BR112012033249B1

BR112012033249B1 - Processo de fabricação de uma peça metálica por fusão seletiva de um pó

Info

Publication number: BR112012033249B1
Application number: BR112012033249-0A
Authority: BR
Inventors: Mottin Jean-Baptiste; Cassandre Anne Mereaux Beryl; Martine Jobez Sophie; Chantoiseau Olivier; Le Razer Bruno
Original assignee: Snecma
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2018-06-19
Also published as: EP2588263A1; EP2588263B1; RU2593312C2; RU2013104192A; BR112012033249A2; JP2013534974A; JP5830092B2; FR2962061A1; CN102971099A; CN102971099B; CA2803157A1; FR2962061B1; CA2803157C; US8684069B2; US20130112366A1; WO2012001324A1

Abstract

processo de fabricação de uma peça metálica por fusão seletiva de um pó. a invenção se refere a um processo de fabricação de uma peça metálica (17) por fusão seletiva de um pó (2), que consiste em: - formar camada por camada sobre o prato (6) e ao mesmo tempo que a peça (17), pelo menos um elemento de retenção e de sustentação (21,22) da peça, esse elemento (21,22) sendo afastado e distinto de peça (17) e separado dessa última por um intervalo (23) cheio de pó não fundido, - depois de realização completa da peça (17), retirar, pelo menos em parte, o pó (2) restante no intervalo (23) entre a peça (17) e o elemento (21,22), por exemplo por aspiração, insuflação ou vibração e, - separar a peça (17) do prato (6).

Description

(54) Título: PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UMA PEÇA METÁLICA POR FUSÃO SELETIVA DE UM PÓ (51) Int.CI.: B22F 3/105; B29C 67/00; B23P 15/02; B22F 5/04; B22F 3/00; F01D 5/14 (30) Prioridade Unionista: 01/07/2010 FR 1055281 (73) Titular(es): SNECMA (72) Inventor(es): JEAN-BAPTISTE MOTTIN; BERYL CASSANDRE ANNE MEREAUX; SOPHIE MARTINE JOBEZ; OLIVIER CHANTOISEAU; BRUNO LE RAZER

1/7 “PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UMA PEÇA METÁLICA POR FUSÃO SELETIVA DE UM PÓ”

A presente invenção se refere a um processo de fabricação de uma peça metálica por fusão seletiva de um pó com o auxílio de um feixe de laser ou de feixe de elétrons, um tal processo sendo também conhecido sob os nomes de Direct Metal Laser Sintering ou Electron Beam Melting.

É conhecido na técnica um processo que consiste em fabricar uma peça por fusão de camadas sucessivas de pó com o auxílio de um feixe de laser ou de um feixe de elétrons comandado por um sistema de tratamento da informação no qual foram gravadas as coordenadas tridimensionais dos pontos das camadas sucessivas a realizar. De modo prático, é disposta dentro de uma cuba da qual o fundo é formado por um prato móvel em translação, uma primeira camada de pó como auxílio de um raspador. A camada apresenta então uma superfície inferior que corresponde à superfície do prato e uma superfície superior sobre a qual é dirigido e deslocado o feixe de laser ou o feixe de elétrons. A energia trazida por esse feixe provoca a fusão local do pó que, se solidificando, forma uma primeira camada da peça metálica.

Depois de formação dessa primeira camada, o prato é baixado de uma distância que corresponde à espessura de uma camada, e depois uma segunda camada de pó é trazida pelo raspador sobre a camada precedente. Da mesma maneira que precedentemente, uma segunda camada da peça metálica é formada com o auxílio do feixe.

Essas operações são repetidas até a fabricação completa da peça.

Esse processo pode notadamente ser utilizado para a realização de peças que têm espessuras de parede pequenas, quer dizer compreendidas entre 0,1 e 5 mm por exemplo.

Nesse caso no entanto, em função de sua geometria, a peça a realizar pode 25 apresentar deformações em relação à geometria de referência ou uma rugosidade superior às especificações. De fato, quando se aquece localmente pó, para cada camada, deslocamentos podem se produzir ao nível das zonas de interface entre a parte fusionada ou sinterizada e o resto do pó que é fluido, gerando uma deformação ou uma rugosidade excessiva da peça.

As deformações ou distorções têm como origem as tensões residuais ligadas aos gradientes térmicos. A rugosidade excessiva está ligada à interação entre a camada inferior (pó ou zona precedentemente fundida), o banho líquido e a gravidade.

Esse fenômeno é ainda mais amplificado nas superfícies da peça que são voltadas para baixo. Em especial, quanto menor for o ângulo entre a superfície voltada para baixo e o plano horizontal, maior será a rugosidade dessa superfície da peça.

Um dos problemas importantes é a heterogeneidade da rugosidade em função da orientação das superfícies a construir. É conveniente portanto melhorar e homogeneizar a

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2/7 rugosidade.

A fim de limitar o fenômeno precitado, foi proposto realizar a peça com grandes espessuras, para obter depois de usinagem uma conformidade geométrica e fabricar a peça com enrijecedores que são retirados em seguida por usinagem.

No entanto, as operações de usinagem são longas e custosas e podem gerar deformações geométricas locais da peça ao nível das zonas usinadas.

A invenção tem notadamente como objetivo trazer uma solução simples, eficaz e econômica para esse problema.

Para isso, ela propõe um processo de fabricação de uma peça metálica por fusão 10 seletiva de um pó, que consiste em:

- formar camada por camada sobre o prato e ao mesmo tempo que a peça, pelo menos um elemento de retenção e de sustentação da peça, esse elemento sendo afastado e distinto da peça e separado dessa última por um intervalo cheio de pó não fundido ou não sinterizado,

- depois de realização completa da peça, retirar, pelo menos em parte, o pó que resta no intervalo entre a peça e o elemento, por exemplo por aspiração, insuflação ou vibração e,

- separar a peça do prato.

Dessa maneira, a peça é mantida na posição pelo elemento de sustentação ao longo de toda sua fabricação, evitando assim qualquer deformação nefasta da peça, graças à camada de pó mantida entre a peça e o elemento, que tem também como efeito limitar a rugosidade da superfície correspondente da peça.

Finalmente, a peça sendo distinta do elemento de sustentação e de retenção, quer dizer não ligada rigidamente ou mecanicamente a esse elemento, não é necessário separá25 los por usinagem, o que evita os inconvenientes expostos mais acima.

O suporte é de preferência situado em frente a uma superfície inclinada e voltada para baixo.

De acordo com uma característica da invenção, o elemento de sustentação é afastado da peça de uma distância compreendida entre 50 e 500 μm.

Se essa distância for muito grande, o elemento de sustentação e de retenção não tem mais efeito e a rugosidade da peça ao nível de sua superfície voltada para baixo é grande.

Ao contrário, se essa distância for pequena demais, a rugosidade não é mais reduzida pois existem riscos de colagem pontual, e mesmo de colagem completa do elemento de sustentação e de retenção.

De acordo com uma outra característica da invenção, a distância entre o elemento de sustentação e de retenção e a peça é determinada a partir de um ábaco, em função de

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3/7 parâmetros escolhidos, tais como a rugosidade da peça a obter.

De maneira preferida, a peça metálica, o elemento de sustentação e o prato são submetidos a um tratamento térmico de alívio de tensões antes da separação dos mesmos. São evitadas assim as deformações da peça que seriam devidas a tensões residuais, por ocasião de sua separação do prato.

Vantajosamente, o tratamento térmico de alívio de tensões consiste em aquecer a peça metálica, o elemento e o prato a uma temperatura inferior à temperatura de sinterização do pó metálico, durante um tempo determinado.

Ainda que seja possível retirar em grande parte o pó situado entre a peça e o elemento, uma pequena quantidade de pó pode permanecer presa dentro desse intervalo. A característica precitada permite nesse caso evitar que o pó se fixe sobre a peça por sinterização por ocasião do tratamento de alívio de tensões.

De acordo com uma outra característica da invenção, dois elementos de retenção e de sustentação são formados camada por camada, ao mesmo tempo que a peça, de um lado e de outro da peça, os ditos elementos sendo afastados da peça e separados dessa última por um intervalo cheio com pó não fundido ou sinterizado.

Uma parede da peça pode assim ser mantida de um lado e de outro por elementos de sustentação, o que reduz os riscos de deformação por ocasião de sua fabricação. As rugosidades de cada uma das superfícies da peça situadas em frente aos elementos de sustentação são também melhoradas, assim como a homogeneidade da rugosidade da peça.

De acordo com um modo de realização da invenção, a peça e os elementos são construídos camada por camada por fusão seletiva do pó com o auxílio de um feixe de laser, o pó apresentando uma granulometria média compreendida entre 10 e 50 pm.

De acordo com um outro modo de realização da invenção, a peça e os elementos são construídos camada por camada por fusão seletiva do pó com o auxílio de um feixe de elétrons, o pó apresentando uma granulometria média compreendida entre 50 e 100 pm.

A energia desprendida por um feixe de elétrons sendo superior àquela desprendida por um feixe de laser, o tamanho dos grãos deve ser adaptado.

A peça pode ser separada do prato por corte com fio por eletroerosão. Por outro lado, por ocasião do tratamento térmico de alívio de tensões, os dois elementos são mantidos na posição um em relação ao outro com o auxílio de pelo menos um flange ou de um gastalho, realizado com a pela por fusão seletiva de pó.

De preferência, depois de separação da peça e do prato, a peça é submetida a um tratamento de acabamento. Pode notadamente se tratar de um tratamento de acabamento por atrito.

A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens

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4/7 da invenção aparecerão com a leitura da descrição seguinte feita a título de exemplo não limitativo em referência aos desenhos anexos nos quais:

- a figura 1 é uma vista esquemática de uma instalação de fabricação de uma peça metálica por fusão seletiva de um pó, para execução do processo de acordo com a invenção;

- a figura 2 é uma vista parcial e em perspectiva de um setor de retificador de uma turbomáquina;

- a figura 3 é uma vista esquemática em corte transversal que mostra o posicionamento das lâminas do setor de retificador da figura 2 e dos elementos de sustentação correspondentes, depois de formação completa das lâminas de acordo com o processo da invenção;

- a figura 4 é uma vista que ilustra a fixação dos elementos um no outro com o auxílio de flanges ou de gastalhos.

Uma instalação de fabricação de uma peça metálica por fusão seletiva de um pó é 15 representada na figura 1. Ela compreende um reservatório 1 que contém u pó metálico 2 e do qual o fundo 3 é móvel e deslocável em translação por uma haste 4 de um macaco, e uma cuba próxima 5 da qual o fundo é constituído por um prato móvel 6, também deslocável em translação por uma haste 7 de um macaco.

A instalação compreende por outro lado um raspador 8 que permite levar pó do 20 reservatório 1 para a cuba 5, por deslocamento ao longo de um plano horizontal A, e meios 9 de geração de um feixe de laser ou de um feixe de elétrons, acoplados a um dispositivo 10 que permite orientar e deslocar o feixe 11.

As etapas de fabricação de uma peça metálica com o auxílio dessa instalação são as seguintes.

Primeiramente, o fundo 3 do reservatório 1 é deslocado para cima de maneira a que uma certa quantidade de pó 2 esteja situada acima do plano horizontal A. O raspador 8 é então deslocado da esquerda para a direita, de maneira a raspar a dita camada de pó 2 proveniente do reservatório 1 e levá-la para a cuba 5. A quantidade de pó 2 e a posição do prato 6 são determinadas de modo a formar uma camada 12 de pó de uma espessura escolhida e constante.

Um feixe de laser ou um feixe de elétrons 11 varre em seguida uma zona determinada da camada 12 formada dentro da cuba 5, de maneira a fusionar localmente o pó 2, na zona varrida. As zonas fundidas se solidificam de maneira a formar uma primeira camada 13 da peça a fabricar, essa camada 13 tendo por exemplo uma espessura de 10 a

100 pm.

O prato 6 é então baixado e depois uma segunda camada de pó 2 é trazida, da mesma maneira que precedentemente, sobre a primeira camada de pó. Por deslocamento

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5/7 controlado do feixe 11, uma segunda camada da peça metálica é formada sobre a primeira camada 13.

Essas operações são repetidas até a realização completa da peça.

No caso em que a peça é construída camada por camada por fusão seletiva do pó 2 5 com o auxílio de um feixe de laser, o pó 2 apresenta uma granulometria média compreendida entre 10 e 50 pm.

No caso em que a peça é construída camada por camada por fusão seletiva do pó 2 com o auxílio de um feixe de elétrons, o pó 2 apresenta uma granulometria média compreendida entre 50 e 100 pm.

A invenção visa utilizar um tal processo para a fabricação de peças que têm paredes finas, quer dizer de espessura compreendida entre 0,1 e 5 mm, em especial para a fabricação de peças de uma turbomáquina, tais como pás, setores de retificador de compressor, setores de distribuidor de turbina, bordas de ataque de pás de ventoinha, etc...

Um setor de retificador 14 é representado parcialmente na figura 2. Ele compreende duas virolas coaxiais, respectivamente interna 15 e externa 16, ligadas por lâminas 17 que se estendem radialmente.

A figura 3 ilustra, em corte transversal, lâminas 17 realizadas pelo processo de acordo com a invenção. Cada lâmina 17 apresenta uma superfície de intradorso 18 côncava e uma superfície de extradorso 19 convexa. A superfície de intradorso 18 é voltada para baixo, quer dizer na direção do prato 6, enquanto que a superfície de extradorso 19 é voltada para cima.

O processo de acordo com a invenção consiste em formar camada por camada, a partir do prato 6 ou de um suporte 20 fixado no prato 6, da maneira indicada precedentemente, não somente as lâminas 17 mas também dois elementos de retenção e de sustentação 21, 22 para cada lâmina, dispostos de um lado e de outro dessa última, quer dizer respectivamente em frente às superfícies de intradorso 18 e de extradorso 19, os ditos elementos 21, 22 sendo afastados da lâmina correspondente e separados dessa última por um intervalo 23 cheio de pó 2 não fundido. Isso significa notadamente que as lâminas e os elementos de sustentação não são ligados rigidamente ou mecanicamente, por travessas ou análogos.

Para cada camada, os elementos 21, 22 e a lâmina correspondente 17 são portanto realizados ao mesmo tempo, o intervalo 23 entre os ditos elementos 21, 22 e a lâmina 17 sendo compreendidos entre 50 e 500 pm.

Como indicado acima, os elementos 21, 22 servem para manter em posição a lâmina 35 correspondente 17 ao longo de toda sua fabricação a fim de evitar suas deformações. Além disso a retenção da camada de pó 2 entre a lâmina 17 e os elementos 21, 23 tem como efeito limitar a rugosidade das superfícies de intradorso 18 e de extradorso 19 da lâmina 17.

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Depois de realização completa das lâminas 17, retira-se, pelo menos em parte, o pó 2 que permanece nos intervalos 23 entre as lâminas 17 e os elementos 21,22, por exemplo por aspiração, insuflação ou vibração.

Em seguida, as lâminas 17, os elementos 21, 22, o prato 6 e, se for o caso, os 5 suportes 19, são submetidos a um tratamento térmico de alívio de tensões residuais que consiste em aquecer o conjunto a uma temperatura inferior à temperatura de sinterização do pó metálico 2, durante um tempo determinado.

Por ocasião desse tratamento, paredes finas 24, 25 da peça podem ser mantidas na posição uma em relação à outra com o auxílio de flanges ou de gastalhos 26. Um exemplo de gastalho 26 que liga duas paredes 24, 25 é mostrado na figura 4. Cada gastalho 26 apresenta uma forma em U e pode ser formado camada por camada, por fusão seletiva do pó 2, ao mesmo tempo que as lâminas 17 e que os elementos 21, 22.

As lâminas 17 e os elementos 21, 22 são em seguida separados do prato por usinagem, por exemplo por corte com fio por eletroerosão.

Na invenção, as lâminas 17 sendo distintas dos elementos 21, 22, não é necessário separá-los por usinagem, o que evita os inconvenientes expostos mais acima.

Depois de separação e limpeza completa das lâminas 17 e dos elementos 21, 22, é possível submeter as lâminas a um segundo tratamento térmico. Para isso, as lâminas 17 são montadas de novo em um suporte, entre os elementos 21, 22, um gastalho podendo servir para reter o conjunto. Esse segundo tratamento térmico tem como objetivo a distensão, a conformação e/ou o envelhecimento das pás.

Finalmente, as lâminas 17 são submetidas a um tratamento de acabamento, tal por exemplo como um tratamento de acabamento por fricção, de polimento ou de retirada das rebarbas.

No exemplo de realização da figura 3, cada lâmina 17 é mantida por dois suportes

21, 22, cheios. Esses suportes 21, 22 poderiam no entanto apresentar uma estrutura vazada mais rápida de realizar, que compreende por exemplo um núcleo em colméia ou cruzetas.

Por outro lado, a lâmina 17 poderia ser mantida por um só elemento de retenção e de sustentação 21. Nesse caso, esse elemento é preferencialmente disposto ao nível da superfície de intradorso 18, voltada para baixo. Como indicado acima, é ao nível dessa superfície 18 que os problemas de rugosidade são os maiores.

Depois de fabricação, os elementos de sustentação 21, 22 são fundidos e atomizados para ser reutilizados sob a forma de pó metálico.

No que se segue haverá um interesse na determinação da distância d entre os elementos de sustentação 21, 22 e a peça 17, mais especialmente entre o elemento de sustentação 21 e a peça 17.

Essa distância é definida a partir de ábacos tais como aquele representado na figura

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5, que representa a rugosidade Ra da superfície de intradorso 17 (voltada para baixo) em função da distância d, para um ângulo α dado da superfície de intradorso 17 em relação à vertical, e por uma granulometria e um material dados do pó utilizado.

No caso da figura 5, o material do pó é o Inco 718 e a granulometria do pó está 5 compreendida entre 40 e 50 pm.

Várias curvas 27a, 27b, 27c aparecem na figura 5, representando a rugosidade em função da distância d, respectivamente por ângulos α de 10, 20 e 30°.

Assim, quando o tipo de pó utilizado e o ângulo α da superfície de intradorso 17 são conhecidos, é possível, a partir de uma rugosidade Ra a obter, determinar a distância d necessária, por leitura do ábaco.

É portanto possível predizer e garantir uma homogeneidade de rugosidade nas superfícies da peça realizada por fusão seletiva de ó.

Deve ser notado que, abaixo de um certo valor (dmin) da distância d, existem riscos de colagem parcial, e mesmo de colagem completa, do elemento de sustentação e de retenção 21 à peça 17.

Por outro lado, acima de um certo valor (dmax) da distância d, essa distância não tem mais influência sobre a rugosidade Ra.

No caso em que o ângulo α é de 45° e que o pó é feito de Inco 718 com uma granulometria compreendida entre 40 e 50 pm, dmin é da ordem de 80 pm e dmax é da ordem de 250 pm.

No caso em que o ângulo α é de 30° e que o pó tem uma granulometria compreendida entre 40 e 50 pm, é possível obter uma rugosidade Ra da ordem de 14 pm se o pó é feito de Maraging 300, e uma rugosidade Ra da ordem de 11 pm de o pó é feito de Inco 718.

Os testes mostraram que os resultados obtidos não são os mesmos em função do valor do ângulo α ou em função do tipo de pó utilizado (material, granulometria).

Os ábacos foram estabelecidos pela Requerente, pela construção de corpos de prova que apresentam várias superfícies inclinadas para baixo, cujos ângulos variam de uma superfície para a outra. Por outro lado, os corpos de prova foram construídos para diferentes distâncias d entre os suportes e as superfícies em questão. Isso permitiu estabelecer a variação da rugosidade Ra em função do ângulo α e da distância d. Tais ábacos foram estabelecidos para vários materiais diferentes de pó (Inco 718, Maraging 300, ...) e para diferentes granulometrias.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de fabricação de uma peça metálica (17) por fusão seletiva de um pó (2), o método consistindo em:

- formar camada por camada (12) sobre o prato (6) e ao mesmo tempo que a peça

5 (17), pelo menos um elemento de retenção e de sustentação (21, 22) da peça, o elemento (21, 22) sendo afastado da peça (17) e separado dessa última por um intervalo (23) preenchido de pó (2) não fundido,

- depois de realização completa da peça (17), retirar pelo menos em parte o pó (2) restante no intervalo (23) entre a peça (17) e o elemento (21, 22), por exemplo por

10 aspiração, insuflação ou vibração e,

- separar a peça (17) do prato (6), caracterizado pelo fato de que a distância (d) entre o elemento de retenção e de sustentação (21, 22) e a peça (17) é determinada a partir de um ábaco, em função de parâmetros escolhidos, tais como a rugosidade da peça a ser obtida.

15 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de sustentação (21, 22) é afastado da peça (17) de uma distância compreendida na faixa de 50 pm a 500 pm.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a peça metálica (17), o elemento de sustentação (21, 22) e o prato (6) são submetidos a um

20 tratamento térmico de alívio de tensões antes de serem separados uns dos outros.

4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico de alívio de tensões consiste em aquecer a peça metálica (17), o elemento (21, 22) e o prato (6) a uma temperatura inferior à temperatura de sinterização do pó metálico, durante um tempo determinado.

25 5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que dois elementos de retenção e de sustentação (21, 22) são formados camada por camada juntos com a peça (17) em qualquer lado da peça (17), os ditos elementos (21, 22) sendo afastados da peça (17) e separados dessa última por um intervalo (23) preenchido de pó (2) não fundido.

30 6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a peça (17) e os elementos (21, 22) são construídos camada por camada por fusão seletiva do pó (2) com o auxílio de um feixe de laser, o pó (2) apresentando uma granulometria média compreendida na faixa de 10 pm a 50 pm, ou com o auxílio de um feixe de elétrons, o pó (2) apresentando uma granulometria média compreendida na faixa de 50

35 pm a 100 pm.

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o ou cada elemento de sustentação (21, 22) é vazado e compreende meios

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2/2 de enrijecimento, tais como cruzetas por exemplo.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a peça (17) é separada do prato (6) por corte com fio por eletroerosão.

9. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que, por 5 ocasião do tratamento térmico de alívio de tensões, os dois elementos (21,22) são mantidos em posição um em relação ao outro com o auxílio de pelo menos um flange (26).

10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que depois que a peça (17) foi separada do prato (6), a peça (17) é submetida a um tratamento de acabamento.

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