EP3481582A1 - Procede de fabrication additive utilisant des elements de surface discrets - Google Patents

Procede de fabrication additive utilisant des elements de surface discrets

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Publication number
EP3481582A1
EP3481582A1 EP17742505.5A EP17742505A EP3481582A1 EP 3481582 A1 EP3481582 A1 EP 3481582A1 EP 17742505 A EP17742505 A EP 17742505A EP 3481582 A1 EP3481582 A1 EP 3481582A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
elements
support
welded
pass
series
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17742505.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Martin
Arnaud De Ponnat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mecachrome France SAS
Original Assignee
Mecachrome France SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mecachrome France SAS filed Critical Mecachrome France SAS
Publication of EP3481582A1 publication Critical patent/EP3481582A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/1215—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/1205—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using translation movement

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of additive manufacturing.
  • this term denotes the set of methods for making by adding material, layer by layer, a physical object from a previously defined digital object.
  • additive manufacturing processes are the opposite of material removal or subtractive processes, which make it possible to obtain metal objects from thick plates or hollow cylinders.
  • Metal objects can also be obtained from forged blanks or foundry crudes near the ribs.
  • the corresponding ratio can be as high as 30: 1, particularly in the field of aeronautics, where it is called "Buy to Fly ratio" in English terminology.
  • the control of the melting is difficult and the deposited material may, after solidification, have defects. That is why it is necessary to practice a nondestructive control of any volume built on the support.
  • the rate or rate of removal of the metal is relatively low.
  • the deposition rate can only reach 5 to 10 kg / h, when producing metal parts for the aeronautical industry.
  • the object of the invention is to overcome these drawbacks by proposing a radically different additive manufacturing process of high efficiency.
  • the invention relates to a method of additive manufacturing of a blank of a metal object from a digital object, by supplying metallic material on a support itself metal, combined with a supply of energy, characterized in that the supply of metallic material in the form of a plurality of discrete surface elements is provided, the supply of energy making it possible to weld said elements to said support in at least two passes, namely a first pass and a second pass , each surface element being defined by a length in which it is welded to said support, a height in which it protrudes from said support after having been welded thereto, and a thickness in a substantially perpendicular plane to that defined by the height and length of the element, the height of the element being greater than its thickness, the method comprising a step of removing material, r dry-stamped at least one of said elements of the first pass before making the second pass.
  • This method makes it possible to rough out a metal object more rapidly, the removal rate metal being much more important when it is brought in the form of discrete surface elements whose height is greater than the thickness, than when it is in the form of powder or wire.
  • the cost of the material in the form of surface elements is much lower than that of a material in powder or wire form.
  • the metal support and the surface elements can come from the same room, which allows the blank to be made with a single material from the same batch material.
  • At least one of said elements of the first pass comprising at least one face by which it is intended to be soldered to an element of another pass, the step of removing the material is carried out on said at least one face;
  • the elements of the first pass are welded to the support, spaced from each other;
  • the removal of material is of the type assisted by a cryogenic fluid
  • the elements are welded successively, a material removal step being performed after the deposition of an element, for at least a portion of said elements;
  • the elements are welded in a first series of which at least two are spaced and a second series being interposed in the space or spaces formed between the elements of the first series, a material removal step performed at dry being provided in said one or more spaces, between the welding of the first series and that of the second series;
  • a step of removing material is carried out on the support
  • this step is performed before the welding of discrete surface elements on the support and consists of delimiting the areas of the support intended to receive said elements to achieve an end-to-end assembly;
  • this step is performed between two elements welded successively on the support, in a direction substantially perpendicular to the direction in which said elements extend;
  • At least two elements are welded together before being welded to the support;
  • said elements and said support come from the same piece.
  • the invention also relates to a device for the additive manufacturing of a blank of a metal object from a digital object, said device comprising means for welding discrete metal surface elements on a metal support itself and means to perform a removal of material on said elements and / or said support.
  • It also relates to a method of manufacturing a metal object from a blank obtained by the method according to the invention described above, this manufacturing method comprising a step of removing material on this blank to obtain said metal object.
  • the invention finally relates to a blank of a metal object and a metal object obtained by the methods according to the invention.
  • the invention relates to a metallic component of an aircraft obtained by the methods according to the invention, that is to say a component of the structure of the aircraft or its propulsion means.
  • Figures 1 to 4 are perspective views illustrating the implementation of the method according to the invention on a plane support.
  • Figure 4A illustrates a detail of Figure 4.
  • Figures 5 to 9 are perspective views illustrating a variant of the implementation of the method according to the invention on a plane support.
  • Figure 10 is a view of the metal object obtained from the blank shown in Figures 4 and 9.
  • Figure 11 is a perspective view illustrating the implementation of the method according to the invention on a cylindrical support, with discrete surface elements.
  • Figure 12 is a top view of detail A of Figure 11.
  • Figure 13 is a perspective view illustrating the implementation of another variant of the method according to the invention on a cylindrical support with discrete surface elements.
  • FIG. 14 is a view from above of detail A of FIG. 13.
  • Figures 15 to 18 are perspective views illustrating another alternative embodiment of the invention on a plane support.
  • Figure 19 is a perspective view illustrating another alternative embodiment of the method according to the invention on a plane support.
  • Figures 20 and 21 are two perspective views, illustrating another variant of the method illustrated in Figures 5 to 9.
  • Fig. 22 is a perspective view illustrating another step of the method according to the invention.
  • This additive manufacturing process is intended to obtain a blank of the metal object illustrated in FIG.
  • this object is decomposed into discrete surface elements.
  • these discrete elements have the largest possible dimensions, given the geometry of the object to be obtained and the welding capacity of the technology implemented.
  • the discrete surface elements 1, 1 'and 2 have a trapezoidal shape.
  • the elements 1 and 1 have an isosceles trapezoidal section, while the elements 2 have a rectangular trapezoidal section.
  • the element 1 is defined by two faces 16 forming an isosceles trapezium, with two parallel bases 10 and 11, the length L of the base 10 being greater than the length 1_ of the base 11.
  • the two bases 10 and 11 are connected by two sides 12 and 13 having the same inclination with respect to the base 10 and relative to the base 11.
  • Each pair of sides 12 or 13 defines a side face 14, 15 extending between the bases 10 and 11.
  • Each element 1 has a height h corresponding to the distance between the bases 10 and 11.
  • Each element 1 also has a thickness e which is counted between the two faces 16 or in a plane substantially perpendicular to that defined by the height h and the length L or _1.
  • Element 2 is illustrated in more detail in Figure 4A.
  • It is defined by two substantially flat faces 26 and having the shape of a rectangle trapezium.
  • Each trapezoidal face is defined between two parallel bases 20 and 21, the base 20 having a length L 2 greater than the length I 2 of the base 21.
  • the element 2 has a height h corresponding to the distance between the bases 20 and 21 and a thickness e corresponding to the distance between the two trapezoidal faces 26 and which is therefore measured in a plane substantially perpendicular to that defined by the height h and the length L or _1.
  • Each pair of sides 22 or 23 defines a side face 24, 25 extending between the bases 20 and 21.
  • the face 24 is perpendicular to the bases 20 and 21.
  • the bases 20 define a face 27 and the bases 21 a face 28, the faces 27 and 28 being substantially parallel.
  • This element 2 can be obtained by cutting an element 1.
  • the height h of the elements 1 or 2 is greater than their thickness e.
  • the discrete surface elements are then made, for example by cutting in a metal sheet.
  • FIG. 1 illustrates a first step of the method in which metal elements 1 are welded to the support 3, also metallic, in a first arc of a circle. This is a T (or L) assembly.
  • the elements 1 are welded to the support 3 by their face 17 defined by the bases 10, that is to say along their great length L.
  • This step corresponds to a first pass.
  • the welding of the elements 1 can be carried out by any suitable method and in particular a linear friction welding (LFW for Linear Friction Welding in the English terminology) or a pressure method using high temperature plasmas (for example an SPS process) for Spark Plasma Sintering in English terminology or a process of sputter welding or flash butt welding in English terminology).
  • a linear friction welding process is a solid phase welding process, the materials not being melted, and which does not require filler materials.
  • the assembly is performed by rubbing against one another the surfaces to be assembled, under a controlled pressure.
  • the advantages of solid state welding are the preservation of the properties of the materials as well as the possibility of assembling between heterogeneous materials.
  • a method of the SPS type is based on the use of high temperature plasmas, momentarily generated between powder particles, by an electric discharge.
  • the heating and cooling speeds are high and the temperature maintenance is generally short.
  • the densification of the material can therefore be done at a relatively low temperature, which qualifies this method of fusion welding process.
  • the next step of the process consists of a removal of material, such as a machining, on the elements 1.
  • the removal of material can also be achieved by grinding. This step is illustrated in Figure 2.
  • This material removal step is performed dry.
  • cryogenic fluid that is to say with a liquid nitrogen supply or C0 2 .
  • a machining lubricant is intended to reduce friction on cutting objects and to remove some of the heat generated by deformation, breakage, and friction during cutting. .
  • a cryogenic fluid necessarily has the effect of evacuating heat efficiently and quickly and without contaminating the support.
  • cryogenic fluid performs the function of a machining lubricant, which does not pollute the support.
  • This step of removing material is intended to remove the burrs that may result from the previous welding step and, in general, to prepare the side faces 14 and 15 of the elements 1 already welded which will be in contact and be welded with other elements that will be welded to the support in a second pass.
  • the faces 14 and 15 facing two successive elements 1 of the first series of elements welded to the support will be machined.
  • the removal of material on the faces 14 and 15 makes it possible to remove the burrs at this level and to adjust the clearances for the subsequent welding of the elements (see FIG. 3).
  • the support 3 will be subjected to a material removal step, such as machining, between two successive elements 1 of this first series and in a direction substantially perpendicular to that in which these elements 1 extend. passage of the material that will escape from the interface between the elements welded in a second pass and the support 3.
  • a portion of the two faces 16 of an element 1 will be machined.
  • the references 16b and 16c identify the two zones of the faces 16 of an element 1 which are machined. These two lateral zones are in the extension of the faces 14 and 15 and surround the central zone 16a which protrudes with respect to these lateral zones.
  • FIG. 3 illustrates the next step of the method, in which the second pass consists in welding a second series of elements 1 'which are interposed in the spaces formed between the elements 1 of the first series, illustrated in FIG. 1 This is made possible by the fact that all the elements 1, 1 have the same shape and the elements 1 are spaced by a length _1.
  • FIG. 3 thus illustrates the elements 1 of the first series and the elements 1 'of the second series which are all welded on the support 3 with the exception of a single element 1'.
  • Figure 3 shows that the elements are welded to the support 3 by their short length _1, or by their face 18 'defined between their bases 11', and on the faces 15, 14 of the adjacent elements 1 by their faces 15 'and 14'.
  • the elements 1 and the are therefore arranged head to tail.
  • the elements are welded to both the support and the elements 1 by any suitable welding process and, preferably, by a non-fusion welding process, as previously described.
  • the method according to the invention is again implemented to obtain the second arc 5 formed of three elements 1, welded to the support by their long length L or by their face 17 and by two elements welded to the support by their short length _1, corresponding to their face 18 ', the elements being interposed between two elements 1 spaced from the length _1.
  • a step of removing material is carried out on the elements 1 and on the support 3, between the elements 1 previously welded, before proceeding to the welding of the elements 1 'on the support 3 and on the elements 1.
  • This second arc 5 is concentric to the first arc 4 and has a length less than that of the latter.
  • the bar 6 connecting the two circular arcs 4 and 5 is obtained by welding on the support 3 an element 1 ', by its base 11 of length 1, and both on the support and on the element 1' and an element 1 of the arc 4 or the arc 5, an element 2 as shown in Figure 4A.
  • a material removal step is carried out on the element 1' and on the support 3, in particular for eliminating burrs and machining the surfaces 14 'and 15' of the element 1 '.
  • FIG. 4 illustrates the result obtained which consists of a blank of the object 9 illustrated in FIG.
  • the invention is not limited to the method which has just been described and, in particular, the elements 1, 1 'may not be welded in two successive series but for example be welded successively or by series comprising a lower number of elements or a higher number of series (or passes). Similarly, two elements could be previously welded together before being welded to the support. This can, for example, be the case for the element 1 'and the two elements 2 forming the bar 6.
  • This element 2 ' is obtained from a block extracted from a support 3' whose thickness is greater than that of the support 3 (for example equal to twice this thickness) thanks to machining operations.
  • the method is not limited to the shape of the elements 1, 1 'and 2 which have been illustrated in Figures 1 to 4A. It is understood that the shape of the discrete surface elements can be adjusted according to the final object to obtain. In particular, the elements successively welded to the support do not necessarily have identical shapes.
  • the method can advantageously be implemented with elements which are, in a very large proportion, of identical or almost identical size and shape.
  • These standard elements may represent at least 90% of the metallic material provided to produce an object with the method according to the invention.
  • these standard elements depend on the welding capacity of the technology used and can be adapted to the specificities of the object to be manufactured. These standard elements can therefore vary in shape and dimensions from one object to another.
  • the elements are defined so that the surfaces to be welded have a substantially identical shape and dimensions.
  • the blank of the object to be produced could comprise more than one layer of elements welded to the support, that is to say at least two successive layers, as is conventional in an additive manufacturing process.
  • these steps do not cause deformation of the support or surface elements when they are assisted by a cryogenic fluid.
  • FIGS. 5 to 9 illustrate an alternative embodiment of the method illustrated in FIGS. 1 to 4.
  • the discrete surface elements 1, 1 'and 2 described with reference to FIGS. 1 to 4A are taken directly from the support 3.
  • the recesses 31 correspond to elements 1 or 1', while the recesses 32 correspond to the elements 2.
  • the elements and the support come from the same piece, which contributes to the quality of the object finally obtained.
  • This method also differs from the previous one in that removal of material is carried out on the support 3 before any discrete surface element is assembled thereon.
  • This removal of material including machining, consists of delimiting the areas of the support on which the discrete surface elements will be welded.
  • the zone 33 of the support is at the same level as the rest of the upper face 30 of the support and is surrounded by a zone 34 (shown shaded) whose level is lower than that of the upper face 30 of the support.
  • the zone 33 thus delimited comprises a first zone 34 in an arc whose concavity and length correspond to the first arc of circle 4 of the blank; a second zone 35 in an arc substantially concentric with the zone 34 and whose length corresponds to the second circular arc 5 and a right zone 36 connecting the zones 34 and 35 and corresponding to the positioning and the length of the bar 6 of the 'draft.
  • each zone 34, 35, 36 corresponds substantially to the thickness e of each element 1, 1 ', 2.
  • This prior machining of the support 3 will allow for an end-to-end assembly of the elements of discrete surface on the support, that is to say an assembly in which the contact surfaces of two welded parts are identical.
  • FIG. 6 illustrates the next step of the method in which the metal elements 1 are welded to the first arcuate zone 34 as well as to the second arcuate zone 35.
  • the elements 1 are spaced from each other, an element 1 being present at each end of the zones 34 and 35.
  • the elements 1 are welded to the zones 34 and 35 by their face 17 defined by the bases 10, that is to say along their great length L.
  • the elements 1 are spaced from each other by a distance corresponding to their short length _1.
  • This step corresponds to a first pass of the process.
  • the welding of the elements 1 is preferably carried out by a non-fusion welding process.
  • the next step of the process consists of a removal of material on the elements 1.
  • this material removal step is carried out dry and it is preferably assisted by a cryogenic fluid.
  • This material removal step concerns the faces 14 and 15 facing two successive elements 1 of the first series of elements welded to the support, as well as the faces 16 of the elements 1.
  • the faces 16 of the elements 1 are only partially machined so as to delimit a central zone 16a which protrudes with respect to the zones 16b and 16c located on either side of this central zone 16a and in the extension of the lateral faces 14 and 15.
  • first and second zones 34 and 35, as well as the right zone 36, are subjected to a step of removal of material between two successive elements of this first series. This removal of material is carried out in a direction substantially perpendicular to that in which the elements 1 extend.
  • these material removals are intended to prepare the surfaces of elements 1 already welded which will be in contact and welded with other elements, welded in a second pass.
  • FIG. 8 illustrates the result obtained after welding of the second series of elements 1 'which are positioned in the spaces formed between the elements 1 of the first series.
  • these elements are welded to the first zone 34 or the second zone 35 by their surface 18 'defined between their bases 11'.
  • FIG. 8 illustrates the beginning of the third pass in which an element 1 'and two elements 2 will be soldered on the right zone 36 to obtain a bar 6.
  • the third pass of the method according to the invention consists here in welding an element 2 on one of the elements 1 located on either side of the zone 36, so that its right face 24 is welded to the zone 16a of the element 1 and that its base
  • the surface of the zone 16a coincides with the right face 24 to make an end-to-end connection.
  • the element is then welded, this element being welded to the zone 36 by its face 18 'and on the inclined face 25 of the element 2 already welded, by its face 15'.
  • the second element 2 is welded to both the zone 36 by its face 27, on the face 14 'of the element 1' and on the face 16a of the element 1 already welded and present on the second zone 35. .
  • the inclined face 25 of the element 2 advantageously makes an angle with its bases 20 and 21 which is complementary to that made by the inclined faces 14 'and 15' with the bases 10 'and 11' of the element 1 '.
  • FIG. 9 illustrates the blank obtained at the end of this third pass of the method and which corresponds to the object illustrated in FIG.
  • Figure 20 is a view similar to Figure 6 in which the elements 1 have a greater thickness. These elements have been welded according to the two arcuate zones 34 and 35, as illustrated in FIG. 6.
  • a material removal step is then carried out on the faces 14 and 15 facing two successive elements 1 as well as the faces 16 of the two elements 1 facing each other and present on the zones 34 and 35. This removal of material is performed on the central portion of the faces 16 so as to create a face 16d complementary to the face 15 'of the element 1' which will subsequently be welded.
  • the removal of material is also performed on the right zone 36 and the arcuate zones 34 and 35, between two elements 1 already welded.
  • FIG. 21 is a view similar to FIG. 9 and illustrates the result obtained after elements 1 'have been placed in the spaces formed between the elements 1 of the first series (illustrated in FIG. 20) and welded on the zones 34 and also on the elements 1. Furthermore, an element has also been welded to the right zone 36 between the two elements 1 vis-à-vis to form the bar 6. Its size is adapted to the space between the two elements 1.
  • FIG. 22 illustrates a second layer of elements 1 and partially formed on the first layer illustrated in FIG. 9 and more precisely on the first circular arc 4.
  • This second layer 4 ' is, like the first, made by first welding the elements 1 on the first layer, removing the material on the side faces 14 and 15 of the elements 1 vis-à-vis and possibly on their faces 16 and by welding the elements 1 'on the elements 1 already welded.
  • This second layer may or may not extend along the entire arc 4 and it may also be performed on all or part of the bar 6 and / or the second arc 5.
  • the object 9 illustrated in Figure 10 is obtained by cutting the support 3 and proceeding to a suitable material removal step.
  • the process according to the invention is much less expensive to implement, the discrete surface elements being a low realization cost given the volume provided, compared to a metal powder, for example.
  • the rate of metal deposition is considerably increased compared with conventional processes using a powder or wire, insofar as the metallic material is provided in the form of a surface element whose height is substantially greater than the thickness. .
  • FIGS. 15 to 18 illustrate another variant of the method illustrated in FIGS. 1 to 4.
  • material is removed on the support 3 before any discrete surface elements are assembled on it.
  • this removal of material is not carried out along the entire length of the arc 4 as in the variant of the method illustrated in FIG. 5, but only on portions of an arc having a length L 'slightly greater than the long length L of an element 1, the.
  • FIG. 15 illustrates a series of six pairs of grooves 37a, 38a of length L '.
  • the grooves 37a extend along a first arc 37.
  • the grooves 38a extend along a second arc 38 whose radius is smaller than that of the first arc 37.
  • Two adjacent pairs of grooves 37a, 38a are spaced from each other by a distance l less than the short length 1 of an element 1, 1 '.
  • the thickness E of the support 3 between two grooves 37a, 38a of the same pair is substantially equal to the thickness e of each element 1, 1 ', 2.
  • FIG. 16 illustrates the next step of the method in which each metal element 1 is welded to an arcuate zone 39 delimited between two grooves 37a and 38a.
  • the elements 1 are welded to the zones 39 by their face 17 defined by the bases 10, that is to say along their great length L.
  • the elements 1 are spaced from each other by a distance corresponding to their short length _1.
  • This step corresponds to a first pass of the process.
  • the welding of the elements 1 is preferably carried out by a non-fusion welding process.
  • the next step of the process consists of a removal of material on the elements 1.
  • this material removal step is carried out dry and it is preferably assisted by a cryogenic fluid.
  • This material removal step concerns the faces 14 and 15 facing two successive elements
  • the faces 16 of the elements 1 are machined only partially so as to delimit a central zone 16a projecting from the zones 16b and 16c situated on either side of this zone. Central 16a.
  • the support 3 is subjected to a material removal step between two successive elements of this first series.
  • This removal of material is carried out in a direction substantially perpendicular to that in which the elements 1 extend.
  • these material removals (shown with hatching) are intended to prepare the surfaces of elements 1 already welded which will be in contact and welded with other elements, welded in a second pass.
  • FIG. 18 illustrates the result obtained after welding of the second series of elements 1 'which are positioned in the spaces formed between the elements 1 of the first series.
  • these elements are welded to the support 3 by their surface 18 'defined between their bases 11'.
  • the method according to the invention is implemented to produce a flange 70 on the periphery 71 of one of these ends.
  • This flange 70 is here formed using three types of discrete surface elements: elements 1 and 1 which have previously been described, in particular with reference to FIGS. 1 to 4A (represented with hatching), and another type of element 8 which is defined by two substantially flat faces 86 and having the shape of a parallelogram.
  • Each face 86 is defined by two parallel bases 80 and 81 which have the same length L.
  • These two bases 80 and 81 are connected by two pairs of sides 82 and 83 which are parallel and which have a length 1. less than L.
  • Each pair of sides 82 or 83 defines a side face for an element 8.
  • the method consists firstly in welding an element 8 on the support 7 at the periphery 71.
  • This first element 8 is welded along its base 80, that is to say along its length L.
  • the method then consists in proceeding to a material removal step to prepare the lateral surface defined between the sides 83 and for the support 7 to have a passage for the material that will escape from the interface between the 8 next element which will be welded on the support, in the counterclockwise direction.
  • a first series of elements 8 is welded to the support 7, the elements 8 being welded one after the other.
  • the dimensions of the elements 8 are chosen so that between the first element 8 of the series and the last element 8 welded on the support 7, a space corresponding to the bulk of two elements 1 can be arranged head-to-tail .
  • the last step of the method consists in welding the element 1 on the first element 8 of the series as well as on the support 7, via its surface 17, defined between its two bases 10; the element 1a on the last element 8 of the series, as well as on the support 7 via its surface 18 'defined between its bases 11' and the two elements 1 and 1 'by their faces 15 and 15' in vis-à-vis.
  • the flange blank thus obtained may be subject to a subsequent machining step to obtain a metal object.
  • FIGS. 13 and 14 illustrate a variant of the method illustrated in FIGS. 11 and 12.
  • the flange 72 is obtained from discrete surface elements, of the type of the element 1 described with reference to the preceding figures.
  • the method is implemented by first welding on the cylindrical support 7 a first series of elements 1 (represented with hatching) by their face 17 defined between the bases 10, that is to say according to their large size. length L.
  • a material removal step is then performed on both the elements 1 and the support 7.
  • the method then consists in welding a second series of elements 1 ', both on the support 7 and on the elements 1, the elements being interposed in the spaces formed between the elements 1 of the first series.
  • Figures 13 and 14 show that the elements 1 and the are arranged head to tail.
  • the blank thus obtained may also be machined to obtain the desired object.
  • the bases 10, 10 '; 11, 11 'and 80, 81 of the elements 1, 1' and 8 slightly concave.
  • the flanges could also be obtained by producing at least two successive layers.
  • the metal elements used for the implementation of the process are made of a titanium alloy or a nickel alloy, known to be difficult to machine.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive d'une ébauche d'un objet métallique à partir d'un objet numérique, par apport de matière métallique sur un support lui-même métallique, combiné à un apport d'énergie. On réalise l'apport de matière métallique sous forme de plusieurs éléments de surface discrets (1, 1', 2), l'apport d'énergie permettant de souder les éléments sur le support (3) en au moins deux passes à savoir une première passe et une deuxième passe, chaque élément de surface étant défini par une longueur (L, l) selon laquelle il est soudé sur le support, une hauteur (h) selon laquelle il s'étend en saillie par rapport au support après avoir été soudé sur celui- ci, et une épaisseur (e) dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui défini par la hauteur (h) et la longueur (L, l) de l'élément, la hauteur de l'élément étant supérieure à son épaisseur, le procédé comportant une étape d'enlèvement de matière réalisée à sec d'au moins un des éléments de la première passe avant réalisation de la deuxième passe.

Description

PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE UTILISANT DES ELEMENTS DE SURFACE DISCRETS
La présente invention concerne le domaine technique de la fabrication additive.
On désigne classiquement par ce terme l'ensemble des procédés permettant de fabriquer par ajout de matière, couche par couche, un objet physique à partir d'un objet numérique, préalablement défini.
Ces procédés de fabrication additive sont à l'opposé des procédés par retrait de matière ou soustractifs , qui permettent d'obtenir des objets métalliques à partir de plaques épaisses ou de cylindre creux.
Des objets métalliques peuvent également être obtenus à partir de bruts ébauchés en forgeage ou de bruts de fonderie proches des côtes.
Cependant, tous ces procédés nécessitent l'utilisation d'une quantité de matière importante par rapport à celle présente dans la pièce finale. Le rapport correspondant peut aller jusqu'à 30 :1, notamment dans le domaine de l'aéronautique, où il est dénommé « Buy to Fly ratio» dans la terminologie anglaise .
De plus, ils nécessitent la mise en œuvre de moyens industriels lourds et entraînent des coûts de réalisation très importants qui augmentent avec les dimensions de l'objet à fabriquer.
C'est pourquoi se développent des procédés de fabrication additive pour obtenir des objets métalliques qui procèdent par apport local de métal par exemple sous forme de poudre ou de fil, et d'énergie par exemple sous forme d'un faisceau laser, d'un faisceau d'électrons, d'un arc électrique ou de plasma. Ces procédés sont communément dénommés DMD (Direct Métal Déposition) dans la terminologie anglaise .
On peut ainsi prévoir un flux de gaz entraînant de la poudre métallique, se déplaçant au-dessus d'un support métallique avec un faisceau laser qui provoque la fusion de la poudre, laquelle se dépose dans l'état fondu sur le support lui-même légèrement fondu et se solidifie sur celui-ci. Chaque déplacement des faisceaux permet de créer une couche qui se superpose aux précédentes. De façon générale, la hauteur de chaque couche après fusion est inférieure à l'épaisseur du cordon déposé.
Ces procédés sont notamment proposés dans le domaine de l'aéronautique pour réduire la quantité de matière totale utilisée par rapport à celle de la pièce finale et réduire de façon générale les coûts de fabrication.
Ces procédés présentent cependant des inconvénients .
En effet, le dépôt de métal en fusion entraine de fortes contraintes lors de sa solidification et donc des déformations du support.
De plus, le contrôle de la fusion est difficile et la matière déposée peut, après solidification, présenter des défauts. C'est pourquoi il est nécessaire de pratiquer un contrôle non destructif de tout volume construit sur le support.
Par ailleurs, la vitesse ou le taux de dépose du métal est relativement faible. A titre d'exemple, pour du titane TA6V, le taux de dépose peut seulement atteindre de 5 à 10 kg/h, lors de la réalisation de pièces métalliques destinées à l'industrie aéronautique .
Enfin, le coût du métal sous forme de poudre ou de fil est relativement élevé, ce qui contribue encore à rendre coûteuse la mise en œuvre des procédés de fabrication additive.
L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication additive radicalement différent et d'une grande efficacité.
Ainsi, l'invention concerne un procédé de fabrication additive d'une ébauche d'un objet métallique à partir d'un objet numérique, par apport de matière métallique sur un support lui-même métallique, combiné à un apport d'énergie, caractérisé en ce que l'on réalise l'apport de matière métallique sous forme de plusieurs éléments de surface discrets, l'apport d'énergie permettant de souder lesdits éléments sur ledit support en au moins deux passes à savoir une première passe et une deuxième passe, chaque élément de surface étant défini par une longueur selon laquelle il est soudé sur ledit support, une hauteur selon laquelle il s'étend en saillie par rapport audit support après avoir été soudé sur celui-ci, et une épaisseur dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui défini par la hauteur et la longueur de l'élément, la hauteur de l'élément étant supérieure à son épaisseur, le procédé comportant une étape d'enlèvement de matière, réalisée à sec d'au moins un desdits éléments de la première passe avant réalisation de la deuxième passe.
Ce procédé permet de réaliser une ébauche d'un objet métallique plus rapidement, le taux de dépose du métal étant beaucoup plus important lorsqu' il est apporté sous forme d'éléments de surface discrets dont la hauteur est supérieure à l'épaisseur, que lorsqu'il est sous forme de poudre ou de fil.
Par ailleurs, le coût du matériau sous forme d'éléments de surface est beaucoup plus faible que celui d'un matériau sous forme de poudre ou de fil.
Enfin, le support métallique et les éléments de surface peuvent provenir de la même pièce, ce qui permet de réaliser l'ébauche avec un seul matériau provenant du même lot matière.
Dans des modes de réalisation avantageux, on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
- au moins un desdits éléments de la première passe comprenant au moins une face par laquelle il est destiné à être soudé à un élément d'une autre passe, l'étape d'enlèvement de la matière est réalisée sur ladite au moins une face ;
- les éléments de la première passe sont soudés sur le support, espacés les uns des autres ;
- l'enlèvement de matière est du type assisté par un fluide cryogénique ;
- l'enlèvement de matière est réalisé avec un apport d'azote liquide ou de C02 ;
- les éléments sont soudés successivement, une étape d'enlèvement de matière étant réalisée après le dépôt d'un élément, pour au moins une partie desdits éléments ;
- les éléments sont soudés selon une première série dont au moins deux sont espacés puis d'une deuxième série venant s'intercaler dans le ou les espaces formés entre les éléments de la première série, une étape d'enlèvement de matière réalisée à sec étant prévue dans ledit ou lesdits espaces, entre le soudage de la première série et celui de la deuxième série ;
- une étape d'enlèvement de matière est réalisée sur le support ;
cette étape est réalisée avant le soudage d'éléments de surface discrets sur le support et consiste à délimiter les zones du support destinées à recevoir lesdits éléments pour réaliser un assemblage bout à bout ;
cette étape est réalisée entre deux éléments soudés successivement sur le support, selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction dans laquelle s'étendent lesdits éléments ;
- au moins deux éléments sont soudés ensemble avant d'être soudés sur le support ;
- le soudage est réalisé sans fusion ;
- lesdits éléments et ledit support proviennent de la même pièce.
L' invention concerne également un dispositif de fabrication additive d'une ébauche d'un objet métallique à partir d'un objet numérique, ledit dispositif comprenant des moyens pour souder des éléments de surface discrets métalliques sur un support lui-même métallique et des moyens pour réaliser un enlèvement de matière sur lesdits éléments et/ou ledit support.
Elle concerne aussi un procédé de fabrication d'un objet métallique à partir d'une ébauche obtenue par le procédé selon l'invention précédemment décrit, ce procédé de fabrication comprenant une étape d'enlèvement de matière sur cette ébauche pour obtenir ledit objet métallique. L'invention concerne enfin une ébauche d'un objet métallique et un objet métallique obtenus par les procédés selon l'invention.
En particulier, l'invention concerne un composant métallique d'un aéronef obtenu par les procédés selon l'invention, c'est-à-dire un composant de la structure de l'aéronef ou de ses moyens de propulsion .
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'exemples non limitatifs de mise en œuvre de l'invention, faite au regard des dessins annexés sur lesquels :
Les figures 1 à 4 sont des vues en perspective illustrant la mise en œuvre du procédé selon l'invention sur un support plan.
La figure 4A illustre un détail de la figure 4.
Les figures 5 à 9 sont des vues en perspective illustrant une variante de la mise en œuvre du procédé selon l'invention sur un support plan.
La figure 10 est une vue de l'objet métallique obtenu à partir de l'ébauche illustrée aux figures 4 et 9.
La figure 11 est une vue en perspective illustrant la mise en œuvre du procédé selon l'invention sur un support cylindrique, avec des éléments de surface discrets .
La figure 12 est une vue de dessus du détail A de la figure 11.
La figure 13 est une vue en perspective illustrant la mise en œuvre d'une autre variante du procédé selon l'invention sur un support cylindrique avec des éléments de surface discrets. La figure 14 est une vue de dessus du détail A de la figure 13.
Les figures 15 à 18 sont des vues en perspective illustrant une autre variante de mise en œuvre de l'invention sur un support plan.
La figure 19 est une vue en perspective illustrant une autre variante de mise en œuvre du procédé selon l'invention sur un support plan.
Les figures 20 et 21 sont deux vues en perspective, illustrant une autre variante du procédé illustré aux figures 5 à 9.
La figure 22 est une vue en perspective illustrant une autre étape du procédé selon l'invention.
Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références.
Un premier exemple de mise en œuvre du procédé selon l'invention va être décrit en référence aux figures 1 à 4A.
Ce procédé de fabrication additive est destiné à obtenir une ébauche de l'objet métallique illustré à la figure 10.
En premier lieu, cet objet est décomposé en éléments de surface discrets.
De préférence, ces éléments discrets présentent des dimensions les plus grandes possibles, compte tenu de la géométrie de l'objet à obtenir et de la capacité de soudage de la technologie mise en œuvre.
Dans l'exemple illustré aux figures 1 à 4, les éléments de surface discrets 1, l' et 2 présentent une forme trapézoïdale. Ainsi, les éléments 1 et l' présentent une section en forme de trapèze isocèle, tandis que les éléments 2 présentent une section en forme de trapèze rectangle. L'élément 1 est défini par deux faces 16 formant un trapèze isocèle, avec deux bases parallèles 10 et 11, la longueur L de la base 10 étant supérieure à la longueur 1_ de la base 11.
Les deux bases 10 et 11 sont reliées par deux côtés 12 et 13 présentant la même inclinaison par rapport à la base 10 et par rapport à la base 11.
Chaque paire de côtés 12 ou 13 définit une face latérale 14, 15 s'étendant entre les bases 10 et 11.
Chaque élément 1 présente une hauteur h correspondant à la distance entre les bases 10 et 11.
Chaque élément 1 présente également une épaisseur e qui est comptée entre les deux faces 16 ou encore dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui défini par la hauteur h et la longueur L ou _1.
L'élément 2 est illustré plus en détail sur la figure 4A.
Il est défini par deux faces 26 sensiblement planes et présentant la forme d'un trapèze rectangle.
Chaque face trapézoïdale est définie entre deux bases parallèles 20 et 21, la base 20 présentant une longueur L2 plus importante que la longueur I2 de la base 21.
Ces deux bases sont reliées par des côtés 22 et 23, l'angle formé par le côté 22 avec la base 20, d'une part et la base 21, d'autre part, étant un angle droit.
L'élément 2 présente une hauteur h correspondant à la distance entre les bases 20 et 21 et une épaisseur e correspondant à la distance entre les deux faces trapézoïdales 26 et qui est donc mesurée dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui défini par la hauteur h et la longueur L ou _1. Chaque paire de côtés 22 ou 23 définit une face latérale 24, 25 s'étendant entre les bases 20 et 21. La face 24 est perpendiculaire aux bases 20 et 21.
Par ailleurs, les bases 20 définissent une face 27 et les bases 21 une face 28, les faces 27 et 28 étant sensiblement parallèles.
Cet élément 2 peut être obtenu par découpe d'un élément 1.
De façon générale, la hauteur h des éléments 1 ou 2 est supérieure à leur épaisseur e.
Les éléments de surface discrets sont alors réalisés, par exemple par découpe dans une tôle métallique .
La figure 1 illustre une première étape du procédé dans laquelle des éléments 1 métalliques sont soudés sur le support 3, également métallique, selon un premier arc de cercle. Il s'agit d'un assemblage en T (ou en L) .
Les éléments 1 sont soudés sur le support 3 par leur face 17 définie par les bases 10, c'est-à-dire selon leur grande longueur L.
Par ailleurs, ils sont espacés les uns des autres d'une distance correspondant à leur petite longueur 1.
Cette étape correspond à une première passe.
Le soudage des éléments 1 peut être réalisé par tous procédés appropriés et notamment un procédé de soudage par friction linéaire (LFW pour Linear Friction Welding dans la terminologie anglaise) ou encore un procédé sous pression utilisant des plasmas à haute température (par exemple un procédé SPS pour Spark Plasma Sintering dans la terminologie anglaise ou encore un procédé de soudage par étincelage ou Flash butt welding dans la terminologie anglaise) . De façon connue, un procédé de soudage par friction linéaire est un procédé de soudage en phase solide, les matériaux n'étant pas portés à fusion, et qui ne nécessite pas de matériaux d'apport.
L'assemblage est réalisé en frottant l'une contre l'autre les surfaces à assembler, sous une pression contrôlée. Les avantages du soudage à l'état solide sont la conservation des propriétés des matériaux ainsi que la possibilité de réaliser des assemblages entre des matériaux hétérogènes.
Cependant, le procédé de soudage par friction linéaire conduit à la formation de bavures à l'interface les pièces soudées, ici entre les éléments 1 et le support 3.
De façon également connue, un procédé du type SPS est basé sur l'utilisation de plasmas à haute température, momentanément générés entre des particules de poudre, par une décharge électrique. Les vitesses de chauffe et de refroidissement sont élevées et le maintien en température est généralement court. La densification du matériau peut donc se faire à une température relativement basse, ce qui permet de qualifier ce procédé de procédé de soudage sans fusion.
II présente donc les mêmes avantages que les procédés de soudage sans fusion. Par rapport à un procédé du type LFW, il présente l'avantage supplémentaire d'éviter le refoulement de matière au niveau de l'interface entre deux pièces soudées et donc la constitution de bavures. Il peut néanmoins entraîner des déformations.
Une fois les éléments 1 soudés sur le support 3, selon la première passe illustrée à la figure 1, l'étape suivante du procédé consiste en un enlèvement de matière, tel qu'un usinage, sur les éléments 1. L'enlèvement de matière peut également être réalisé par rectification. Cette étape est illustrée à la figure 2.
Cette étape d'enlèvement de matière est réalisée à sec .
Elle peut notamment être assistée par un fluide cryogénique, c'est-à-dire avec un apport d'azote liquide ou encore de C02.
A cet égard, il convient de noter qu'un lubrifiant d'usinage a pour objet de réduire les frottements sur les objets coupants et d'évacuer une partie de la chaleur générée par la déformation, la rupture, et les frottements lors de la coupe.
Or, un fluide cryogénique a nécessairement pour effet d'évacuer la chaleur de manière efficace et rapide et ce, sans contaminer le support.
Ainsi, le fluide cryogénique remplit la fonction d'un lubrifiant d'usinage, lequel ne pollue pas le support.
Cette étape d'enlèvement de matière a pour objet d'enlever les bavures pouvant résulter de l'étape précédente de soudage et, de façon générale, de préparer les faces latérales 14 et 15 des éléments 1 déjà soudés qui vont se trouver en contact et être soudés avec d' autres éléments qui seront soudés sur le support dans une deuxième passe.
Dans le procédé illustré à la figure 2, au moins les faces 14 et 15 en regard de deux éléments 1 successifs de la première série d'éléments soudés sur le support seront usinées. L'enlèvement de matière sur les faces 14 et 15 permet de retirer les bavures à ce niveau et d'ajuster les jeux en vue du soudage ultérieur des éléments l' (voir figure 3) . De même, le support 3 sera soumis à une étape d'enlèvement de matière, tel qu'un usinage, entre deux éléments 1 successifs de cette première série et selon une direction sensiblement perpendiculaire à celle dans laquelle s'étendent ces éléments 1. Cette étape permettra le passage de la matière qui s'échappera de l'interface entre les éléments soudés dans une deuxième passe et le support 3. De même, une partie des deux faces 16 d'un élément 1 sera usinée. Ainsi, les références 16b et 16c identifient les deux zones des faces 16 d'un élément 1 qui sont usinées. Ces deux zones latérales sont dans le prolongement des faces 14 et 15 et encadrent la zone centrale 16a qui est en saillie par rapport à ces zones latérales.
La figure 3 illustre l'étape suivante du procédé, dans laquelle la deuxième passe consiste à souder une deuxième série d'éléments l' qui viennent s'intercaler dans les espaces formés entre les éléments 1 de la première série, illustrés à la figure 1. Ceci est rendu possible par le fait que tous les éléments 1, l' présentent la même forme et que les éléments 1 sont espacés d'une longueur _1.
Ces éléments l' sont identiques aux éléments 1 et les références concernant les éléments l' seront les mêmes que celles concernant les éléments 1, affectées de 1 ' indice « ' ».
La figure 3 illustre ainsi les éléments 1 de la première série et les éléments l' de la deuxième série qui sont tous soudés sur le support 3 à l'exception d'un seul élément l'.
La figure 3 montre que les éléments l' sont soudés sur le support 3 par leur petite longueur _1, ou encore par leur face 18' définie entre leurs bases 11', et sur les faces 15, 14 des éléments 1 adjacents par leurs faces 15' et 14' . Les éléments 1 et l' sont donc disposés tête-bêche.
Les éléments l' sont soudés à la fois sur le support et sur les éléments 1 par tout procédé de soudage approprié et, de préférence, par un procédé de soudage sans fusion, tel que décrit précédemment.
Avec cette étape du procédé, un arc de cercle complet 4 est obtenu.
Le procédé selon l'invention est de nouveau mis en œuvre pour obtenir le deuxième arc de cercle 5 formé de trois éléments 1, soudés sur le support par leur grande longueur L ou par leur face 17 et par deux éléments l' soudés sur le support par leur petite longueur _1, correspondant à leur face 18', les éléments l' étant intercalés entre deux éléments 1 espacés de la longueur _1.
Comme décrit précédemment au regard de la figure 2, une étape d'enlèvement de matière est réalisée sur les éléments 1 et sur le support 3, entre les éléments 1 préalablement soudés, avant de procéder au soudage des éléments l' sur le support 3 et sur les éléments 1.
Ce deuxième arc de cercle 5 est concentrique au premier arc de cercle 4 et présente une longueur inférieure à celle de ce dernier.
La barre 6 reliant les deux arcs de cercle 4 et 5 est obtenue en soudant sur le support 3 un élément 1' , par sa base 11 de longueur 1, et à la fois sur le support et sur l'élément l' et un élément 1 de l'arc de cercle 4 ou de l'arc de cercle 5, un élément 2 tel qu'illustré à la figure 4A.
De même, entre le soudage de l'élément l' et le soudage des éléments 2, une étape d'enlèvement de matière est réalisée sur l'élément l' et sur le support 3, notamment pour éliminer des bavures et usiner les surfaces 14' et 15' de l'élément l'.
La figure 4 illustre le résultat obtenu qui consiste en une ébauche de l'objet 9 illustré à la figure 10.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au procédé qui vient d'être décrit et, en particulier, les éléments 1, l' pourraient ne pas être soudés en deux séries successives mais par exemple être soudés successivement ou par des séries comportant un nombre inférieur d'éléments ou encore en un nombre supérieur de séries (ou de passes) . De même, deux éléments pourraient être soudés préalablement ensemble avant d'être soudés sur le support. Ce peut, par exemple, être le cas pour l'élément l' et les deux éléments 2 formant la barre 6.
De plus, à la place d'un élément 2, pourrait être prévu un élément 2' tel qu'illustré à la figure 19.
Cet élément 2' est obtenu à partir d'un bloc extrait d'un support 3' dont l'épaisseur est supérieure à celle du support 3 (par exemple égale au double de cette épaisseur) grâce à des opérations d' usinage .
On comprend que cet élément 2' est utilisé en lieu et place d'un élément 1 et d'un élément 2.
Par ailleurs, le procédé n'est pas limité à la forme des éléments 1, l' et 2 qui ont été illustrés sur les figures 1 à 4A. On comprend que la forme des éléments de surface discrets peut être ajustée en fonction de l'objet final à obtenir. En particulier, les éléments soudés successivement sur le support n'ont pas nécessairement des formes identiques.
Il convient cependant de noter que le procédé peut avantageusement être mis en œuvre avec des éléments qui sont, dans une très grande proportion, de taille et de forme identiques ou quasi identiques. Ces éléments standards peuvent représenter au moins 90 % de la matière métallique apportée pour réaliser un objet avec le procédé selon l'invention.
Bien entendu, la taille et la forme de ces éléments standards dépendent de la capacité de soudage de la technologie mise en œuvre et peuvent être adaptées aux spécificités de l'objet à fabriquer. Ces éléments standards peuvent donc varier en forme et en dimensions d'un objet à l'autre.
Par ailleurs, il convient que les éléments soient définis de façon à ce que les surfaces destinées à être soudées présentent une forme et des dimensions sensiblement identiques.
Enfin, l'ébauche de l'objet à réaliser pourrait comporter plus d'une couche d'éléments soudés sur le support, c'est à dire au moins deux couches successives, comme cela est classique dans un procédé de fabrication additive.
Lors de la constitution des arcs de cercle 4 et 5 et de la barre 6, les étapes d'enlèvement de matière n'entraînent pas de pollution du support ou des éléments soudés puisqu'elles sont réalisées à sec.
Par ailleurs, ces étapes n'entraînent pas de déformation du support ou des éléments de surface lorsqu'elles sont assistées par un fluide cryogénique .
Il est maintenant fait référence aux figures 5 à 9 qui illustrent une variante de réalisation du procédé illustré aux figures 1 à 4.
Tout d'abord, selon ce procédé, les éléments de surface discrets 1, l' et 2 décrits en référence aux figures 1 à 4A sont prélevés directement dans le support 3.
Les évidements 31 correspondent à des éléments 1 ou l', tandis que les évidements 32 correspondent aux éléments 2.
Ainsi, les éléments et le support proviennent de la même pièce, ce qui contribue à la qualité de l'objet finalement obtenu.
Ce procédé diffère également du précédent en ce que l'on procède à un enlèvement de matière sur le support 3, avant tout assemblage d'éléments de surface discrets sur celui-ci. Cet enlèvement de matière, notamment un usinage, consiste à délimiter les zones du support sur lesquelles les éléments de surface discrets seront soudés.
Ainsi, la zone 33 du support est au même niveau que le reste de la face supérieure 30 du support et elle est entourée par une zone 34 (représentée hachurée) dont le niveau est inférieur à celui de la face supérieure 30 du support.
La zone 33 ainsi délimitée comporte une première zone 34 en arc de cercle dont la concavité et la longueur correspondent au premier arc de cercle 4 de l'ébauche ; une deuxième zone 35 en arc de cercle sensiblement concentrique avec la zone 34 et dont la longueur correspond au deuxième arc de cercle 5 et une zone 36 droite reliant les zones 34 et 35 et correspondant au positionnement et à la longueur de la barre 6 de l'ébauche.
L'épaisseur E de chaque zone 34, 35, 36 correspond sensiblement à l'épaisseur e de chaque élément 1, l', 2.
Cet usinage préalable du support 3 va permettre de réaliser un assemblage bout à bout des éléments de surface discrets sur le support, c'est-à-dire un assemblage dans lequel les surfaces de contact de deux pièces soudées sont identiques.
La figure 6 illustre l'étape suivante du procédé dans laquelle les éléments métalliques 1 sont soudés sur la première zone en arc de cercle 34 ainsi que sur la deuxième zone en arc de cercle 35.
Les éléments 1 sont espacés les uns des autres, un élément 1 étant présent au niveau de chaque extrémité des zones 34 et 35.
Les éléments 1 sont soudés sur les zones 34 et 35 par leur face 17 définie par les bases 10, c'est-à- dire selon leur grande longueur L.
Par ailleurs, les éléments 1 sont espacés les uns des autres d'une distance correspondant à leur petite longueur _1.
Cette étape correspond à une première passe du procédé .
Comme expliqué précédemment au regard des figures 1 à 4, le soudage des éléments 1 est de préférence réalisé par un procédé de soudage sans fusion.
Une fois les éléments 1 soudés sur les zones 34 et 35 du support, l'étape suivante du procédé consiste en un enlèvement de matière sur les éléments 1.
Comme expliqué précédemment, cette étape d'enlèvement de matière est réalisée à sec et elle est, de préférence, assistée par un fluide cryogénique .
Cette étape d'enlèvement de matière concerne les faces 14 et 15 en regard de deux éléments successifs 1 de la première série d'éléments soudés sur le support, ainsi que les faces 16 des éléments 1.
Comme le montre la figure 7, les faces 16 des éléments 1 ne sont usinées qu'en partie, de façon à délimiter une zone centrale 16a qui est en saillie par rapport aux zones 16b et 16c situées de part et d'autre de cette zone centrale 16a et dans le prolongement des faces latérales 14 et 15.
De même, les première et deuxième zones 34 et 35, ainsi que la zone droite 36, sont soumises à une étape d'enlèvement de matière entre deux éléments successifs de cette première série. Cet enlèvement de matière est réalisé dans une direction sensiblement perpendiculaire à celle dans laquelle s'étendent les éléments 1.
De manière générale, ces enlèvements de matière (représentés avec des hachures) ont pour objet de préparer les surfaces des éléments 1 déjà soudés qui vont se trouver en contact et soudés avec d' autres éléments, soudés dans une deuxième passe.
La figure 8 illustre le résultat obtenu après soudage de la deuxième série d'éléments l' qui sont positionnés dans les espaces formés entre les éléments 1 de la première série.
Comme expliqué précédemment au regard de la figure 3, ces éléments l' sont soudés sur la première zone 34 ou la deuxième zone 35 par leur surface 18' définie entre leurs bases 11'.
A la fin de cette deuxième passe, sont obtenus un premier et un deuxième arcs de cercle 4 et 5 complets .
La figure 8 illustre le début de la troisième passe dans laquelle un élément l' et deux éléments 2 vont être soudés sur la zone droite 36 pour obtenir une barre 6.
Ainsi, la troisième passe du procédé selon l'invention consiste ici à souder un élément 2 sur un des éléments 1 situés de part et d'autre de la zone droite 36, de telle sorte que sa face droite 24 soit soudée sur la zone 16a de l'élément 1 et que sa base
20 soit soudée sur la zone 36.
De préférence, la surface de la zone 16a coïncide avec la face droite 24 pour réaliser un assemblage bout à bout .
On procède ensuite au soudage d'un élément l', cet élément l' étant soudé sur la zone 36 par sa face 18' et sur la face inclinée 25 de l'élément 2 déjà soudé, par sa face 15' .
Enfin, le deuxième élément 2 est soudé à la fois sur la zone 36 par sa face 27, sur la face 14' de l'élément l' et sur la face 16a de l'élément 1 déjà soudé et présent sur la deuxième zone 35.
On comprend que la face inclinée 25 de l'élément 2 fait avantageusement un angle avec ses bases 20 et 21 qui est complémentaire de celui fait par les faces inclinées 14' et 15' avec les bases 10' et 11' de 1' élément 1 ' .
La figure 9 illustre l'ébauche obtenue à l'issue de cette troisième passe du procédé et qui correspond à l'objet illustré à la figure 10.
Cette ébauche est similaire à celle qui est illustrée à la figure 4.
II est maintenant fait référence aux figures 20 et
21 qui illustrent une variante de réalisation dans laquelle une barre 6 telle qu' illustrée sur les figures 4 et 9 est obtenue partir d'éléments 1 et l', sans que des éléments 2 soient nécessaires.
La figure 20 est une vue similaire à la figure 6 sur laquelle les éléments 1 présentent une épaisseur plus importante. Ces éléments ont été soudés selon les deux zones en arc de cercle 34 et 35, comme illustré sur la figure 6.
On procède ensuite à une étape d'enlèvement de matière sur les faces 14 et 15 en regard de deux éléments 1 successifs ainsi que les faces 16 des deux éléments 1 en vis-à-vis et présents sur les zones 34 et 35. Cet enlèvement de matière s'effectue sur la partie centrale des faces 16 de façon à créer une face 16d complémentaire de la face 15' de l'élément 1' qui sera ultérieurement soudé.
Par ailleurs, l'enlèvement de matière est également réalisé sur la zone droite 36 et sur les zones en arc de cercle 34 et 35, entre deux éléments 1 déjà soudés.
La figure 21 est une vue similaire à la figure 9 et illustre le résultat obtenu après que des éléments 1' ont été placés dans les espaces formés entre les éléments 1 de la première série (illustrée à la figure 20) et soudés sur les zones 34 et 35 ainsi que sur les éléments 1. Par ailleurs, un élément l' a également été soudé sur la zone droite 36 entre les deux éléments 1 en vis-à-vis pour former la barre 6. Sa taille est adaptée à l'espace entre les deux éléments 1.
La figure 22 illustre une deuxième couche d'éléments 1 et l' partiellement formée sur la première couche illustrée à la figure 9 et plus précisément, sur le premier arc de cercle 4.
Cette deuxième couche 4' est, comme la première, réalisée en soudant tout d'abord les éléments 1 sur la première couche, en enlevant la matière sur les faces latérales 14 et 15 des éléments 1 en vis-à-vis et éventuellement sur leurs faces 16 et en soudant les éléments l' sur les éléments 1 déjà soudés.
Cette deuxième couche peut ou non s'étendre selon tout l'arc de cercle 4 et elle peut également être réalisée sur tout ou partie de la barre 6 et/ou du deuxième arc de cercle 5.
L'objet 9 illustré à la figure 10 est obtenu en découpant le support 3 et en procédant à une étape d'enlèvement de matière appropriée.
On comprend que, lors de cette étape, la quantité de matière qui va être enlevée va être très faible par rapport à celle qui résulterait de l'usinage d'un brut ébauché en forgeage ou d'un brut de fonderie.
Par ailleurs, par rapport à des procédés de fabrication additive dans lesquels l'apport de métal est effectué sous forme de poudre ou de fil, le procédé selon l'invention est beaucoup moins onéreux à mettre en œuvre, les éléments de surface discrets étant d'un coût de réalisation faible compte tenu du volume apporté, par rapport à une poudre métallique par exemple.
Par ailleurs le taux de dépose du métal est considérablement augmenté par rapport à des procédés classique utilisant une poudre ou du fil, dans la mesure où la matière métallique est apportée sous forme d'élément de surface dont la hauteur est sensiblement supérieure à l'épaisseur.
Enfin, comme souligné précédemment, la variante du procédé selon l'invention décrite en référence aux figures 5 à 9 permet de réaliser l'ensemble de l'objet à partir du même lot matière, ce qui contribue aux bonnes propriétés mécaniques présentées par cet objet. Il est maintenant fait référence aux figures 15 à 18 qui illustrent une autre variante du procédé illustré aux figures 1 à 4.
Par souci de simplification, cette variante est décrite relativement au seul arc de cercle 4, constitué d'éléments 1 et l'.
Comme dans la variante du procédé illustrée aux figures 5 à 9, on procède à un enlèvement de matière sur le support 3, avant tout assemblage d'éléments de surface discrets sur celui-ci. Cependant, cet enlèvement de matière n'est pas réalisé sur toute la longueur de l'arc de cercle 4 comme dans la variante du procédé illustrée à la figure 5, mais uniquement sur des portions d' arc de cercle présentant une longueur L' légèrement supérieure à la grande longueur L d'un élément 1, l' .
Ainsi, la figure 15 illustre une série de six paires de rainures 37a, 38a de longueur L' .
Les rainures 37a s'étendent selon un premier arc de cercle 37.
Les rainures 38a s'étendent selon un deuxième arc de cercle 38 dont le rayon est inférieur à celui du premier arc de cercle 37.
Deux paires adjacentes de rainures 37a, 38a sont espacées l'une de l'autre d'une distance l_ inférieure à la petite longueur 1_ d'un élément 1, l' .
L'épaisseur E du support 3 entre deux rainures 37a, 38a d'une même paire est sensiblement égale à l'épaisseur e de chaque élément 1, l', 2.
La figure 16 illustre l'étape suivante du procédé dans laquelle chaque élément métallique 1 est soudé sur une zone en arc de cercle 39 délimitée entre deux rainures 37a et 38a. Les éléments 1 sont soudés sur les zones 39 par leur face 17 définie par les bases 10, c'est-à-dire selon leur grande longueur L.
Par ailleurs, les éléments 1 sont espacés les uns des autres d'une distance correspondant à leur petite longueur _1.
Cette étape correspond à une première passe du procédé .
Comme expliqué précédemment au regard des figures 1 à 4, le soudage des éléments 1 est de préférence réalisé par un procédé de soudage sans fusion.
Une fois les éléments 1 soudés sur les zones 39 du support, l'étape suivante du procédé consiste en un enlèvement de matière sur les éléments 1.
Comme expliqué précédemment, cette étape d'enlèvement de matière est réalisée à sec et elle est, de préférence, assistée par un fluide cryogénique .
Cette étape d'enlèvement de matière concerne les faces 14 et 15 en regard de deux éléments successifs
1 de la première série d'éléments soudés sur le support, ainsi que les faces 16 des éléments 1.
Comme le montre la figure 17, les faces 16 des éléments 1 ne sont usinées qu'en partie, de façon à délimiter une zone centrale 16a qui est en saillie par rapport aux zones 16b et 16c situées de part et d'autre de cette zone centrale 16a.
De même, le support 3 est soumis à une étape d'enlèvement de matière entre deux éléments successifs de cette première série. Cet enlèvement de matière est réalisé dans une direction sensiblement perpendiculaire à celle dans laquelle s'étendent les éléments 1. De manière générale, ces enlèvements de matière (représentés avec des hachures) ont pour objet de préparer les surfaces des éléments 1 déjà soudés qui vont se trouver en contact et soudés avec d' autres éléments, soudés dans une deuxième passe.
La figure 18 illustre le résultat obtenu après soudage de la deuxième série d'éléments l' qui sont positionnés dans les espaces formés entre les éléments 1 de la première série.
Comme expliqué précédemment au regard de la figure
3, ces éléments l' sont soudés sur le support 3 par leur surface 18' définie entre leurs bases 11'.
A la fin de cette deuxième passe, est obtenu un arc de cercle 4 complet.
II est maintenant fait référence aux figures 11 et
12 qui illustrent la mise en œuvre du procédé selon l'invention sur un support métallique cylindrique 7.
Le procédé selon l'invention est mis en œuvre pour réaliser une bride 70 sur le pourtour 71 d'une de ces extrémités.
Cette bride 70 est ici formée à l'aide de trois types d'éléments de surface discrets : les éléments 1 et l' qui ont précédemment été décrits, notamment en référence aux figures 1 à 4A (représentés avec des hachures), et un autre type d'élément 8 qui est défini par deux faces 86 sensiblement planes et présentant la forme d'un parallélogramme. Chaque face 86 est définie par deux bases parallèles 80 et 81 qui présentent la même longueur L. Ces deux bases 80 et 81 sont reliées par deux paires de côtés 82 et 83 qui sont parallèles et qui présentent une longueur 1. inférieure à L.
Chaque paire de côtés 82 ou 83 définit une face latérale pour un élément 8. Le procédé consiste tout d'abord à souder un élément 8 sur le support 7 au niveau du pourtour 71.
Ce premier élément 8 est soudé le long de sa base 80, c'est-à-dire selon sa longueur L.
Comme expliqué précédemment, le procédé consiste alors à procéder à une étape d'enlèvement de matière pour préparer la surface latérale définie entre les côtés 83 et pour que le support 7 présente un passage pour la matière qui s'échappera de l'interface entre l'élément 8 suivant qui sera soudé sur le support, dans le sens anti-horaire.
Une première série d'éléments 8 est soudée sur le support 7, les éléments 8 étant soudés l'un après 1' autre .
Les dimensions des éléments 8 sont choisies de telle sorte que peut être ménagé entre le premier élément 8 de la série et le dernier élément 8 soudé sur le support 7 un espace correspondant à l'encombrement de deux éléments 1, l' disposés tête- bêche.
La dernière étape du procédé consiste à souder l'élément 1 sur le premier élément 8 de la série ainsi que sur le support 7, par l'intermédiaire de sa surface 17, définie entre ses deux bases 10 ; l'élément l' sur le dernier élément 8 de la série, ainsi que sur le support 7 par l'intermédiaire de sa surface 18' définie entre ses bases 11' et les deux éléments 1 et l' par leurs faces 15 et 15' en vis-à- vis .
L'ébauche de bride ainsi obtenue pourra faire l'objet d'une étape ultérieure d'usinage pour obtenir un objet métallique. Il est maintenant fait référence aux figures 13 et 14 qui illustrent une variante du procédé illustré aux figures 11 et 12.
Dans cette variante, la bride 72 est obtenue à partir d'éléments de surface discrets, du type de l'élément 1 décrit en référence aux figures précédentes .
Le procédé est mis en œuvre en soudant tout d'abord sur le support cylindrique 7 une première série d'éléments 1 (représentés avec des hachures) par leur face 17 définie entre les bases 10, c'est-à- dire selon leur grande longueur L.
Ils sont espacés les uns des autres d'une distance correspondant à leur petite longueur _1.
Comme expliqué précédemment au regard par exemple des figures 1 à 4A, une étape d'enlèvement de matière est alors réalisée à la fois sur les éléments 1 et sur le support 7.
Le procédé consiste alors à souder une deuxième série d'éléments l', à la fois sur le support 7 et sur les éléments 1, les éléments l' venant s'intercaler dans les espaces formés entre les éléments 1 de la première série.
Les figures 13 et 14 montrent ainsi que les éléments 1 et l' sont disposés tête-bêche.
Une fois la deuxième série d'éléments l' soudés, on obtient une bride 70.
L'ébauche ainsi obtenue pourra également faire l'objet d'un usinage pour obtenir l'objet souhaité.
On comprend qu'en fonction du diamètre du support cylindrique 7 et des longueurs L et 1, il pourra être nécessaire de rendre les bases 10, 10' ; 11, 11' et 80, 81 des éléments 1, l' et 8 légèrement concaves. Par ailleurs, les brides pourraient également être obtenues en réalisant au moins deux couches successives .
De façon avantageuse, les éléments métalliques utilisés pour la mise en œuvre du procédé sont réalisés en un alliage de titane ou un alliage de nickel, connus pour être difficile à usiner.
Les exemples qui ont été décrits montrent que le procédé selon l'invention est particulièrement bien adapté à la réalisation d'ébauches d'objet métallique comportant des portions courbes ou en arc de cercle. Ceci est notamment permis par l'utilisation d'éléments discrets d'épaisseur et de longueur relativement faibles ou au contraire d'épaisseur et longueur plus importantes.
Comme il va de soi et comme il résulte également de ce qui précède, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation plus particulièrement décrits. Elle en embrasse au contraire toutes les variantes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication additive d'une ébauche d'un objet métallique à partir d'un objet numérique, par apport de matière métallique sur un support lui- même métallique, combiné à un apport d'énergie, caractérisé en ce que l'on réalise l'apport de matière métallique sous forme de plusieurs éléments de surface discrets (1, l', 2, 8), l'apport d'énergie permettant de souder lesdits éléments sur ledit support (3, 7) en au moins deux passes à savoir une première passe et une deuxième passe, chaque élément de surface étant défini par une longueur (L, 1) selon laquelle il est soudé sur ledit support, une hauteur (h) selon laquelle il s'étend en saillie par rapport audit support après avoir été soudé sur celui-ci, et une épaisseur (e) dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui défini par la hauteur (h) et la longueur (L, 1) de l'élément, la hauteur de l'élément étant supérieure à son épaisseur, le procédé comportant une étape d'enlèvement de matière réalisée à sec d'au moins un desdits éléments de la première passe avant réalisation de la deuxième passe .
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un desdits éléments de la première passe comprenant au moins une face (14, 15,16, 14', 15', 16') par laquelle il est destiné à être soudé à un élément d'une autre passe, l'étape d'enlèvement de matière est réalisée sur ladite au moins une face.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments de la première passe sont soudés sur le support (3, 7), espacés les uns des autres .
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape d'enlèvement de matière est du type assistée par un fluide cryogénique.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape d'enlèvement de matière est réalisée avec un apport d'azote liquide ou de CO2.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments (1, l', 2, 8) sont soudés successivement, une étape d'enlèvement de matière étant réalisée après le dépôt d'un élément, pour au moins une partie desdits éléments.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments sont soudés selon une première série (1) dont au moins deux sont espacés puis d'une deuxième série (1') venant s'intercaler dans le ou les espaces formés entre les éléments de la première série, une étape d'enlèvement de matière réalisée à sec étant prévue dans ledit ou lesdits espaces, entre le soudage de la première série et celui de la deuxième série .
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une étape d'enlèvement de matière est également réalisée sur le support ( 3 , 7 ) .
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que cette étape est réalisée avant le soudage d'éléments de surface discrets sur le support et consiste à délimiter les zones du support (33, 39) destinée à recevoir lesdits éléments pour réaliser un assemblage bout à bout.
10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que cette étape est réalisée entre deux éléments soudés successivement sur le support, selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction dans laquelle s'étendent lesdits éléments.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le soudage est réalisé sans fusion .
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdits éléments (1, l', 2) et ledit support (3) proviennent de la même pièce.
13. Dispositif de fabrication additive d'une ébauche d'un objet métallique à partir d'un objet numérique, ledit dispositif comprenant des moyens pour souder des éléments de surface discrets métalliques sur un support lui-même métallique et des moyens pour réaliser un enlèvement de matière sur lesdits éléments et/ou ledit support.
14. Procédé de fabrication d'un objet métallique à partir d'une ébauche obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant une étape d'enlèvement de matière sur cette ébauche pour obtenir ledit objet métallique.
15. Ebauche d'un objet métallique obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
16. Objet métallique obtenu par le procédé selon la revendication 14.
17. Composant métallique d'un aéronef obtenu par le procédé selon la revendication 14.
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