébauche de trépan dans le corps de trépan (12).
  31. 31.-Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 29 et 30, caractérisé en ce que l'étape d'aménagement des vides comprend la formation des vides <Desc/Clms Page number 33> d'ébauche de trépan à mesure que le corps de trépan est formé.
  32. 32.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 25 à 28, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, l'étape consistant à fixer une queue de trépan tubulaire filetée (14) au corps de trépan (12). EMI33.1
  33. 33.-Procédé suivant la revendication 32, caractérisé en ce qu'on effectue la fixation de la queue de trépan (14) au corps de trépan (12) en fixant les couches (122,124, 312) de matière de matrice à la queue (14) à mesure que le corps de trépan (12) est formé. EMI33.2
  34. 34.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 28 à 33, caractérisé, en outre, en ce qu'on forme des passages internes dans le corps de trépan (12) pendant la formation même de ce corps de trépan. EMI33.3
  35. 35.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 28 à 31, caractérisé, en outre, en ce qu'on ménage des logements (22) destinés à des éléments de coupe (20) et à des chenaux à fluide (30) sur la face du corps de trépan (12) et à des saignées à ferraille (32) sur la partie de calibrage du corps de trépan (12) pendant la formation même de ce corps de trépan. EMI33.4
  36. 36.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 28 à 35, caractérisé en ce qu'on fixe les couches de matière de matrice (122,124, 312) mutuellement aux périphéries afin de définir une enveloppe extérieure pour le corps de trépan (12) et on prévoit, en outre, une étape de remplissage de l'enveloppe au moyen d'une matière durcissable (142). EMI33.5
  37. 37.-Procédé suivant la revendication 36, caractérisé, en outre, en ce qu'on fixe mutuellement les couches de matière de matrice (122,124, 312) en des endroits sélectionnés à l'intérieur de la périphérie pour définir des passages internes (34) dans le corps de trépan (12).
  38. 38.-Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 36 et 37, caractérisé, en outre, en ce qu'on <Desc/Clms Page number 34> prévoit une matière particulaire (120) dans l'enveloppe, et on infiltre ladite matière particulaire (120) au moyen d'un liant liquide durcissable.
  39. 39.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 36 à 38, caractérisé, en outre, en ce qu'on remplit l'enveloppe au moyen d'une matière liquide durcissable (142). EMI34.1
  40. 40.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 36 à 39, caractérisé, en outre, en ce qu'on dispose des éléments de préforme dans l'enveloppe pour définir des passages internes (34) dans le corps de trépan (12) avant de remplir l'enveloppe au moyen d'une matière durcissable (142).
  41. 41.-Procédé de fabrication d'un corps de trépan à lames rotatif (12) à partir d'un modèle massif tridimensionnel du corps de trépan (12) caractérisé en ce que : on dépose une première couche sensiblement plane (122,312) de matière de matrice ; on définit une périphérie dans la première couche de matrice (122,312) à un premier niveau correspondant à la périphérie d'un premier élément tridimensionnel du modèle massif de corps de trépan (12) audit premier niveau ; on dépose une deuxième couche sensiblement plane (124,312) de matière de matrice sur la première couche (122,312) ; on fixe la deuxième couche (124,312) à la première couche (122,312) ;
    on définit une périphérie dans la deuxième couche (124,312) à un deuxième niveau correspondant à la périphérie du premier élément tridimensionnel du modèle de corps de trépan (12) audit deuxième niveau ; on dépose une troisième couche et des couches suivantes (312) de matière de matrice sur la deuxième couche ; on fixe la troisième couche et les couches suivantes (312) chacune à la couche de matière de matrice <Desc/Clms Page number 35> inférieure précédente (124,312) avant d'appliquer la couche de matière de matrice supérieure suivante (312) ;
    on définit une périphérie dans la troisième couche et chacune des couches suivantes (312) correspondant à la périphérie desdits premiers éléments tridimensionnels du modèle de corps de trépan (12) d'un niveau correspondant jusqu'à ce qu'un élément de corps de trépan (12) correspondant quant à sa forme et à sa dimension audit premier élément tridimensionnel soit formé ; on forme au moins un deuxième élément tridimensionnel du corps de trépan (12), et on assemble le premier élément de corps de trépan (12) et au moins un deuxième élément tridimensionnel du corps de trépan (12) afin de définir un élément plus volumineux du corps de trépan (12).
  42. 42.-Procédé suivant la revendication 41, caractérisé en ce que ledit au moins deuxième élément tridimensionnel est formé en substance de la même manière que le premier élément tridimensionnel. EMI35.1
  43. 43.-Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 41 et 42, caractérisé en ce qu'on assemble ledit premier élément et ledit au moins deuxième élément bout à bout. EMI35.2
  44. 44.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 41 à 43, caractérisé en ce qu'on assemble le premier élément et ledit au moins deuxième élément par verrouillage physique réciproque.
  45. 45.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 41 à 44, caractérisé en ce qu'on fixe ultérieurement lesdits éléments l'un à l'autre. EMI35.3
  46. 46.-Procédé suivant la revendication 45, caractérisé en ce qu'on effectue la fixation par infiltration au moyen d'un liant liquide durcissable.
  47. 47.-Trépan à lames rotatif (10) pour le forage de formations souterraines, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de couches (122,124, 312) de matière de matrice assemblées pour définir un corps de trépan (12), une <Desc/Clms Page number 36> pluralité d'éléments de coupe (20) fixés à une face de trépan sur le corps de trépan (12) et une queue de trépan filetée tubulaire (14), fixée au corps de trépan (12) en opposition à la face de trépan.
  48. 48.-Trépan à lames rotatif (10) suivant la revendication 47, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une matière liante dans les couches de matière de matrice (122,124, 312) et entre celles-ci.
  49. 49.-Trépan à lames rotatif (10) suivant l'une ou l'autre des revendications 47 et 48, caractérisé en ce que lesdites couches (122,124, 312) de matière de matrice comprennent une matière particulaire consolidée (124).
  50. 50. - Trépan à lames rotatif (10) suivant l'une quelconque des revendications 47 à 49, caractérisé en ce que les couches de matière de matrice comprennent une matière en feuilles préformées (312).
  51. 51.-Trépan à lames rotatif (10) suivant l'une quelconque des revendications 47 à 50, caractérisé en ce qu'au moins certaines des couches de matière de matrice (122,124, 312) sont constituées d'au moins deux matières différentes.
  52. 52.-Trépan à lames rotatif (10) suivant l'une quelconque des revendications 47 à 51, caractérisé en ce que le corps de trépan est constitué d'éléments formés séparément, assemblés les uns aux autres après leur formation.
  53. 53.-Trépan à lames rotatif (10) suivant la revendication 52, caractérisé en ce que les éléments formés séparément comprennent des éléments de coupe (20).
  54. 54.-Elément pour un trépan à lames rotatif (10) destiné à forer des formations souterraines, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de couches de matière de matrice (122,124, 312) fixées les unes aux autres dans une forme tridimensionnelle prédéterminée.
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