BR112013018989B1

BR112013018989B1 - Dispositivo e processo para a fabricação ou recarga de uma peça metálica por sinterização e fusão por laser

Info

Publication number: BR112013018989B1
Application number: BR112013018989-4A
Authority: BR
Inventors: Thierry Flesch; Jean-Baptiste Mottin
Original assignee: Snecma
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2019-03-06
Also published as: BR112013018989A2; FR2970887B1; CA2825648A1; RU2598015C2; WO2012104536A3; US9616458B2; CN103338881B; EP2670547B1; RU2013138351A; FR2970887A1; EP2670547B2; CA2825648C; WO2012104536A2; CN103338881A; US20130309420A1; EP2670547A2

Abstract

dispositivo de sinterização e fusão por laser, compreendendo um meio de aquecimento do pó por indução dispositivo para a fabricação ou a recarga de uma peça metálica por sinterização e fusão por laser compreendendo um gerador de raio laser, um meio de desvio do dito raio para varrer a superfície da peça a fabricar (5), uma bandeja de sinterização (6) contendo um pó metálico (7) destinado a cobrir a superfície da peça (5) e a ser fundido pelo raio laser (2) para espessar a dita peça, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos um meio de aquecimento (12) por indução, do pó contido em uma zona da dita bandeja de sinterização.

Description

“DISPOSITIVO E PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO OU RECARGA DE UMA PEÇA METÁLICA POR SINTERIZAÇÃO E FUSÃO POR LASER” [0001] O domínio da presente invenção é aquele da fabricação das peças metálicas e mais particularmente aquele da fabricação dessas peças pela técnica da fusão laser seletiva sobre a camada de pó. Ele abrange também o caso de reparo ou da reconstrução de peças por recarga de matéria.

[0002] A técnica de fabricação de peças por sinterização, seguida de uma fusão por laser ou por um feixe de elétrons, já é conhecida e amplamente aplicada, quando se trata de fabricar uma peça de prototipagem rápida, isto é, de fabricar uma peça de forma complexa em pouco tempo e em pequena quantidade. A sinterização é um processo que permite fabricar peças mecânicas ou outros objetos a partir de pós mais ou menos finos. Em uma primeira etapa, esses pós são aglomerados por diversos processos para constituir uma pré-forma, a qual, em seguida, aquecida para adquirir certa coesão. Uma das técnicas de aquecimento comumente aplicadas para a fabricação de peças metálicas por sinterização é aquela dita da fusão laser. Nesse processo o material é apresentado sob a forma de um pó que se faz fundir sob a ação de um laser de elevada potência (de 200 W a alguns kW). A repetição de um fornecimento de pó e da fusão desta pelo laser permite fazer espessar progressivamente a peça e, pela escolha de um esquema apropriado de varredura pelo laser, obter as formas desejadas.

[0003] O método aplicado para a fabricação dessas peças, quando são fabricadas em liga de titânio de níquel ou base cobalto, como é o caso para as peças aeronáuticas, gera tensões residuais importantes que são devido aos gradientes térmicos gerados pela fusão sucessiva das camadas. Esses gradientes podem aumentar em função da geometria, da espessura, e das mudanças de seções das peças a fabricar. E, em função, dos materiais, as tensões residuais oriundas desses gradientes podem gerar deformações da peça durante a fabricação, e fissuras ou fendas em utilização.

[0004] Importa, portanto, controlar a temperatura no decorrer do processo de fusão e de manter uma temperatura homogênea no pó, a fim de minimizar as

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2/8 tensões residuais, quando da solidificação.

[0005] Para controlar esses gradientes térmicos, diferentes soluções existem, como a utilização de placas aquecedoras, o aquecimento dos pós por convecção ou ainda o pré-aquecimento do pó, utilizando um feixe de alta energia. Todavia, esses métodos apresentam vários inconvenientes. A placa aquecedora se caracteriza por um aquecimento que é localizado unicamente sobre a placa que porta o pó, uma temperatura de pré-aquecimento limitada e um aquecimento homogêneo na espessura da bandeja de fabricação; o aquecimento dos pós por convecção fica localizado sobre a face superior da bandeja de fabricação e não é homogêneo na espessura do pó, enfim, o pré-aquecimento por feixe fica, também, localizado sobre a face superior da bandeja de fabricação e não é também homogêneo na espessura da bandeja de fabricação.

[0006] No conjunto, esses processos só permitem um controle da temperatura muito localizado e não garantem uma temperatura homogênea na peça, em curso de fabricação.

[0007] A presente invenção tem por finalidade prevenir esses inconvenientes, propondo um dispositivo e um método, permitindo prevenir os inconvenientes acima e, portanto, fabricar ou recarregar peças por fusão laser sobre camada de pó, cujas tensões residuais, após solidificação, sejam mínimas.

[0008] Para isso, a invenção tem por objeto um dispositivo para a realização ou a recarga de uma peça metálica por sinterização e fusão por laser, compreendendo um gerador de raio laser, um meio de desvio desse raio para varrer a superfície da peça a fabricar, uma bandeja de sinterização contendo um pó metálico destinado a cobrir a superfície da peça e ser fundido pelo raio laser, para espessar essa peça, caracterizado pelo fato de compreender, além disso, pelo menos um meio de aquecimento por indução, do pó contido em uma zona dessa bandeja de sinterização.

[0009] O aquecimento por indução permite controlar a temperatura da peça e aquele do pó que a envolve e, portanto, comandar os gradientes de temperaturas no seio da peça.

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3/8 [0010] Vantajosamente, a bandeja de sinterização tem a forma de um cilindro, cujas paredes laterais (isto é, as paredes formadas pelas geratrizes do cilindro) sustentam uma pluralidade de meios de aquecimento por indução, essas paredes sendo realizadas em um material não capaz de se aquecer por indução.

[0011] De forma ainda mais vantajosa, o cilindro da bandeja de sinterização comporta um fundo móvel verticalmente (o fundo sendo definido como uma superfície que corta o conjunto das geratrizes do cilindro) as paredes laterais sendo envolvidas por uma pluralidade de camadas de meios de aquecimento, essas camadas espalhando-se por toda a altura de deslocamento do fundo móvel e sendo, cada uma, constituída por uma pluralidade de meios de aquecimento por indução posicionados à mesma distância desse fundo móvel.

[0012] Por esses meios múltiplos de aquecimento, é possível regular a temperatura no valor que se deseja, em cada zona do conglomerado de pó contido na bandeja de sinterização.

[0013] De forma preferencial, a bandeja de sinterização comporta um fundo destinado a receber a peça a fabricar, esse fundo sendo munido de um meio de aquecimento e de regulagem de sua temperatura. Evitam-se assim os eventuais fenômenos de bombeamento térmico nas proximidades do fundo.

[0014] Em um modo particular de realização, o dispositivo compreende, além disso, pelo menos um meio de medida da temperatura do pó em um ponto situado no seio da bandeja de sinterização.

[0015] Preferencialmente, a bandeja de sinterização sustenta um bastão de medida equipado pelo menos com um termopar, esse bastão estendendo-se, de forma a atravessar, pelo menos parcialmente, o conglomerado de pó contido nessa bandeja de sinterização.

[0016] Vantajosamente, o dispositivo compreende, além disso, um meio de regulagem da temperatura de pelo menos um ponto do conglomerado de pó, por intermédio de pelo menos um meio de aquecimento, esse meio de aquecimento sendo comandado, em função, do valor fornecido por esse meio de medida da temperatura do pó.

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4/8 [0017] A invenção se refere a um processo de fabricação ou de recarga de uma peça metálica por sinterização e fusão por laser, essa peça sendo colocada em uma bandeja de sinterização, contendo um pó metálico destinado a ser fundido por um raio laser para espessar essa peça, o processo comportando uma etapa de recobrimento da peça por uma espessura de pó sobre sua superfície a espessar, uma etapa de fusão do pó por uma varredura por esse raio laser, uma etapa de solidificação por resfriamento da matéria fundida, caracterizado pelo fato de compreender, além disso, uma etapa de aquecimento por indução do pó contido nessa bandeja de sinterização.

[0018] Em um modo particular de realização, o aquecimento por indução intervém previamente à fusão por laser.

[0019] Em um outro modo de realização, o aquecimento por indução intervém posteriormente à fusão por laser, de forma a regular a temperatura do pó contido na bandeja de sinterização, no decorrer da fase de solidificação da parte líquida da peça.

[0020] A invenção será melhor compreendida e outras finalidades, detalhes, características e vantagens desta aparecerão mais claramente no decorrer da descrição explicativa detalhada que vai ser feita a seguir, de um modo de realização da invenção, dado a título de exemplo puramente ilustrativo e não limitativo, com referência aos desenhos esquemáticos anexados.

[0021] Nesses desenhos:

- a figura 1 representa uma vista esquemática de uma máquina de sinterização por fusão laser;

- a figura 2 representa uma vista esquemática, em corte vertical, de uma máquina de sinterização por fusão laser, conforme um modo de realização da invenção; e

- a figura 3 representa uma vista de topo da máquina da figura 2.

[0022] Com referência à figura 1, vê-se uma máquina para a fabricação de uma peça metálica por sinterização de fusão laser.

[0023] Um gerador 1 de feixe laser emite um raio laser 2 que dirige sobre um

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5/8 conjunto de espelhos refletores 3, dos quais o espelho 4 é giratório, de forma a assegurar uma varredura da superfície da peça a fabricar 5. Convém anotar que o transporte do feixe laser não é forçosamente assegurado por espelhos, uma fibra óptica podendo ser utilizada, em função do comprimento de onda do laser utilizado, e varredura do feixe laser que pode ser realizada por outros meios como lentes FTheta.

[0024] A peça 5 é colocada sobre uma placa de fabricação 10 situada em frente ao feixe laser 2; ela é, por outro lado, mergulhada em uma bandeja 6 de forma a poder ser regularmente recoberta de uma camada do pó metálico 7 adaptada à sinterização. Uma segunda bandeja 8, de alimentação com pó, é posicionada ao lado da bandeja de sinterização 6 e é cheia desse pó de sinterização 7. Um dispositivo do tipo pistão 9 permite deslocar uma quantidade de pó 7, da bandeja de alimentação 8 para a bandeja de sinterização 6, para recobrir a peça 5 com uma camada de pó de espessura determinada. A espessura dessa camada corresponde àquela da qual pode ser aumentada aquela da peça, no decorrer de um passe de fusão pelo raio laser 2, aos fatores de compactação e de retirada de solidificação aproximadamente. Dispositivos de descida da bandeja de sinterização 6 e de subida da bandeja de alimentação 8 permitem, por um lado, conservar a peça a sinterizar 5 no nível do nivelamento das paredes da bandeja 6 e, por outro lado, levar uma camada de pó metálico 7, tendo a boa espessura, diante do pistão 9 da bandeja de alimentação 8.

[0025] A sinterização da peça 5 e a fusão do pó pelo laser são realizadas por uma sucessão de operações elementares que se desenrolam da seguinte forma: a peça 5 nivelando o alto das paredes da bandeja de sinterização 6, o pistão 9 é deslocado, em direção, dessa bandeja 6 para que coloque a espessura desejada de pó 7 sobre a peça 5, depois é recolocado em posição de espera na extremidade da bandeja de alimentação 8. O feixe laser 2 efetua uma varredura da superfície da peça com o auxílio do espelho oscilante 4, o que provoca a fusão da camada de pó metálico e sua agregação à peça 5, e o que aumenta a espessura deste em consequência. A peça 5 é, em seguida, puxada para baixo para compensar o

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6/8 aumento de sua espessura e para que sua superfície volte ao nivelamento da bandeja de sinterização 6, enquanto que a bandeja de alimentação 8 é levantada para recolocar uma quantidade de pó metálico 7 na face do pistão 9. Esse processo será repetido o número de vezes que for necessário para chegar à geometria e às cotas desejadas para a peça 5.

[0026] Com referência agora às figuras 2 e 3, vê-se um dispositivo que permite a fabricação de peças por sinterização e fusão por laser, de acordo com a invenção.

[0027] A peça a fabricar 5 é colocada sobre a placa de fabricação 10 que é móvel verticalmente sob a ação de um pistão de descida 11, e recoberta com um pó de sinterização 7 levado por um pistão de alimentação 9, proveniente de uma bandeja de alimentação (não representada). No caso, a bandeja de sinterização 6 é representada sob uma forma cúbica, sem que essa forma seja imperativa. No interior das paredes dessa bandeja de sinterização, é mergulhada uma série de indutores 12 ligados a uma alimentação elétrica não representada, e cuja finalidade é dar ao conglomerado de pó a temperatura desejada. Horizontalmente, esses indutores são dispostos regularmente sobre a periferia da bandeja de sinterização 6 de forma a dar ao conglomerado de pó uma temperatura a mais homogênea possível; verticalmente, várias séries de indutores são empilhadas umas em cima das outras, de forma a assegurar o aquecimento do pó, independentemente do tamanho obtido pela peça 5, isto é, independentemente da posição assumida pela placa de fabricação 10 no plano vertical. As séries de indutores se estendem assim até a parte inferior das paredes verticais da bandeja de sinterização 6.

[0028] No meio da bandeja de sinterização, a uma distância das paredes da bandeja de sinterização e da peça a fabricar que é compatível com as operações a realizar, encontra-se um bastão de controle 13 que atravessa a placa de fabricação 10 e que se estende verticalmente por toda a altura da bandeja de sinterização. A placa de fabricação 10 é assim atravessada por um orifício que lhe permite se deslocar verticalmente, em função da progressão do espessamento da peça 5, sem interferir com o bastão de controle 13. Esse bastão apresenta uma pluralidade de meios de medida da temperatura do pó, como, por exemplo, termopares, que são

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7/8 dispostos regularmente pela sua altura. Eles têm vocação para medir a temperatura do pó 7, quando a posição da placa é tal que esses termopares 4 estão acima dessa placa e que estão assim em contato com o pó 7.

[0029] Agora vai ser descrito o funcionamento do dispositivo, de acordo com a invenção, para a fabricação de uma peça por sinterização e fusão laser. O reparo de uma peça por recarga de matéria é feito de forma análoga.

[0030] A fabricação da peça se desenrola sensivelmente da mesma forma que com um dispositivo clássico, isto é, o pó, coletado na bandeja de alimentação 8 é fornecido pelo pistão de alimentação 9 acima da peça 5 da qual se quer aumentar a espessura. Um raio laser 2 é enviado sobre esse pó, segundo um esquema de varredura que descreve a superfície a ser espessada e que faz fundir localmente o pó, de forma a aglomerar a peça existente.

[0031] A invenção se distingue, todavia, pelo fato de o dispositivo ser completado por uma série de indutores 12, cuja função é de regular a temperatura do pó 7, no decorrer da fase de solidificação do metal fundido e de sua aglomeração à peça existente.

[0032] Esses indutores, que equipam o contorno da placa de fabricação e envolvem o artigo em curso de fabricação, constituem um sistema aquecedor para o pó, devido à constituição metálica deste. Eles são separados do pó 7, por intermédio das paredes da bandeja de sinterização 6, que são fabricados em um material que permite o aquecimento por indução do pó, mas que não se aquecem quase sob o efeito das correntes induzidas.

[0033] Esse sistema aquecedor é comandado por um sistema de regulagem da temperatura do pó nessas diferentes zonas, a partir das informações de temperatura medidas pelo bastão de controle 13 e seus termopares 14. Essas medidas de temperaturas permitem comandar o aquecimento dos indutores 12, a fim de regular a temperatura da peça 5 em fabricação e do pó 7 que a envolve. Levando-se em conta o número considerável de indutores presentes em torno da bandeja de sinterização 6, a regulagem da temperatura do pó pode ser realizada por zona, o que dá melhor controle do resfriamento e da solidificação, considerando-se

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8/8 determinados parâmetros particulares conforme, por exemplo, a espessura de matéria já aglomerada em cada ponto da peça e, portanto, suas características locais em termos de condução e de convexão.

[0034] Um programa de comando do aquecimento por indução, cuja atualização está ao alcance de um técnico, define a intensidade elétrica que deve atravessar cada indutor, para se obter a temperatura buscada em cada ponto da bandeja de pó. Conforme a necessidade, uma fase de atualização desse programa pode ser realizada, efetuando-se uma aferição sobre uma peça de referência, para cada um dos tipos de liga, no qual a realização de uma peça é considerada.

[0035] A invenção permite assim, efetuando-se medidas em diferentes alturas com o auxílio dos termos binários 14 do bastão 13, se assegurar da boa temperatura do pó em qualquer ponto da bandeja de fabricação e, portanto, garantir o resfriamento correto da peça 5 no decorrer de sua fabricação.

[0036] O dispositivo pode ser completo por um sistema de aquecimento da placa de atualização da regulagem do sistema para evitar fenômenos de bombeamento que poderiam aparecer, devido à presença no fundo da bandeja 6 de uma placa de fabricação fria. O aquecimento dessa placa pode ser realizado por qualquer meio clássico, tal, por exemplo, que um conjunto de bastões aquecedores que o atravessem em sua espessura.

[0037] Em um modo particular de realização, a posição do bastão de controle 13 pode não ser fixa, mas ser adaptável em função da peça a fabricar e da forma deste. Para isso, vários locais possíveis são previstos para o orifício pelo qual o bastão 13 atravessa a placa de fabricação 10. Pode-se assim afinar as medidas térmicas feitas e otimizar o aquecimento em cada ponto do pó 7.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo para a fabricação ou recarga de uma peça metálica por sinterização e fusão por laser compreendendo um gerador (1) de raio laser (2), um meio de desvio (4) do dito raio para varrer a superfície da peça a fabricar (5), uma bandeja de sinterização (6) contendo um pó metálico (7) destinado a cobrir a superfície da peça (5) e a ser fundido pelo raio laser (2) para espessar a dita peça, caracterizado pelo fato de compreender, adicionalmente, pelo menos um meio de aquecimento (12), por indução, do pó contido em uma zona da dita bandeja de sinterização.
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bandeja de sinterização (6) tem a forma de um cilindro, cujas paredes laterais portam uma pluralidade de meios de aquecimento por indução (12), as ditas paredes sendo fabricadas em um material não suscetível de se aquecer por indução.
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o cilindro da bandeja de sinterização (6) comporta um fundo móvel verticalmente (10), as paredes laterais sendo envolvidas por uma pluralidade de camadas de meios de aquecimento, as ditas camadas sendo empilhadas por toda a altura de deslocamento do fundo móvel, e sendo, cada uma, constituída por uma pluralidade de meios de aquecimento por indução (12) posicionados à mesma distância do dito fundo móvel.
4. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a bandeja de sinterização (6) comporta um fundo (10) destinado a receber a peça a fabricar, o dito fundo sendo munido de um meio de aquecimento e de regulagem de sua temperatura.
5. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um meio de medida (14) da temperatura do pó (7) em um ponto situado no seio da bandeja de sinterização (6).
6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a bandeja de sinterização (6) porta um bastão de medida (13) equipado com

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2/2 pelo menos um termopar (14), o dito bastão estendendo-se de modo a atravessar, pelo menos parcialmente, o conglomerado de pó (7) contido na dita bandeja (6).
7. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que compreender adicionalmente um meio de regulagem da temperatura de pelo menos um ponto do conglomerado de pó (7), por intermédio de pelo menos um meio de aquecimento (12), o dito meio de aquecimento sendo comandado em função do valor fornecido pelo dito meio de medida da temperatura do pó (14).
8. Processo para a fabricação ou recarga de uma peça metálica por sinterização e fusão por laser, a dita peça sendo colocada em uma bandeja de sinterização (6), contendo um pó metálico (7) destinado a ser fundido por um raio laser (2) para espessar a dita peça (5), o processo comportando uma etapa de recobrimento da peça por uma espessura de pó sobre sua superfície a espessar, uma etapa de fusão do pó por uma varredura pelo dito raio laser, uma etapa de solidificação por resfriamento da matéria fundida, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma etapa de aquecimento por indução do pó contido na dita bandeja de sinterização.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o aquecimento por indução intervém previamente à fusão por laser.
10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o aquecimento por indução intervém posteriormente à fusão por laser, de forma a regular a temperatura do pó (7) contido na bandeja de sinterização, no decorrer da fase de solidificação da parte líquida da peça (5).