BR112019004402B1 - Processo de fabricação de uma peça feita de material eletrocondutor por fabricação aditiva - Google Patents
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Abstract
Processo de fabricação de pelo menos uma peça (8) feita de material eletrocondutor por fabricação aditiva sobre leito de pó, caracterizado pelo fato de que ele compreende as etapas que consistem em fabricar a peça sobre uma placa de sustentação de uma primeira máquina de fabricação aditiva, camada por camada, a dita peça sendo delimitada por uma porção de superfície de contorno externo que está em frente e espaçada da dita placa de sustentação, e que é ligada à dita placa de sustentação por pelo menos uma ponte física de sustentação da peça, prever um elemento de referência (51) sobre a placa de sustentação em uma posição predeterminada, montar a dita placa de sustentação sobre uma segunda máquina (60) de corte da dita pelo menos uma peça, e utilizar um fio (62-66) da dita segunda máquina para cortar por eletroerosão a dita pelo menos uma peça passando para isso o mesmo entre a dita pelo menos uma peça e a dita placa de sustentação, ao longo e ao nível da dita porção de superfície.
Description
[0001] A presente invenção se refere a um processo de fabricação de uma peça feita de material eletrocondutor e de seu referencial para a reparação de usinagem, por fabricação aditiva em especial sobre leito de pó.
[0002] É conhecido fabricar peças por fabricação aditiva, em especial no domínio aeronáutico. Diferentes técnicas existem e uma das técnicas consiste em fusionar pó por meio de um feixe de alta energia tal como um feixe de laser (tecnologia SLM, acrônimo de Selective Laser Melting). Na prática, um leito de pó é depositado sobre uma placa de sustentação e é varrido pelo feixe de laser para fabricar a peça camada por camada, uma terceira camada de pó fusionado sendo disposta acima de uma segunda camada que é ela própria disposta acima de uma primeira camada.
[0003] A placa de sustentação tem a mesma natureza que o pó e serve como superfície de partida e de engate, e depois de referência à peça que é fabricada em cima dela. A peça é nesse caso soldada à placa de sustentação e deve ser separada da mesma no fim de fabricação.
[0004] A separação da peça da paca de sustentação é em geral realizada por corte da peça em um plano paralelo à placa de sustentação. A peça é em geral reparada por usinagem para colocar a mesma em dimensões predeterminadas. O corte pode ser feito por serragem ou por eletroerosão pela tecnologia EDM (acrônimo de Electrical Discharge Machining), que tem a vantagem de reduzir os esforços mecânicos sobre as peças.
[0005] A tecnologia EDM é executada conhecendo para isso precisamente a posição no espaço da peça a cortar, e portanto conhecendo para isso as coordenadas da peça de acordo com as referências XYZ. No entanto, a fabricação aditiva por SLM não permite o seguimento dessas referências com a técnica atual. O corte é portanto em geral realizado o mais próximo possível da placa de sustentação e a peça cortada é reparada por usinagem, o que obriga a montar a mesma sobre uma máquina de reparação, o que é longo e custoso.
[0006] Existe portanto uma necessidade de simplificar a dessolidarização de uma peça realizada por fabricação aditiva de uma placa de sustentação, por meio de uma técnica de corte de acordo com um perfil preciso e industrialmente aplicável a fim de limitar e mesmo de suprimir as operações posteriores de reparação da peça.
[0007] A presente invenção propõe uma solução simples, eficaz e econômica a esse problema.
[0008] A invenção propõe com essa finalidade um processo de fabricação de pelo menos uma peça feita de material eletrocondutor por fabricação aditiva sobre leito de pó, que compreende uma etapa que consiste em: a) por meio de uma primeira máquina de fabricação aditiva, fabricar a dita pelo menos uma peça sobre uma placa de sustentação, camada por camada, a dita peça sendo delimitada por uma porção de superfície de contorno externo que está em frente e espaçada da dita placa de sustentação, e que é ligada à dita placa de sustentação por pelo menos uma ponte física de sustentação da peça, caracterizado pelo fato de que ele compreende por outro lado as etapas que consistem em: b) por meio da dita primeira máquina de fabricação aditiva, fabricar um elemento de referência sobre a placa de sustentação em uma posição predeterminada à distância da dita peça, de modo a que a dita pelo menos uma peça esteja localizada dentro do espaço em relação ao dito elemento de referência, c) montar a dita placa de sustentação sobre uma segunda máquina de corte da dita pelo menos uma peça, e posicionar a mesma sobre a dita máquina em função da posição do dito elemento de referência, d) utilizar um fio da dita segunda máquina para cortar por eletroerosão a dita pelo menos uma peça passando para isso o mesmo entre a dita pelo menos uma peça e a dita placa de sustentação, ao longo e ao nível da dita porção de superfície.
[0009] O processo de acordo com a invenção utiliza assim duas máquinas, uma primeira máquina de fabricação aditiva e uma segunda máquina de corte por eletroerosão. De acordo com a invenção, uma mesma placa serve de suporte para a peça por ocasião de sua fabricação e por ocasião de seu corte. Para isso, a placa de sustentação compreende um elemento de referência que permite localizar precisamente a peça sobre a placa de sustentação, o que facilita a operação de corte. De fato, a montagem da placa de sustentação sobre a segunda máquina permite que a segunda máquina conheça precisamente a posição da peça tendo em vista seu corte, graças ao elemento de referência. O corte da peça pode nesse caso ser realizado de acordo com uma trajetória complexa e em especial não paralela à placa de sustentação. O corte pode ser realizado com as dimensões terminadas da peça. A invenção permite assim suprimir as operações da técnica anterior, posteriores ao corte da peça, e que consistem notadamente em posicionar precisamente a peça de acordo com as referências XYZ e em proceder a sua reparação por usinagem.
[0010] O processo de acordo com a invenção pode compreender uma ou várias das características ou etapas seguintes, tomadas isoladamente umas das outras ou em combinação umas com as outras: - a etapa b) é realizada antes, durante ou depois da etapa a), - várias peças idênticas são fabricadas simultaneamente na etapa a), e compreendem porções de superfície de contorno externo que são alinhadas de modo a que o dito fio corte simultaneamente o conjunto das peças na etapa d), - a dita peça ou cada uma das ditas peças é fabricada na etapa a) com pelo menos uma coluneta de sustentação, que é suprimida por corte na etapa c), - a dita pelo menos uma coluneta de sustentação preenche pelo menos em parte pelo menos um orifício transpassante da peça ou de cada uma das ditas peças, - a dita porção de superfície ou cada uma das ditas porções de superfície é não paralela à dita placa de sustentação, - a dita ponte física forma um degrau com a dita porção de superfície ou com cada uma das ditas porções de superfície, o dito degrau tendo uma espessura configurada para facilitar a tomada de origem da usinagem ou de corte e mesmo também o fim do corte pelo dito fio na etapa d), e - o dito elemento de referência é realizado por fabricação aditiva simultaneamente ou sucessivamente à fabricação da ou das peças.
[0011] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens da invenção aparecerão mais claramente com a leitura da descrição seguinte feita a título de exemplo não limitativo e em referência aos desenhos anexos nos quais; - a figura 1 é uma vista bastante esquemática de uma máquina de fabricação aditiva sobre leito de pó; - a figura 2 é uma vista esquemática em perspectiva de uma peça realizada com o processo de acordo com a invenção, - as figuras 3 a 5 representam etapas de realização de peças por meio de uma primeira máquina de fabricação aditiva, - as figuras 6 e 7 representam etapas de corte de peças por meio de uma segunda máquina, e - a figura 8 é uma vista esquemática em perspectiva de uma das peças obtidas pelas etapas ilustradas nas figuras 3 a 7.
[0012] Existem dois tipos de fabricação aditiva de uma peça: ou a peça é realizada por depósitos sucessivos de matéria fundida, ou a peça é realizada por fusão seletiva sobre leito de pó como ilustrado na figura 1.
[0013] A máquina 6 da figura 1 permite fabricar uma peça 8 por exemplo aeronáutica por fusão seletiva de camadas de pós por feixe de alta energia.
[0014] A máquina 6 compreende um tanque de alimentação 10 que contém pó de um material eletrocondutor, um rolo 12 para transvasar esse pó a partir desse tanque 10 e espalhar uma primeira camada 14 desse pó sobre uma placa 16 de sustentação de construção (pode se tratar de um suporte maciço, de uma parte de uma outra peça ou de uma grade de sustentação utilizada para facilitar a construção de certas peças).
[0015] A máquina 6 compreende também um tanque de reciclagem 18 para recuperar uma ínfima parte do pó gasto (em especial não fundido ou não sinterizado) e a maior parte do pó em excesso, depois de espalhamento da camada de pó sobre a placa de sustentação 16. Assim, a maior parte do pó do tanque de reciclagem 18 é composta por pó novo ou reciclado. Por consequência, esse tanque de reciclagem 18 é comumente chamado pela profissão de tanque de excedente ou de cinzeiro.
[0016] A máquina 6 compreende também um gerador 20 de feixe de laser 22, e um sistema de comando 24 próprio para dirigir esse feixe 22 sobre qualquer região da placa de sustentação 16 de modo a varrer qualquer região de uma camada de pó. A conformação do feixe de laser e a variação de seu diâmetro no plano focal são feitas respectivamente por meio de um dilatador de feixe 26 e de um sistema de focalização 28, o conjunto constituindo um sistema óptico.
[0017] Esse dispositivo para aplicar o processo assimilável a um processo de depósito direto de metal ou DMD (acrônimo do inglês Direct Metal Deposition) em um pó pode utilizar qualquer feixe de alta energia no lugar do feixe de laser 22, desde que esse feixe seja suficientemente energético para no primeiro caso fundir ou no outro caso formar colarinhos ou pontes entre as partículas de pó e uma parte do material sobre o qual as partículas repousam.
[0018] O rolo 12 pode ser substituído por um outro sistema de deposição apropriado, tal como uma dobadoura (ou tremonha) associada a uma lâmina de raspagem, a uma faca ou a uma escova, própria para transvasar e espalhar o pó em camada.
[0019] O sistema de comando 24 compreende por exemplo pelo menos um espelho 30 orientável sobre o qual o feixe de laser 22 se reflete antes de atingir uma camada de pó da qual cada ponto da superfície se encontra situado sempre na mesma altura em relação à lente de focalização, contida no sistema de focalização 28, a posição angular desse espelho 30 sendo comandada por uma cabeça galvanométrica para que o feixe de laser varra pelo menos uma região da primeira camada de pó, e acompanhe assim um perfil de peça pré-estabelecido.
[0020] A máquina 6 funciona do seguinte modo. Uma primeira camada 14 de pó de um material é depositada com o auxílio do rolo 12 sobre a placa de sustentação 16, esse pó sendo transvasado a partir de um tanque de alimentação) 10 por ocasião de um movimento de ida do rolo 12 e depois ele é raspado, e eventualmente ligeiramente compactado, por ocasião de um (ou de vários) movimento(s) de volta do rolo 12. O excedente de pó é recuperado dentro do tanque de reciclagem 18. Uma região dessa primeira camada 14 de pó é levada, por varredura com o feixe de laser 22, a uma temperatura superior à temperatura de fusão desse pó (temperatura liquidus). A cabeça galvanométrica é comandada de acordo com as informações contidas na base de dados da ferramenta informática utilizada para a concepção e a fabricação assistidas por computador da peça a fabricar. Assim, as partículas de pó 32 dessa região da primeira camada 14 são fundidas e formam um primeiro cordão 34 de uma só peça, solidário com a placa de sustentação 16. Nesse estágio, é possível também varrer com o feixe de laser várias regiões independentes dessa primeira camada para formar, depois de fusão e solidificação da matéria, vários primeiros cordões 34 disjuntos uns dos outros. A placa de sustentação 16 é abaixada de uma altura que corresponde à espessura já definida da primeira camada (entre 20 e 100 μm e em geral de 30 a 50 μm). A espessura da camada de pó a fusionar ou a consolidar permanece um valor variável de uma camada para a outra pois ela é bastante dependente da porosidade do leito de pó e de sua planura enquanto que o deslocamento pré-programado da placa de sustentação 16 é um valor invariável com exceção da folga. Em seguida é depositada uma segunda camada 36 de pó sobre a primeira camada 14 e sobre esse primeiro cordão 34, e depois é aquecida por exposição ao feixe de laser 22 uma região da segunda camada 36 que está situada parcialmente ou completamente acima desse primeiro cordão 34, de tal modo que as partículas de pó dessa região da segunda camada 36 são fundidas, com pelo menos uma parte do primeiro cordão 34, e formam um segundo cordão 38 de uma só peça ou consolidado, o conjunto desses dois cordões 34 e 38 formando assim um bloco. Com essa finalidade, o segundo cordão 38 já está vantajosamente inteiramente ligado desde que uma parte desse segundo cordão 38 se liga ao primeiro cordão 34. É compreendido que de acordo com o perfil da peça a construir, e notadamente no caso de superfície em contrarrebaixo, é possível que a região precitada da primeira camada 14 não se encontre, mesmo parcialmente, embaixo da região precitada da segunda camada 36, de modo que nesse caso o primeiro cordão 34 e o segundo cordão 38 não formam então um bloco de uma só peça. Esse processo de construção da peça camada por camada é prosseguido em seguida acrescentando para isso camadas suplementares de pó sobre o conjunto já formado. A varredura com o feixe 22 permite construir cada camada dando para isso a ela uma forma em acordo com a geometria da peça a realizar. As camadas inferiores da peça se resfriam mais ou menos rápido e à medida que as camadas superiores da peça são construídas.
[0021] A fim de diminuir a contaminação da peça, por exemplo com oxigênio dissolvido, com óxido(s) ou com um outro poluente por ocasião de sua fabricação camada por camada tal como descrita acima, essa fabricação deve ser efetuada dentro de um recinto com grau de higrometria controlada e adaptada ao par processo/material, cheio com um gás neutro (não reativo) em relação ao material considerado tal como o nitrogênio (N2), o argônio (Ar), ou o hélio (He) com ou não adição de uma pequena quantidade de hidrogênio (H2) conhecido por seu poder redutor. Uma mistura de pelo menos dois desses gases pode ser também considerada. Para impedir a contaminação, notadamente pelo oxigênio do meio circunvizinho, é costume colocar esse recinto em sobrepressão.
[0022] Assim de acordo com o estado da arte atual, a fusão seletiva ou a sinterização seletiva por laser permite construir com uma boa precisão dimensional peças pouco poluídas das quais a geometria em três dimensões pode ser complexa.
[0023] A fusão seletiva ou a sinterização seletiva por laser utiliza por outro lado de preferência pós de morfologia esférica, limpos (quer dizer não contaminados por elementos residuais que provêm da síntese), muito finos (a dimensão de cada partícula é compreendida entre 1 e 100 μm e de preferência entre 45 e 90 μm), o que permite obter um excelente estado de superfície da peça terminada.
[0024] A fusão seletiva ou a sinterização seletiva por laser permite por outro lado uma diminuição dos prazos de fabricação, dos custos e das despesas fixas, em relação a uma peça moldada, injetada ou usinada na massa.
[0025] As figuras 2 e seguintes ilustram um modo de realização do processo de acordo com a invenção.
[0026] A figura 2 ilustra um exemplo de peça 8 que pode ser fabricado por meio de máquina 6, essa peça 8 tendo aqui uma forma complexa. Ela tem globalmente uma forma plana e espessa, da qual o contorno é substancialmente em forma de seção longitudinal de uma batata. Ela apresenta assim duas faces, respectivamente dianteira 40 e traseira 42, substancialmente paralelas, e uma superfície de contorno 44 que acompanha o contorno precitado sendo para isso substancialmente perpendicular às faces 40, 42 precitadas. As faces 40, 42 são aqui substancialmente verticais no exemplo representado.
[0027] A peça 8 compreende por outro lado um orifício 46 transpassante substancialmente cilíndrico, do qual as extremidades desembocam respectivamente nas duas faces dianteira 40 e traseira 42.
[0028] A superfície de contorno 44 da peça 8 compreende uma porção inferior 44a orientada para baixo, e uma porção superior 44b orientada para cima.
[0029] Uma primeira etapa do processo representada na figura 3 consiste em utilizar uma máquina 6 de fabricação aditiva tal como aquela representada na figura 1 para realizar a peça 8 da figura 2 sobre uma placa de sustentação 16. A peça 8 de forma complexa deve ser sustentada para não se abater devido a tensões de fabricação. A porção inferior 44a de superfície de contorno da peça, que fica em frente à placa de sustentação 16, é assim ligada à placa de sustentação por pelo menos uma ponte física 48 de sustentação da peça. A ponto física 48 é aqui substancialmente vertical e se estende em toda a espessura da peça 8. Do mesmo modo, a porção superior 46a da superfície cilíndrica interna do orifício 46 é ligada por colunetas de sustentação 50 substancialmente verticais à porção inferior 46b dessa superfície cilíndrica, de modo a sustentar a matéria em decorrer de fabricação situada verticalmente acima do orifício 46.
[0030] É compreendido que a porção inferior 44 a da superfície de contorno 44 é uma porção fictícia enquanto a peça não for cortada. A ponte física 48 precitada se estende em toda a extensão da porção 44, quer dizer até as zonas de junção das porções 44a, 44b. Nessas zonas, a ponte física 48 compreende sobre-espessuras de maneira a criar degraus 52 para facilitar a tomada de referência do corte por um fio, por exemplo feito de latão, como será explicado mais em detalhe no que se segue.
[0031] Como está visível na figura 4, várias peças 8 idênticas podem ser fabricadas simultaneamente sobre a placa de sustentação 16. As peças 8 são aqui fabricadas sendo para isso dispostas umas ao lado das outras e espaçadas umas das outras. As peças 8 são dispostas de modo a que suas superfícies de contorno 44 estejam alinhadas, assim como seus orifícios 46.
[0032] Uma outra etapa do processo, que pode intervir antes, durante ou depois da etapa de fabricação das peças 8, consiste em prever um elemento de referência 51 sobre a placa de sustentação. No exemplo representado, o elemento de referência 51 é uma barrinha adaptada sobre a face superior da placa de sustentação 16 na proximidade das peças 8. Ela se estende aqui substancialmente paralelamente ao eixo dos orifícios 46 ou o eixo da peça. Ela tem em seção transversal uma forma substancialmente retangular.
[0033] Vantajosamente, o elemento de referência 51 é fabricado simultaneamente às peças 8, e portanto por fabricação aditiva. É portanto o sistema informático associado à máquina 6 de fabricação aditiva que determina com precisão as posições relativas das peças 8 e do elemento de referência 51.
[0034] Depois de conclusão das peças 8 por fabricação aditiva, a placa de sustentação 16 é desmontada da primeira máquina 10 e montada sobre uma segunda máquina 60 de corte por eletroerosão. A máquina é parcialmente e muito esquematicamente representada por um esquadro de montagem na figura 6.
[0035] A placa de sustentação 16 é posicionada com precisão em uma referência ortonormatizada XYZ sobre a máquina 60. É o elemento de referência 51 que permite que a placa 16 esteja em uma posição precisa sobre a máquina 60. Para isso, a máquina 60 pode ser equipada com um apalpador ou compreender meios destinados a vir em batente sobre o elemento de referência 51. A placa 16 é nesse caso deslocada em translação de acordo com os eixos Y e Z e/ou em rotação em torno do eixo X até que o elemento de referência esteja corretamente posicionado e que sua posição seja registrada pelo sistema informático associado à máquina 60, a placa 16 está então ligada ao esquadro de montagem.
[0036] As posições das peças 8 em relação ao elemento de referência 51 são conhecidas, e suas formas e dimensões também são conhecidas. Esses dados são registrados no software informático da máquina 60, o que lhe permite determinar as trajetórias do fio de corte.
[0037] O corte é realizado por eletroerosão, o fio sendo alimentado com uma corrente elétrica. O fio é deslocado na matéria a cortar e descargas elétricas entre a matéria (eletrocondutora) e o fio provocam um corte da matéria por eletroerosão.
[0038] A ponte física 48 tem de preferência uma espessura ao nível dos degraus 52 que é pelo menos igual a 1 mm (medida no plano da peça 8 considerada) de modo a permitir a passagem do fio de corte 46 entre a peça e a placa de sustentação, o fio tendo um diâmetro no máximo igual a 1 mm no exemplo representado.
[0039] No exemplo representado na figura 7, o fio (esquematicamente representado pelos traços pontilhados 62) é primeiramente inserido nos orifícios 46 das peças, que são parcialmente obturados pelas colunetas 50, e o fio é deslocado em torno do eixo dos orifícios 46 para cortar as colunetas em suas extremidades e definir assim as superfícies cilíndricas dos orifícios 46 das peças, de acordo com duas etapas sucessivas.
[0040] O fio (esquematicamente representado pelos traços pontilhados 64) é em seguida deslocado ao longo das porções 44a das peças começando para isso por introduzir o fio ao nível dos degraus 52 de um lado das peças 8 e terminado assim o corte pelos degraus do lado oposto (o fio na saída sendo esquematicamente representado pelos traços pontilhados 66).
[0041] É obtida então uma série de peças 8 cortadas nas dimensões terminadas, tal como aquela representada na figura 8.
Claims (7)
1. Processo de fabricação de pelo menos uma peça (8) feita de material eletrocondutor por fabricação aditiva sobre leito de pó, que compreende uma etapa que consiste em: a) por meio de uma primeira máquina (10) de fabricação aditiva, fabricar a dita pelo menos uma peça sobre uma placa de sustentação (16), camada por camada, a dita peça sendo delimitada por uma porção (44a) de superfície de contorno externo (44) que está em frente e espaçada da dita placa de sustentação, e que é ligada à dita placa de sustentação por pelo menos uma ponte física (48) de sustentação da peça, caracterizado pelo fato de que ele compreende por outro lado as etapas que consistem em: b) por meio da dita primeira máquina (10) de fabricação aditiva, fabricar um elemento de referência (51) sobre a placa de sustentação em uma posição predeterminada à distância da dita peça, de modo a que a dita pelo menos uma peça esteja localizada dentro do espaço em relação ao dito elemento de referência, c) montar a dita placa de sustentação sobre uma segunda máquina (60) de corte da dita pelo menos uma peça, e posicionar a mesma sobre a dita máquina em função da posição do dito elemento de referência, d) utilizar um fio (62-66) da dita segunda máquina para cortar por eletroerosão a dita pelo menos uma peça passando para isso o mesmo entre a dita pelo menos uma peça e a dita placa de sustentação, ao longo e ao nível da dita porção de superfície.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que várias peças (8) idênticas são fabricadas simultaneamente na etapa a), e compreendem porções (44a) de superfície de contorno externo que são alinhadas de modo a que o dito fio (62-66) corte simultaneamente o conjunto das peças na etapa c).
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a dita peça (8) ou cada uma das ditas peças é fabricada na etapa a) com pelo menos uma coluneta de sustentação (50), que é suprimida por corte na etapa d).
4. Processo de acordo com a reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma coluneta de sustentação (50) preenche pelo menos em parte pelo menos um orifício (46) transpassante da peça (8) ou de cada uma das ditas peças.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a dita porção de superfície (44a) ou cada uma das ditas porções de superfície é não paralela à dita placa de sustentação (16).
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a dita ponte física (48) forma um degrau (52) com a dita porção de superfície (44a) ou com cada uma das ditas porções de superfície, o dito degrau (52) tendo uma espessura configurada para facilitar a tomada de origem de corte e mesmo também o fim do corte pelo dito fio na etapa d).
7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o dito elemento de referência (51) é realizado simultaneamente ou sucessivamente à fabricação da ou das peças (8).
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