EP3658314A1 - Procedes et dispositifs de fabrication et d'inspection ultrasonore en fabrication additive - Google Patents

Procedes et dispositifs de fabrication et d'inspection ultrasonore en fabrication additive

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Publication number
EP3658314A1
EP3658314A1 EP18735325.5A EP18735325A EP3658314A1 EP 3658314 A1 EP3658314 A1 EP 3658314A1 EP 18735325 A EP18735325 A EP 18735325A EP 3658314 A1 EP3658314 A1 EP 3658314A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
waveguide
ultrasonic
manufacturing
powder bed
Prior art date
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Pending
Application number
EP18735325.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Florian LE BOURDAIS
Jean-Daniel PENOT
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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 Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3658314A1 publication Critical patent/EP3658314A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention is in the field of additive manufacturing and more particularly relates to a method and an ultrasonic inspection device for additive manufacturing processes.
  • the additive manufacturing term designates according to the standard NF E 67-001, "the set of processes for making layer by layer by adding material a physical object from a digital object.” This term includes dozens of designations of manufacturing technologies, classified in seven categories of processes according to the standard NF ISO 17296-2 June 2015, among which is the category of melting on a powder bed having the abbreviation (PBF) of the English "Powder Bed Fusion”.
  • PPF abbreviation
  • the PBF processes have the common point of proceeding to a partial or total melting of static powder, the powder generally coming from metallic, ceramic or plastic materials.
  • the PBF processes differ according to the nature of the energy source used to produce the fusion, which may be a laser (LMF process for "Laser Metal Fusion"), an electron beam or an infrared lamp to name just a few. these examples.
  • LMF process Laser Metal Fusion
  • electron beam or an infrared lamp to name just a few.
  • Ultrasound has been the subject of various uses in additive manufacturing, especially as a source of energy for manufacturing (see patent application WO2015053644), to assist and optimize it (see patent application WO2015031453) or to reduce the level of residual stresses (see patent application US20150314373). Their use for control or characterization purposes remains very limited. Laser ultrasonic methods have been used several times in additive manufacturing, particularly in the case of powder bed processes (see EP1815936), mainly because of its implementation without contact. This approach nevertheless has limitations, which are: a weak ultrasound generation efficiency (in comparison with piezoelectric transducers); a high sensitivity to the surface state; high cost; and a subsurface inspection limited to the vicinity of the upper surface on the last layers.
  • Patent Application WO 2015/109096 A1 describes a method of direct ultrasonic inspection of a part being manufactured in a powder bed, via the use of a multi-element sensor. This approach has limitations that make it very inefficient. Indeed, it requires the manufacture of a part directly on the support plate, in order to allow the transmission of the ultrasound beam therein. This important anchoring of the part renders its separation from the delicate plate even impossible without damaging it, and produces high stresses due to thermal expansions / retractions.
  • the proposed method allows the analysis of only massive and very simple parts, because the powder-bed manufacturing processes are advantageous for geometrically complex parts having very thin thicknesses, many ramifications leading to parasitic echoes and a dispersion of the useful signal for which a usual ultrasonic inspection is poorly adapted.
  • An object of the present invention relates to a method and an apparatus for ultrasonic inspection and control of additive manufacturing processes, and more particularly the family of powder bed melting processes.
  • the general principle of the invention consists in producing ultrasound waveguides simultaneously with the additive manufacturing of one or more pieces in order to inspect the homogeneity in the powder bed and / or to inspect the part (s) in progress.
  • the present invention makes it possible to overcome the major limitations of ultrasonic testing of high complexity parts during manufacture in a powder bed.
  • Another object of the present invention is to provide a process and an additive manufacturing device which comprises an ultrasonic waveguide inspection system which makes it possible to probe during manufacture, that is to say process "according to the conspicuous Anglicism, the bed of powder and / or key areas of the piece or pieces in progress.
  • the present invention aims to overcome the limitations of current inspection techniques by providing ultrasonic volume inspection in the powder bed.
  • the invention will find advantageous applications in many technical fields such as the aeronautics, space or automotive industries, to name only these examples.
  • the method of the invention by ultrasonic inspection carried out during manufacture provides access to various levels of information on the quality of the parts produced in the powder bed.
  • a process for additive manufacturing of parts by melting on a powder bed comprising layer-by-layer manufacturing steps on a construction plate of at least one ultrasonic waveguide simultaneously with the production layer by layer of at least one piece in the powder bed, said at least one ultrasonic waveguide being integral with the construction plate to provide an acoustic connection with at least one translator under the construction plate, and having a minimum value of the smallest dimension of the upper section at the "c / f" ratio, where "c” designates the velocity of propagation of the ultrasonic wave in the controlled material and "f” is the main frequency of the ultrasonic wave, at least one waveguide being manufactured in isolation or integral with said at least one part, the method being characterized in that it simultaneously comprises the layer-by-layer inspection steps in order to inspecting the powder bed by said at least one isolated waveguide of the part and / or inspecting said at least one part by said at least one waveguide integral with said at least one part.
  • the method consists in simultaneously producing a plurality of parts and a plurality of ultrasonic waveguides, the waveguides comprising waveguides integral with certain parts and isolated waveguides of all the parts.
  • the method consists in simultaneously producing temporary supports for said at least one part, such that at least one ultrasonic waveguide is integrated in a temporary support.
  • the invention also covers a powder bed additive manufacturing system comprising means for implementing the claimed additive manufacturing process.
  • the means for implementing the manufacturing method comprise ultrasonic translators able to send and receive each at least one ultrasound beam in at least one waveguide to inspect during the manufacture of at least one part. the powder bed and / or said at least one part being manufactured.
  • the translators are arranged under the construction plate so that each translator can emit an ultrasonic beam into a respective waveguide made in its view.
  • the translators are piezoelectric transducers used in transmission-reception mode combined.
  • said at least one waveguide is piezoelectric transducers used in transmission-reception mode combined.
  • - has a predefined section, selected from the group of round, oval, square, triangular or rectangular base type sections.
  • the claimed system includes means for analyzing received signals.
  • the subject of the invention is also an inspection method for additive manufacturing of pieces on a bed of powder, the process comprising the steps of:
  • the step of analyzing the received signal consists in determining whether there is a fault
  • the step of analyzing the received signal consists in determining whether there is a defect in the part and / or in the powder bed;
  • the step of analyzing the received signal further comprises a step of comparing the received signal with a signal from a digital simulation of ultrasonic control.
  • the invention also relates to an inspection device for additive manufacturing of pieces on a powder bed, which comprises means for implementing the steps of the claimed method.
  • Figure 1 is a simplified representation of an additive manufacturing system for implementing the device of the invention
  • Figure 2 illustrates in a sectional view, a first embodiment of the device of the invention
  • Figures 3a to 3c illustrate in a sectional view the dual functionality of the ultrasonic waveguide of the device of the invention in one embodiment
  • Figures 4 to 6 illustrate in a sectional view, different embodiments of the device of the invention
  • Figure 7 illustrates the flow of operations for implementing the additive manufacturing method of the invention
  • Figure 8 illustrates a sequence of steps of the inspection method of the invention in one embodiment.
  • FIG. 1 shows an additive manufacturing system (100) for implementing the device of the invention, comprising a construction plate (102) on which one or more pieces (104) are manufactured according to a additive manufacturing process on a bed of powder (106).
  • the system comprises a powder reservoir (108) and a powder diffuser (1 10) for supplying a layer of powder from the reservoir to the support plate or under the effect of a heat source (1 12), the melting of the powder operates to produce a layer of the part or parts to be manufactured. The process is repeated layer by layer until the final piece (s) are obtained.
  • the complete process is not described in more detail, and one skilled in the art can refer to the numerous literature on additive manufacturing processes and variant embodiments based on this same principle.
  • Figure 2 is a sectional view of an additive manufacturing system according to a first embodiment of the invention. It should be noted that the identical elements between the figures bear the same references. For reasons of simplification of the description but not limiting, the figure shows a single piece arrived at the end of its manufacture according to a laser powder bed method. Those skilled in the art will extend the principles described to additive manufacturing cases of a plurality of parts that can be of identical or variable size and shape, having simple or complex geometries.
  • the piece (202) is manufactured on a temporary support structure (204) for stabilizing it on a construction board (206).
  • the general principle of the invention is to manufacture waveguides ultrasound (208-1 to 208-4, 210) according to the powder bed additive manufacturing process, simultaneously with the manufacture of the piece.
  • the waveguides which may be referred to in the description by the acronym GO, are made by melting the powder, as are the temporary supports and parts. They are anchored on the upper face of the building board (206).
  • the manufacture of GOs is carried out with a scan strategy similar or identical to that of adjoining parts, in particular in terms of laser power, laser speed and trajectories, making the GO inspection operation more representative of the quality of the adjoining rooms. or supported.
  • the GOs may optionally have a slight reduction in section at their anchorage with the plate and, where appropriate, with the part, to facilitate their separation.
  • the section reduction must be limited so as not to induce artifact on the emitted and reflected ultrasonic beams.
  • the GOs preferably have a simple, solid and axial geometry without bifurcation throughout the inspection area. Their section is predefined to allow the passage of an ultrasonic inspection beam, while minimizing the consumption of powder and process time to achieve it.
  • the waveguides are constructed as cylinders erected simultaneously with the workpiece (or batch of workpieces) and its support structure, layer after layer.
  • the GOs may have other geometries of sections such as round, oval, square, triangular, rectangular, etc. bases.
  • the minimum section of an GO is chosen based on the material inspected and the ultrasonic wave used for the inspection, particularly its type and frequency. Also, the diameter of a GO is always chosen greater than the "c / f" ratio, and preferably greater than "3 * c / f", where "c” designates the propagation velocity of the ultrasound wave in the inspected material and "f" the main frequency of the ultrasonic wave.
  • the minimum preferential dimension of a GO is of the order of a millimeter.
  • ultrasonic translators (212-1 to 212-4, 213) integral with the construction plate are arranged under the plate so that they can each emit an acoustic beam in a GO manufactured in its view.
  • a translator (212-1 to 212-4) is positioned respectively under the platen at the place of manufacture of each GO (208-1 to 208-4) and similarly a translator ( 213) is positioned under the tray at the location of manufacture of the GO (210).
  • the translator is a piezoelectric translator used in transmission-reception mode, called "pulse-echo" according to recognized anglicism.
  • Each waveguide conveys an ultrasonic signal to the heart of the powder bed to perform a material health inspection.
  • the beam propagates in the GO parallel to the GO axis.
  • a preferred implementation is where the waveguides are orthogonal to the building board, i.e., vertical in the powder bed, to allow most of the signal reflective on the top face to move towards the receiver.
  • the translator which is secured to the rear face of the construction plate is mounted to ensure the acoustic connection between the translator and the tray.
  • a layer of coupling agent grey, oil, cellulosic glue, special gels
  • the translator and couplant are selected to withstand the maximum temperature of the plate (which is a function of the merged material and the manufacturing strategy, typically of the order of a few tens of ° C).
  • the diameter of a GO is preferentially defined as being that or slightly greater (eg + 10%) than the size of the piezoelectric pellet of the translator.
  • the GOs for example have a diameter of the order of 1.6 mm for an opening sensor 1 / 1 6 inch, of the order of 3.4 mm for a 1/8 inch aperture sensor, or about 6.4 mm for a 1 ⁇ 4 inch aperture sensor.
  • the diameter of the GOs for usual additive manufacturing devices does not exceed a few centimeters.
  • the translator or translators are connected to an electronic acquisition system (214) that allows the digitization of the analog signals received from each translator.
  • the electronic acquisition system sends at fixed time intervals of excitation pulses to the translator and receives any signal reflected by the GO in a time interval less than the interval between theinstalles.
  • the digitized signal can be stored for viewing and data processing can be done for process abnormality detection.
  • the processing may have the effect of triggering an alarm with respect to the manufacturing process and interrupting the current production cycle.
  • two types of waveguides can be manufactured simultaneously with the manufacture of parts, each GO having a different location and functionality.
  • the method makes it possible to manufacture:
  • the GO-witnesses have no contact with the parts in production, they are isolated parts and are inserted in free locations of parts as witnesses of compliance.
  • a GO-support is integrated into temporary supports for parts in production.
  • a GO-support is integral with a workpiece, and depending on its location on the workpiece, it can be integral with the workpiece either as soon as the first layers of the workpiece are made, or become integral with a workpiece later during the manufacturing process.
  • the integral waveguides of a room serve by routing an ultrasonic beam, to the inspection of the room itself.
  • a first function of the GO-witnesses is to provide information on the absence of deviations or defects during manufacture in a powder bed, particularly when the parts constructed simultaneously have geometric complexities such that they limit or prohibit their direct control. .
  • a control GO is located in the vicinity of a room, or each critical room.
  • a control GO can be placed in a proximity of a room ranging from millimeters to a few centimeters in order to increase the representativity of the control by GO-control to qualify a room.
  • a plurality of GO-witnesses can be placed in the vicinity of a room, for example all around it.
  • a second feature of the GO-witnesses is to evaluate the homogeneity of the manufacturing within the powder bed.
  • the powder beds have known variabilities, due for example to a variable compactness of the powder, to temperature heterogeneities or to a variation of the laser power according to its angle of incidence (higher angle at the edge of the plate by center report).
  • the comparison of the ultrasonic signals of the different GO-controls in particular the comparison of the porosity or density ratio indicators, makes it possible to qualify the homogeneity on the plateau.
  • a plurality of identical GO-controls is distributed within the powder bed, interposed between the different parts to be manufactured.
  • the number of GO-witnesses can vary from at least one to several tens.
  • a control GO differs from a simple control room in that its positioning is adapted, or even optimized, for inspection in the vicinity of a part or the entire surface of the plate.
  • the anchoring on the GO-control panel does not reduce a disadvantage in that the GO-witnesses can be sacrificial, unlike control pieces.
  • the GO-supports are integrated with the provisional supports of parts in manufacture, and serve to convey the ultrasonic beam in the room. They differ from the temporary supports in that they have larger sections than those of the usual elements.
  • the section of the GO-supports is chosen of sufficient size to allow the passage of the ultrasonic inspection beam, while being minimized to firstly avoid excessive consumption of powder to achieve them and secondly avoid too high concentration constraints.
  • GO-support will be arranged to route the beam in critical areas of the room. It may especially be regions in which the occurrence of defects is frequent or likely, such as the border zone between a contour laser scan and a filling scan, regions with a high thermal gradient or stress concentration (generally identified by simulation), the trajectories of lasers with high curvatures or high speeds of passage, where any region known to those skilled in the art as "defect-gene". They can also be areas critical to the reliability of the room where any imperfection can have significant consequences on the function of the room. It can also be areas that will be difficult to access any post-manufacturing control.
  • a support GO integrated in the support structure advantageously has symmetry or periodicity to limit the asymmetry of deformations at the scale of the room.
  • GO-support may be present on the entire support zone of the part, separated by "n" usual supports, "n” being constant between each GO-support.
  • FIGS. 3a to 3c show, in sectional view, different stages of manufacture of a part (202) illustrating the manufacture of simultaneous manner of ultrasonic waveguides (208-1 to 208-4) according to the principle of the invention.
  • Figure 3a which illustrates an early stage of manufacture, a single waveguide (208-2) reaches the room, then having GO-support functionality to inspect the room. It is apparent that three waveguides (208-1, 208-2, 208-4) that are also simultaneously manufactured do not reach the part. They can then be used during inspection as GO-witnesses to check the homogeneity of the powder bed.
  • Figure 3b illustrates an intermediate fabrication step of the room where two waveguides (208-2, 208-3) reaching the room can be used as GO-support and where two waveguides (208-1, 208 -2) not reaching the room can be used as GO-witnesses.
  • Figure 3c illustrates the final step where the part is manufactured with the four waveguides (208-1 to 208-4) manufactured simultaneously, which are used as GO-supports.
  • Figure 3 is simplified, but does not limit the embodiments where control waveguides, independent of the room can also be manufactured simultaneously (as the GO-control 210 in Figure 2).
  • the method of the invention allows during the same powder bed additive manufacturing cycle to combine inspection of the powder bed concomitantly with that of one or more parts in production.
  • FIG. 4 shows in a sectional view an embodiment of the invention for which a single multielement translator (408) is used for several support waveguides (406-1, 406-2, 406-3) of the same piece (402) having temporary supports (404).
  • the translator allows to inspect turn by sending an ultrasonic beam in each GO-support, the room in three localities, adapting well-known delay laws to direct the beam along the axis the desired translator.
  • the device of the invention allows an inspection in several areas of a part in manufacture.
  • the inclination of the waveguides (406-1, 406-3) is limited to the possibility of receiving an exploitable signal by the receiver.
  • Variations where the GOs are not perpendicular to the building board may be:
  • the axis of the GO-control preferably has an orientation identical to that of one of the axes or one of the main directions of the room, to be more representative of the quality of the piece.
  • FIG. 6 illustrates an alternative embodiment of the invention in which a transmitting translator (608-1) is distinct from a receiver translator (608-2), a "pitch and catch" configuration.
  • this configuration makes it possible to reduce the sensitivity to the orientation of the defect, in particular in the case of cracks.
  • FIG. 7 illustrates the flow of the preparatory operations for the implementation of the additive manufacturing and inspection method of the invention.
  • a first step (702) each part to be manufactured is modeled in a Computer Aided Design (CAD) system.
  • CAD Computer Aided Design
  • a second step (704) batches of parts are created by selecting files, making it possible to group parts that can be manufactured simultaneously on the same bed of powder.
  • CAD models for the temporary supports and the support and control waveguides are designed.
  • All CAD models - parts, media, GOs - are converted (708) into a file format that can be used by an additive manufacturing system, such as the STL format, where the models are described layer by layer.
  • the last step (710) before starting the manufacturing and inspection process (800) is to determine the manufacturing strategy, i.e., for example, to define the parameters of the laser scan.
  • the positioning of the GO-witnesses can be identical from one production batch to another, which makes it possible to avoid moving the translators from one impression to the other.
  • the pieces are then arranged between them.
  • the GO-controls and the GO-supports are integrated during the design of the powder bed, simultaneously with the design of the temporary supports, once the grouping of parts to be manufactured simultaneously, identified.
  • Figure 8 illustrates a sequence of steps (800) of the implementation of the manufacturing and inspection method of the invention in one embodiment.
  • the method performs the layer-by-layer fabrication of parts, temporary supports and waveguides (GO-media and GO-witnesses) according to the data received from the previously created files.
  • An inspection (804) can be performed at various times during manufacture, since one or a few layers have been fabricated (802).
  • an inspection step is started to probe cooled zones, where the temperature is below 300 ° C, preferably below 100 ° C, and where the thermal gradient is limited along the waveguide.
  • an inspection can be launched at the end of the completion of each layer, or after the completion of all layers.
  • an inspection may be performed in one region of the powder bed while the laser irradiates another region to manufacture the parts concomitantly.
  • the ultrasonic inspection consists of sending an ultrasonic beam in transmission-reception mode in the control waveguide (s) and / or supports, and analyzing the received signal (s).
  • the ultrasonic inspection frequency may be between 0.5 MHz to 20 MHz, preferably between 5 MHz and 20 MHz
  • the sensor opening may range from 1.59 mm to 25.4 mm, preferably from 3.175 mm to 12.7 mm.
  • the signal analysis can be done according to known ultrasonic analysis techniques. The analysis may include the comparison of ultrasound signals received from different GO-controls.
  • Intervention / interruption of the process can be performed if faults are detected (yes branch of 808), otherwise the manufacturing process continues to manufacture the next layer (810).
  • the ultrasonic signals received on the detectors associated with the GOs can be difficult to interpret. For example, it may be difficult to decorrelate an echo defect on the walls of the room or to quantify the density of the material.
  • the analysis of the signals from the GO inspection of the invention can be coupled with that of signals from a digital simulation of the ultrasonic control.
  • signals obtained by the commercial software CIVA of the applicant makes it possible to increase the possibility of interpretation and exploitation of the signals measured by the ultrasonic inspection of the invention.
  • the additive manufacturing digital chain has the specificity of producing CAD files of a part or batch of sliced pieces, for each layer of their production, these CAD files can advantageously be used as input data (803 ) for a comparison (806) between the measured signals and the expected signals.
  • the ultrasonic inspection of the invention provides access to various levels of information on the quality of the parts produced in the powder bed. It makes it possible to detect the appearance of point defects, such as non-fused powder particles or porosities.
  • the size of the detectable defects is a function of the choice of the sensor used and the material inspected.
  • the minimum size D min of individually identifiable defects is given by the equation:
  • the inspection method of the invention makes it possible to detect localized defects of a size of several hundred micrometers.
  • the cracking of the material for example under the effect of thermal origin stresses, can also be detected as soon as cracks of the same dimensions appear.
  • the identification of such a defect is based on the detection of an echo resulting from the interaction of the ultrasonic wave with the defect, whose flight time makes it possible to locate said defect. This echo can be detected by subtracting the received signal at a previous time by the same GO.
  • GO ultrasonic testing can be used to evaluate the quality of the fused material.
  • Indicators of the porosity rate of the material or its density or the stiffness of the merged material may also be extracted from the measured signals, based in particular on the attenuation of the signal and / or its frequency spectrum and / or on the characteristics of the backscattered signal.
  • a calibration by measuring a posteriori the porosity rate or the density of different GO-controls by conventional methods (tomography, double-weighing, microscopy and image processing ...) optionally makes it possible to convert these indicators into physical quantities in certain case.
  • Another use of the ultrasound inspection method in the waveguides makes it possible to identify process deviations, characteristics of additive manufacturing in a powder bed, the first of which account the lack of layering. This defect resulting from a bad interpenetration during the fusion of two successive layers, this results in an interfacial discontinuity producing a reflection echo which is detectable.
  • the proposed ultrasonic control also makes it possible to measure the thickness of the layers produced, by converting the time of flight from the surface echo to a distance, which can also be refined by a calibration of the propagation velocities in the material produced.
  • the present description illustrates a preferred implementation of the invention, but is not limiting.
  • An example was chosen for allow a good understanding of the principles of the invention, and a concrete application, but it is in no way exhaustive and should allow the skilled person to make changes and implementation variants retaining the same principles.
  • the present invention preferably relates to the simultaneous manufacture of waveguides and parts, the method can be operated for the sole fabrication of isolated waveguides on a test plate in order to characterize the homogeneity of the bed. of powder.
  • the invention has been described for metallic materials, but it can be applied to other materials sufficiently conducting ultrasonic waves at frequencies of interest, such as certain ceramics.
  • the present invention has been described for a laser powder melting method, the method is transposable to other sources of fusion activation.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive sur lit de poudre et d'inspection ultrasonore qui comprend, simultanément à la fabrication couche par couche de pièces dans le lit de poudre, des étapes de fabrication couche par couche de guides d'ondes ultrasonores, les guides d'ondes ultrasonores permettant d'inspecter le lit de poudre et/ou les pièces pendant l'exécution du procédé de fabrication additive.

Description

PROCEDES ET DISPOSITIFS DE FABRICATION ET D'INSPECTION ULTRASONORE EN FABRICATION ADDITIVE
Domaine de l'invention
L'invention se situe dans le domaine de la fabrication additive et concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif d'inspection ultrasonore pour les procédés de fabrication additive.
Etat de la Technique
Le terme de fabrication additive désigne selon la norme NF E 67- 001 , « l'ensemble des procédés permettant de fabriquer couche par couche par ajout de matière un objet physique à partir d'un objet numérique ». Ce terme regroupe des dizaines d'appellations de technologies de fabrication, classées en sept catégories de procédés selon la norme NF ISO 17296-2 Juin 2015, parmi lesquelles figure la catégorie de fusion sur lit de poudre ayant pour abrégé (PBF) de l'anglais « Powder Bed Fusion ».
Les procédés de PBF possèdent le point commun de procéder à une fusion partielle ou totale de poudre statique, la poudre généralement provenant de matériaux métalliques, céramiques ou plastiques.
Les procédés PBF diffèrent selon la nature de la source d'énergie employée pour produire la fusion, qui peut être un laser (procédé dit LMF pour « Laser Métal Fusion »), un faisceau d'électrons ou encore une lampe infrarouge pour ne citer que ces exemples.
Longtemps dédiée au prototypage rapide, l'utilisation de la fabrication additive pour la fabrication de pièces fonctionnelles ne cesse de croître. Ses atouts sont multiples, notamment sa capacité à produire des pièces de haute complexité géométrique inatteignable par d'autres moyens, telles que des structures architecturées, couramment appelées structure « lattice » selon l'anglicisme. La plupart du temps, ces pièces construites strate-par-strate sont bâties sur des structures de supports provisoires afin de stabiliser et solidariser les pièces avec le plateau de fabrication. Ces supports sont conçus pour éviter l'effondrement de métal fondu, notamment lorsqu'une paroi de la pièce possède un angle ou un porte-à-faux important, pour limiter les déformations d'origine thermique et pour évacuer la chaleur issue de l'interaction rayonnement/poudre. Ils sont peu massifs afin d'une part pour limiter la consommation de poudre nécessaire à leur réalisation et d'autre part pour faciliter leur désolidarisation post-fabrication. Ces supports peuvent prendre diverses formes : structure alvéolaire, pylônes multiples, toile d'araignée, structure radeau « raft », etc.
Plusieurs verrous technologiques retardent cependant une plus large diffusion des procédés de PBF, notamment pour la production de pièces de haute criticité. L'un des principaux défis concerne le développement de méthodologies de contrôle et d'assurance qualité permettant de garantir la fiabilité des pièces produites. La maîtrise des procédés et l'inspection de pièces en cours de fabrication sont cruciales à plusieurs titres, notamment pour faire face à leur vitesse de fabrication limitée. Aussi, une identification précoce des non-conformités permet d'éviter des pertes de temps machine et de poudre en poursuivant la fabrication de pièces défectueuses, voire de corriger les écarts/défauts survenus par des rétroactions sur le procédé.
Ces procédés récents et complexes souffrent également de manques d'homogénéité, répétabilité et robustesse, et il n'existe pas d'inspection in-situ qui permettrait de les évaluer et les corriger. De tels contrôles de fabrication sont d'autant plus importants qu'il n'y a pas de vérification santé-matière préalable possible, la forme et le matériau étant produits simultanément, et les géométries obtenues peuvent être si complexes que les possibilités de contrôle post-fabrication sont réduites voire nulles. Dès lors, de nombreuses stratégies de contrôle de procédé ont été développées, au premier lieu desquelles on peut citer la supervision des paramètres du procédé (par exemple la puissance laser) et de l'environnement de la machine (par exemple les températures, le taux d'oxygène). D'autres méthodes se sont attachées à contrôler la surface du lit de poudre et/ou des faces affleurantes ou débouchantes des pièces, généralement par l'emploi de caméras dans les domaines du visible et de l'infrarouge. Par ailleurs, l'inspection locale du bain de fusion, généralement par une inspection optique coaxiale avec le laser produisant la fusion, fait l'objet de nombre de développements.
Néanmoins, ces divers moyens de contrôles superficiels ou très locaux ne permettent pas d'accéder au cœur de la matière produite et ne saurait garantir l'absence de défauts subsurfaciques ou volumiques. Ceci est d'autant plus important que plusieurs couches sont généralement refondues à chaque passe, limitant la portée d'une observation en surface, et que les couches enterrées subissent des modifications structurales importantes sous l'effet de forts gradients thermiques (des transformations à l'état solide, la création de champs de contrainte conséquents). Ce manque de contrôle santé-matière est dû à la difficulté d'accès à une pièce enterrée dans un lit de poudre du même matériau.
Les ultrasons ont fait l'objet de différents usages en fabrication additive, notamment comme source d'énergie permettant la fabrication (voir la demande de brevet WO2015053644), pour l'assister et l'optimiser (voir la demande de brevet WO2015031453) ou encore pour réduire le niveau de contraintes résiduelles (voir la demande de brevet US20150314373). Leur emploi à des fins de contrôle ou de caractérisation reste très limité. Des méthodes par ultrasons laser ont été employées à plusieurs reprises en fabrication additive, notamment dans le cas de procédés de lit de poudre (voir la demande EP1815936), principalement en raison de sa mise en œuvre sans contact. Cette approche présente néanmoins des limitations, qui sont : une faible efficacité de génération des ultrasons (en comparaison des traducteurs piézoélectriques) ; une forte sensibilité à l'état de surface ; un coût élevé ; et une inspection subsurfacique limitée au voisinage de la surface supérieure sur les dernières couches.
La demande de brevet WO 2015/109096 A1 décrit une méthode d'inspection ultrasonore directe d'une pièce en cours de fabrication dans un lit de poudre, via l'utilisation d'un capteur multiéléments. Cette approche présente des limitations qui la rendent très peu opératoire. En effet, elle impose de fabriquer une pièce directement sur le plateau support, afin de permettre la transmission du faisceau ultrasonore dans celle-ci. Cet ancrage important de la pièce rend sa désolidarisation du plateau délicate voire impossible sans l'endommager, et produit de fortes contraintes dues aux dilatations/rétractations d'origine thermique. Ensuite, la méthode proposée ne permet l'analyse que de pièces massives et très simples, car les procédés de fabrication en lit de poudre sont avantageux pour des pièces géométriquement complexes ayant des épaisseurs très fines, de nombreuses ramifications conduisant à des échos parasites et à une dispersion du signal utile pour lesquelles une inspection ultrasonore usuelle est mal adaptée.
II existe donc un besoin d'une solution appropriée pour inspecter des pièces en cours de fabrication lors d'un procédé de fabrication additive pour pallier les inconvénients des approches connues. La présente invention répond à ce besoin. Résumé de l'invention
Un objet de la présente invention concerne un procédé et un dispositif d'inspection et de contrôle ultrasonores de procédés de fabrication additive, et plus particulièrement la famille des procédés de fusion sur lit de poudre. Le principe général de l'invention consiste à fabriquer des guides d'onde ultrasonore simultanément à la fabrication additive d'une ou plusieurs pièces afin d'inspecter l'homogénéité dans le lit de poudre et/ou inspecter la ou les pièce(s) en cours de réalisation.
La présente invention permet de dépasser les limites majeures d'un contrôle par ultrasons de pièces de haute complexité en cours de fabrication dans un lit de poudre.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de fabrication additive qui comporte un système d'inspection par guides d'onde ultrasonore qui permet de sonder en cours de fabrication, c'est-à-dire « in-process » selon l'anglicisme consacré, le lit de poudre et/ou des zones clefs de la ou des pièces en cours de réalisation.
La présente invention vise à pallier les limites des techniques d'inspection actuelles en proposant une inspection en volume par ultrasons dans le lit de poudre.
L'invention trouvera des applications avantageuses dans de nombreux domaines techniques tels que les industries aéronautique, spatiale ou automobile, pour ne citer que ces exemples.
Avantageusement, le procédé de l'invention par une inspection ultrasonore réalisée en cours de fabrication, permet d'accéder à divers niveaux d'information sur la qualité des pièces produites dans le lit de poudre.
Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé de fabrication additive de pièces par fusion sur lit de poudre comprenant des étapes de fabrication couche par couche sur un plateau de construction d'au moins un guide d'ondes ultrasonores simultanément à la fabrication couche par couche d'au moins une pièce dans le lit de poudre, ledit au moins un guide d'ondes ultrasonores étant solidaire du plateau de construction pour assurer une liaison acoustique avec au moins un traducteur se trouvant sous le plateau de construction, et ayant une valeur minimale de la plus petite dimension de la section supérieure au rapport « c/f », « c » désignant la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore dans le matériau contrôlé et « f » la fréquence principale de l'onde ultrasonore, ledit au moins un guide d'ondes étant fabriqué de manière isolée ou solidaire de ladite au moins une pièce, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend simultanément aux étapes de fabrication couche par couche des étapes d'inspection couche par couche afin d'inspecter le lit de poudre par ledit au moins un guide d'ondes isolé de la pièce et/ou d'inspecter ladite au moins une pièce par ledit au moins un guide d'ondes solidaire de ladite au moins une pièce.
Selon des modes de réalisation :
- le procédé consiste à fabriquer simultanément une pluralité de pièces et une pluralité de guides d'ondes ultrasonores, les guides d'ondes comprenant des guides d'ondes solidaires de certaines pièces et des guides d'ondes isolés de toutes les pièces.
- le procédé consiste à fabriquer simultanément des supports provisoires pour ladite au moins une pièce, tel que au moins un guide d'ondes ultrasonores est intégré à un support provisoire.
L'invention couvre aussi un système de fabrication additive sur lit de poudre comprenant des moyens pour mettre en œuvre le procédé de fabrication additive revendiqué.
Dans un mode de réalisation, les moyens pour mettre en œuvre le procédé de fabrication comprennent des traducteurs ultrasonores aptes à envoyer et recevoir chacun au moins un faisceau ultrasonore dans au moins un guide d'ondes pour inspecter pendant la fabrication d'au moins une pièce le lit de poudre et/ou ladite au moins une pièce en cours de fabrication. Dans un autre mode de réalisation, les traducteurs sont disposés sous le plateau de construction de manière à ce que chaque traducteur puisse émettre un faisceau ultrasonore dans un guide d'onde respectif fabriqué en son regard.
De manière préférentielle, les traducteurs sont des traducteurs piézoélectriques utilisés en mode émission-réception confondues. Selon des variantes de réalisation, ledit au moins un guide d'onde :
- est fabriqué couche par couche orthogonalement au plateau de construction ;
- a une géométrie pleine, axiale et sans bifurcation ;
- a une section prédéfinie, choisie dans le groupe des sections de type base ronde, ovale, carrée, triangulaire ou rectangulaire.
Dans une utilisation usuelle, le système revendiqué comprend des moyens pour analyser des signaux reçus. L'invention a aussi pour objet, un procédé d'inspection pour fabrication additive de pièces sur lit de poudre, le procédé comprenant les étapes de :
fabriquer simultanément dans le lit de poudre, une couche pour au moins une pièce et au moins un guide d'ondes ultrasonores ;
- émettre en mode émission-réception un faisceau ultrasonore dans ledit au moins un guide d'ondes ;
analyser le signal reçu ; et
poursuivre la fabrication sur une couche supplémentaire ou l'interrompre selon le résultat de l'analyse.
Selon des modes d'exécution : - l'étape d'analyse du signal reçu consiste à déterminer s'il existe un défaut ;
- l'étape d'analyse du signal reçu consiste à déterminer s'il existe un défaut dans la pièce et/ou dans le lit de poudre ;
- l'étape d'analyse du signal reçu comprend de plus une étape de comparaison du signal reçu avec un signal issu d'une simulation numérique de contrôle ultrasonore.
L'invention a aussi pour objet un dispositif d'inspection pour fabrication additive de pièces sur lit de poudre, qui comprend des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé revendiqué.
Description des figures
Différents aspects et avantages de l'invention vont apparaître en appui de la description d'un mode préféré d'implémentation de l'invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :
La figure 1 est une représentation simplifiée d'un système de fabrication additive permettant d'implémenter le dispositif de l'invention;
La figure 2 illustre sur une vue en coupe, un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention;
Les figures 3a à 3c illustrent sur une vue en coupe la double fonctionnalité du guide d'ondes ultrasonores du dispositif de l'invention dans un mode de réalisation;
Les figures 4 à 6 illustrent sur une vue en coupe, différents modes de réalisation du dispositif de l'invention;
La figure 7 illustre le flux des opérations pour la mise en œuvre du procédé de fabrication additive de l'invention; La figure 8 illustre un enchaînement d'étapes du procédé d'inspection de l'invention dans un mode de réalisation.
Description détaillée de l'invention La figure 1 montre un système de fabrication additive (100) permettant d'implémenter le dispositif de l'invention, comprenant un plateau de construction (102) sur lequel une ou plusieurs pièces (104) sont fabriquées selon un procédé de fabrication additive sur un lit de poudre (106). Le système comprend un réservoir de poudre (108) et un diffuseur de poudre (1 10) qui permet d'amener une couche de poudre du réservoir vers le plateau support où sous l'effet d'une source de chaleur (1 12), la fusion de la poudre opère pour produire une couche de la ou des pièces à fabriquer. Le processus se répète couche par couche jusqu'à l'obtention de la ou des pièces finales. Il n'est pas décrit plus en détail le procédé complet, et l'homme du métier pourra se reporter à la nombreuse littérature sur les procédés de fabrication additive et les variantes de réalisation basées sur ce même principe.
La figure 2 est une vue en coupe d'un système de fabrication additive selon un premier mode de réalisation de l'invention. Il est à noter que les éléments identiques entre les figures portent les mêmes références. Pour des raisons de simplification de la description mais n'étant en rien limitatif, la figure montre une seule pièce arrivée au terme de sa fabrication selon un procédé sur lit de poudre par laser. L'homme du métier étendra les principes décrits aux cas de fabrication additive d'une pluralité de pièces pouvant être de taille et forme identiques ou variables, ayant des géométries simples ou complexes. Dans l'exemple choisi, la pièce (202) est fabriquée sur une structure support provisoire (204) permettant de la stabiliser sur un plateau de construction (206). Le principe général de l'invention consiste à fabriquer des guides d'ondes ultrasonores (208-1 à 208-4, 210) selon le procédé de fabrication additive sur lit de poudre, simultanément à la fabrication de la pièce. Les guides d'ondes, qui peuvent être désignés dans la description par l'acronyme GO, sont fabriqués par fusion de la poudre, tout comme les supports provisoires et les pièces. Ils sont ancrés sur la face supérieure du plateau de construction (206). La fabrication des GO est réalisée avec une stratégie de balayage similaire ou identique à celle des pièces attenantes, notamment en termes de puissance laser, vitesse laser et trajectoires, rendant l'opération d'inspection par les GO plus représentative de la qualité des pièces attenantes ou supportées.
Directement fabriqués sur le plateau de construction, les GO peuvent optionnellement présenter une légère réduction de section au niveau de leur ancrage avec le plateau et, le cas échéant, avec la pièce, afin de faciliter leur désolidarisation. L'homme du métier comprend que la réduction de section doit être limitée de sorte à ne pas induire d'artefact sur les faisceaux ultrasonores émis et réfléchis.
Les GO ont de manière préférentielle une géométrie simple, pleine et axiale, sans bifurcation tout au long de la zone d'inspection. Leur section est prédéfinie pour permettre le passage d'un faisceau ultrasonore d'inspection, tout en minimisant la consommation de poudre et de temps de procédé afin de la réaliser. Dans un mode de réalisation préférentielle, les guides d'ondes sont construits comme des cylindres érigés simultanément avec la pièce (ou le lot de pièces) et sa structure support, couche après couche. Dans différents modes de réalisation, les GO peuvent présenter d'autres géométries de sections comme des bases rondes, ovales, carrées, triangulaires, rectangulaires, etc.
La section minimale d'un GO est choisie en fonction du matériau inspecté et de l'onde ultrasonore utilisée pour l'inspection, singulièrement son type et sa fréquence. Aussi, le diamètre d'un GO est toujours choisi supérieur au rapport « c/f », et de manière préférentielle supérieur à « 3*c/f », où « c » désigne la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore dans le matériau inspecté et « f » la fréquence principale de l'onde ultrasonore. A titre d'exemple, pour l'inspection d'un lit de poudre en acier avec une onde transversale de 10 MHz, la vitesse de propagation des ondes transversales dans l'acier étant de 3230 m/s, alors le diamètre d'un GO cylindrique doit excéder « c/f=323 μηι », et de manière préférentielle doit excéder « 3*c/f=969 μηι ». La dimension préférentielle minimale d'un GO est de l'ordre du millimètre.
Revenant à la figure 2, des traducteurs ultrasonores (212-1 à 212- 4, 213) solidaires du plateau de construction sont disposés sous le plateau de manière à pouvoir émettre chacun un faisceau acoustique dans un GO fabriqué en son regard. Ainsi, sur l'exemple, un traducteur (212-1 à 212-4) est positionné respectivement sous le plateau à l'endroit de la fabrication de chaque GO (208-1 à 208-4) et de manière similaire un traducteur (213) est positionné sous le plateau à l'endroit de la fabrication du GO (210).
Dans un mode de réalisation préférentielle, le traducteur est un traducteur piézoélectrique utilisé en mode émission-réception confondues, dite « pulse-echo » selon l'anglicisme reconnu. Chaque guide d'onde permet d'acheminer un signal ultrasonore au cœur du lit de poudre pour réaliser une inspection de la santé matière. Le faisceau se propage dans le GO parallèlement à l'axe du GO. Une implémentation préférentielle est celle où les guides d'ondes sont orthogonaux au plateau de construction, c'est-à-dire verticaux dans le lit de poudre, afin de permettre que la majeure partie du signal se réfléchissant sur la face supérieure se dirige vers le récepteur. Le traducteur qui est solidaire de la face arrière du plateau de construction est monté de façon à assurer la liaison acoustique entre le traducteur et le plateau. Ceci peut être obtenu par exemple par l'emploi d'une couche d'agent de couplage (graisse, huile, colle cellulosique, gels spéciaux) qui peut avoir une épaisseur de l'ordre d'un à plusieurs dixièmes de millimètre. Le traducteur et le couplant sont sélectionnés pour résister à la température maximale du plateau (qui est fonction du matériau fusionné et de la stratégie de fabrication, typiquement de l'ordre de quelques dizaines de °C). Le diamètre d'un GO est défini de manière préférentielle comme étant celui ou légèrement supérieur (e.g. +10%) à la dimension de la pastille piézoélectrique du traducteur. Les traducteurs usuels à la date de dépôt de la demande de brevet présentant des dimensions de quelques millimètres, généralement une fraction de pouce, les GO ont par exemple un diamètre de l'ordre de 1 ,6 mm pour un capteur d'ouverture 1 /1 6 de pouce, de l'ordre de 3,4 mm pour un capteur d'ouverture 1 /8 de pouce, ou encore de l'ordre de 6,4 mm pour un capteur d'ouverture ¼ de pouce.
En vue de minimiser le temps et la poudre nécessaires à leur fabrication, de manière préférentielle le diamètre des GO pour des dispositifs de fabrication additive usuels n'excède pas quelques centimètres.
L'homme du métier peut déduire le dimensionnement de GO présentant des géométries de sections différentes selon les mêmes principes, en remplaçant le diamètre par la plus petite dimension de la section, comme le plus petit axe de l'ellipse ou le plus petit côté du rectangle par exemple.
Le ou les traducteurs sont reliés à un système d'acquisition électronique (214) qui permet la numérisation des signaux analogiques reçus de chaque traducteur. Le système d'acquisition électronique envoie à intervalles de temps fixés des puises d'excitation vers le traducteur et réceptionne tout signal réfléchit par le GO dans un intervalle de temps inférieur à l'intervalle entre les puises. Le signal numérisé peut être stocké pour être visualisé et un traitement des données peut être fait en vue de la détection d'anomalie du processus. Le traitement peut avoir pour issue de déclencher une alarme vis-à-vis du processus de fabrication et d'interrompre le cycle de fabrication en cours.
Avantageusement, selon le principe de l'invention, deux types de guides d'ondes peuvent être fabriqués simultanément à la fabrication de pièces, chaque GO ayant un emplacement et une fonctionnalité différents. Ainsi, le procédé permet de fabriquer:
- des GO-témoins ; et
- des GO-supports.
Les GO-témoins ne présentent aucun contact avec les pièces en fabrication, ils sont isolés des pièces et sont insérés dans des emplacements libres de pièces comme témoins de conformité.
Les GO-supports sont intégrés aux supports provisoires de pièces en fabrication. Un GO-support est solidaire d'une pièce, et selon son emplacement sur la pièce, il peut être solidaire de la pièce soit dès la réalisation des premières couches de la pièce, soit devenir solidaire d'une pièce ultérieurement au cours de la fabrication. Les guides d'ondes solidaires d'une pièce servent en acheminant un faisceau ultrasonore, à l'inspection de la pièce elle-même.
Sur l'exemple choisi de la figure 2, cinq guides d'ondes ultrasonores sont illustrés, un GO-témoin (210) et quatre GO-supports (208-1 à 208-4) sans que cela soit limitatif, le nombre de GO-témoins et de GO-supports pouvant varier. Une première fonction des GO-témoins est de renseigner sur l'absence d'écarts ou de défauts en cours de fabrication dans un lit de poudre, particulièrement lorsque les pièces construites simultanément présentent des complexités géométriques telles qu'elles limitent ou interdisent leur contrôle direct. Dans une implémentation avantageuse, un GO-témoin est localisé au voisinage d'une pièce, ou de chaque pièce critique. Un GO-témoin peut être disposé dans une proximité d'une pièce allant du millimètre à quelques centimètres afin d'accroître la représentativité du contrôle par GO-témoin pour qualifier une pièce. Dans d'autres implémentations, notamment dans le cas de pièces de grandes dimensions et/ou de haute criticité, une pluralité de GO-témoins peut être placée au voisinage d'une pièce, par exemple sur tout son pourtour.
Une deuxième fonctionnalité des GO-témoins est d'évaluer l'homogénéité de la fabrication au sein du lit de poudre. En effet, les lits de poudre connaissent des variabilités notoires, dues par exemple à une compacité variable de la poudre, à des hétérogénéités de températures ou à une variation de la puissance laser selon son angle d'incidence (angle supérieur en bordure du plateau par rapport au centre). La comparaison des signaux ultrasonores des différents GO-témoins, en particulier la comparaison des indicateurs de taux de porosité ou de densité, permet de qualifier l'homogénéité sur le plateau. Dans une implémentation avantageuse, une pluralité de GO-témoins identiques est répartie au sein du lit de poudre, de manière intercalée entre les différentes pièces à fabriquer. Le nombre de GO-témoins peut varier et aller de au moins un à plusieurs dizaines. Un GO-témoin diffère d'une simple pièce de contrôle en ce sens que son positionnement est adapté, voire optimisé, pour l'inspection au voisinage d'une pièce ou de l'ensemble de la surface du plateau. L'ancrage sur le plateau des GO- témoins ne ramène pas un inconvénient en ce sens que les GO-témoins peuvent être sacrificiels, contrairement à des pièces témoins. Les GO-support sont intégrés aux supports provisoires de pièces en fabrication, et servent à acheminer le faisceau ultrasonore dans la pièce. Ils diffèrent des supports provisoires en ce qu'ils ont des sections plus grandes que celles des éléments usuels. La section des GO- supports est choisie de dimension suffisante pour permettre le passage du faisceau ultrasonore d'inspection, tout en étant minimisée pour d'une part éviter une consommation excessive de poudre pour les réaliser et d'autre part éviter une trop forte concentration de contraintes.
Avantageusement, des GO-support seront disposés de manière à acheminer le faisceau dans des zones critiques de la pièce. Il peut notamment s'agir de régions dans lesquelles l'apparition de défauts est fréquente ou probable, comme par exemple la zone frontière entre un balayage laser du contour et un balayage de remplissage, les régions à fort gradient thermique ou concentration de contrainte (généralement identifiée par simulation), les trajectoires de lasers présentant de fortes courbures ou hautes vitesses de passage, où toute région connue de l'homme de l'art comme « défaut-gène ». Il peut également s'agir de zones critiques quant à la fiabilité de la pièce où toute imperfection peut avoir des conséquences importantes sur la fonction de la pièce. Il peut aussi s'agir de régions qui seront difficilement accessibles à tout contrôle post-fabrication.
Un GO-support intégré à la structure support présente avantageusement une symétrie ou une périodicité pour limiter l'asymétrie des déformations à l'échelle de la pièce. Par exemple, des GO-support peuvent être présents sur l'ensemble de la zone de supportage de la pièce, séparés par « n » supports usuels, « n » étant constant entre chaque GO-support.
Les figures 3a à 3c montrent sur une vue en coupe, différents stades de la fabrication d'une pièce (202) illustrant la fabrication de manière simultanée de guides d'ondes ultrasonores (208-1 à 208-4) selon le principe de l'invention. Sur la figure 3a qui illustre un stade précoce de la fabrication, un seul guide d'onde (208-2) atteint la pièce, ayant alors une fonctionnalité de GO-support pour inspecter la pièce. Il est visible que trois guides d'ondes (208-1 , 208-2, 208-4) qui sont aussi fabriqués simultanément n'atteignent pas la pièce. Ils peuvent alors être utilisés lors de l'inspection comme GO-témoins pour vérifier l'homogénéité du lit de poudre.
La figure 3b illustre une étape intermédiaire de fabrication de la pièce où deux guides d'ondes (208-2, 208-3) atteignant la pièce peuvent être utilisés comme GO-support et où deux guides d'ondes (208-1 , 208-2) n'atteignant pas la pièce peuvent être utilisés comme GO-témoins.
La figure 3c illustre l'étape finale où la pièce est fabriquée avec les quatre guides d'ondes (208-1 à 208-4) fabriqués simultanément, qui sont utilisés comme GO-supports.
L'exemple de la figure 3 est simplifié, mais ne limite pas les variantes de réalisation où des guides d'onde témoins, indépendants de la pièce peuvent aussi être fabriqués simultanément (comme le GO- témoin 210 sur la figure 2). Ainsi, avantageusement, le procédé de l'invention permet au cours d'un même cycle de fabrication additive sur lit de poudre de combiner l'inspection du lit de poudre de manière concomitante à celle d'une ou plusieurs pièces en fabrication.
Avantageusement, le procédé de l'invention permet au cours d'un même cycle de fabrication additive sur lit de poudre de fabriquer des pièces et des dispositifs d'inspection de ces pièces et d'inspection du lit de poudre. La figure 4 montre sur une vue en coupe un mode de réalisation de l'invention pour lequel un seul traducteur multiéléments (408) est utilisé pour plusieurs guides d'ondes supports (406-1 , 406-2, 406-3) d'une même pièce (402) ayant des supports provisoires (404). Dans cette configuration, le traducteur permet d'inspecter tour-à-tour par envoi d'un faisceau ultrasonore dans chaque GO-support, la pièce en trois localités, en adaptant les lois de retard bien connues pour diriger le faisceau selon l'axe du traducteur souhaité. Ainsi avantageusement, le dispositif de l'invention permet une inspection en plusieurs zones d'une pièce en fabrication.
Dans une implémentation où le traducteur est utilisé en mode émission-réception, configuration dite de « pulse-echo », l'inclinaison des guides d'ondes (406-1 , 406-3) est limitée à la possibilité de recevoir un signal exploitable par le récepteur. Des variantes où les GO ne sont pas perpendiculaires au plateau de construction peuvent être:
(a) Dans le cas de GO-témoin, lorsque le fond de zone locale inspectée est perpendiculaire au GO qui y achemine le faisceau. Un exemple d'une telle configuration est celui de la figure 4 où deux GO (406-1 , 406-3) sont inclinés. Le faisceau transmis au travers d'un GO-support se réfléchit sur le fond de la pièce avant de revenir au traducteur. Une telle configuration limite l'inspection (densité du matériau, mesure de l'épaisseur des couches, etc.) avant que la pièce ne soit réalisée, ou plus exactement avant que le fond de la pièce de la zone locale analysée ait été entièrement fabriqué, permettant la réflexion idoine du faisceau. Seules les méthodes de caractérisation basée sur le signal rétrodiffusé par les micro-défauts ou les échos des porosités de grandes dimensions restent opératoires.
(b) Lorsque le GO, témoin ou support, a pour seule fonction de détecter des défauts de grandes dimensions sur la base de leur écho de réflexion propre. Dans ce cas, un écho de fond n'est pas nécessaire. À la façon d'un sonar, l'absence de signal détecté témoigne de l'absence de défaut, tandis qu'un retour signifie sa présence.
(c) Lorsque des GO-témoins sont fabriqués avec une longueur inférieure à la hauteur du lit de poudre et s'achèvent par un biseau perpendiculaire à leur axe. Cette configuration n'autorise une caractérisation que lorsque le GO est achevé. Une illustration de cette configuration est présentée par la figure 5 avec les GO-témoins (506-1 , 506-2).
Dans les cas (b) et (c), l'axe du GO-témoin a préférentiellement une orientation identique à celle d'un des axes ou d'une des directions principales de la pièce, pour être plus représentatif de la qualité de la pièce.
La figure 6 illustre une variante de réalisation de l'invention dans laquelle un traducteur émetteur (608-1 ) est distinct d'un traducteur récepteur (608-2), configuration dite de « pitch and catch ». Avantageusement, cette configuration permet de réduire la sensibilité à l'orientation du défaut, notamment dans les cas de fissures.
La figure 7 illustre le flux des opérations préparatoires pour la mise en œuvre du procédé de fabrication additive et d'inspection de l'invention. Dans une première étape (702), chaque pièce devant être fabriquée est modélisée dans un système de Conception Assisté par Ordinateur (CAO). Dans une seconde étape (704), des lots de pièces sont créés par sélection de fichiers, permettant de regrouper des pièces pouvant être fabriquées simultanément sur un même lit de poudre. Dans une étape suivante (706), des modèles CAO pour les supports provisoires et pour les guides d'ondes supports et témoins sont conçus.
L'ensemble des modèles CAO - pièces, supports, GOs - est converti (708) dans un format de fichiers apte à être utilisé par un système de fabrication additive, tel le format STL, où les modèles sont décrits couche par couche. La dernière étape (710) avant de lancer le procédé de fabrication et d'inspection (800), consiste à déterminer la stratégie de fabrication, c'est-à-dire, par exemple définir les paramètres du balayage laser. Le positionnement des GO-témoins peut être identique d'un lot de fabrication à l'autre, ce qui permet d'éviter de déplacer les traducteurs d'une impression à l'autre. Les pièces sont alors disposées entre ces derniers. Préférentiellement, les GO-témoins et les GO-supports sont intégrés lors de la conception du lit de poudre, simultanément à la conception des supports provisoires, une fois le groupement de pièces à fabriquer simultanément, identifié.
La figure 8 illustre un enchaînement d'étapes (800) de la mise en œuvre du procédé de fabrication et d'inspection de l'invention dans un mode de réalisation. Le procédé opère la fabrication couche par couche des pièces, des supports provisoires et des guides d'ondes (GO-supports et GO-témoins) selon les données reçues des fichiers créés précédemment.
Une inspection (804) peut être réalisée à divers instants durant la fabrication, dès lors qu'une ou quelques couches ont été fabriquées (802). De manière préférentielle, une étape d'inspection est lancée pour sonder des zones refroidies, où la température est inférieure à 300°C, préférentiellement inférieure à 100°C, et où le gradient thermique est limité le long du guide d'ondes.
Alternativement, une inspection peut être lancée à la fin de la réalisation de chaque couche, ou encore après la réalisation de toutes les couches.
Dans d'autres variantes, une inspection peut être réalisée dans une région du lit de poudre tandis que le laser irradie une autre région pour fabriquer les pièces de manière concomitante. L'inspection ultrasonore consiste à envoyer un faisceau ultrasonore en mode émission-réception dans le(s) guide(s) d'ondes témoins et/ou supports, et analyser le(s) signal(aux) reçu(s). Dans une réalisation concrète, la fréquence ultrasonore d'inspection peut être comprise entre 0,5 MHz à 20 MHz, préférentiellement comprise entre 5 MHz et 20 MHz, l'ouverture du capteur peut aller de 1 ,59 mm à 25,4 mm, préférentiellement de 3,175 mm à 12,7 mm. L'analyse du signal peut être faite selon des techniques connues d'analyse ultrasonore. L'analyse peut comporter la comparaison des signaux ultrasonores reçus de différents GO-témoins.
Une intervention/interruption du procédé peut être réalisée si des défauts sont détectés (branche oui de 808), sinon le procédé de fabrication se poursuit pour fabriquer la couche suivante (810).
Dans les cas de géométries complexes, et/ou la présence de multiples défauts ou de bruit parasite, les signaux ultrasonores reçus sur les détecteurs associés aux GO, peuvent être délicats à interpréter. Il peut par exemple être difficile de décorréler un défaut d'un écho sur les parois de la pièce ou de quantifier la densité du matériau. Aussi, avantageusement, l'analyse des signaux issus de l'inspection par les GO de l'invention peut être couplée avec celle de signaux issus d'une simulation numérique du contrôle ultrasonore. Dans une application concrète, des signaux obtenus par le logiciel commercial CIVA du déposant, permet d'augmenter la possibilité d'interprétation et d'exploitation des signaux mesurés par l'inspection ultrasonore de l'invention. Comme la chaîne numérique de la fabrication additive présente la spécificité de produire des fichiers CAO d'une pièce ou d'un lot de pièces tranchées, pour chaque couche de leur réalisation, ces fichiers CAO peuvent avantageusement être utilisés comme données d'entrées (803) pour une comparaison (806) entre les signaux mesurés et les signaux attendus. Ainsi avantageusement, l'inspection ultrasonore de l'invention permet d'accéder à divers niveaux d'information sur la qualité des pièces produites dans le lit de poudre. Elle permet de détecter l'apparition de défauts ponctuels, tels des particules de poudre non-fusionnées ou des porosités.
La dimension des défauts détectables est fonction du choix du capteur utilisé et du matériau inspecté. La taille minimale Dmin des défauts individuellement identifiables est donnée par l'équation :
Dmin > λ/2 = c/(2*f)
où « λ » est la longueur d'onde ultrasonore dans le matériau inspecté, « c » est la vitesse des ultrasons dans ce matériau et « f » est la fréquence ultrasonore d'inspection. En pratique, en raison du bruit de mesure, il est estimé que la dimension des défauts identifiables Dmir, est de l'ordre de :
Dmini > λ = c/f
A titre d'exemple, une inspection par ondes transversales de 20 MHz dans l'acier (caCier=3230 m/s) a pour limite absolue de détection Dmir, =3230 / (2*20.106) = 81 μηι, ou en pratique, de l'ordre de Dmin=1 62 μηι.
Selon le niveau de bruit, ces valeurs peuvent varier, cependant la méthode d'inspection de l'invention permet de détecter des défauts localisés d'une dimension de plusieurs centaines de micromètres.
La fissuration du matériau, par exemple sous l'effet de contraintes d'origine thermiques, peut également être détectée dès l'apparition de fissures de mêmes dimensions. L'identification d'un tel défaut se base sur la détection d'un écho issu de l'interaction de l'onde ultrasonore avec le défaut, dont le temps de vol permet de localiser ledit défaut. Cet écho peut être détecté par soustraction du signal reçu à un temps précédent par le même GO. Dans un autre mode de mise en œuvre, le contrôle ultrasonore par GO peut être utilisé pour évaluer la qualité du matériau fusionné. Des indicateurs du taux de porosité du matériau ou de sa densité ou de la raideur du matériau fusionné peuvent également être extraits des signaux mesurés, en se basant notamment sur l'atténuation du signal et/ou son spectre fréquentiel et/ou sur les caractéristiques du signal rétrodiffusé. Un étalonnage en mesurant a posteriori le taux de porosité ou la densité de différents GO-témoins par des méthodes conventionnelles (tomographie, double-pesage, microscopie et traitement d'image...) permet optionnellement de convertir ces indicateurs en grandeurs physiques dans certain cas.
Une autre utilisation de la méthode d'inspection par ultrasons dans les guides d'onde, permet d'identifier des écarts de procédé, caractéristiques de la fabrication additive en lit de poudre, au premier desquels compte le défaut de mise en couche. Ce défaut résultant d'une mauvaise interpénétration lors de la fusion de deux couches successives, cela se traduit par une discontinuité interfaciale produisant un écho de réflexion qui est détectable.
Le contrôle ultrasonore proposé permet également de mesurer l'épaisseur des couches produites, par la conversion du temps de vol de l'écho de surface en distance, qui peut également être affiné par un étalonnage des vitesses de propagation dans le matériau produit.
Par ailleurs, avantageusement après la fabrication simultanée d'un lot de pièces et de GO (témoin et/ou support), ces derniers peuvent être prélevés pour des analyses (destructives) complémentaires, leur proximité avec les pièces dans le lit de poudre les rendant fort représentatives de celles-ci. On peut citer à titre d'exemple des caractérisations métallurgiques ou des essais mécaniques (après usinage ou non).
La présente description illustre une implémentation préférentielle de l'invention, mais n'est pas limitative. Un exemple a été choisi pour permettre une bonne compréhension des principes de l'invention, et une application concrète, mais il n'est en rien exhaustif et doit permettre à l'homme du métier d'apporter des modifications et variantes d'implémentation en conservant les mêmes principes. Ainsi, bien que la présente invention concerne de manière préférentielle la fabrication simultanée de guides d'ondes et de pièces, le procédé peut être opéré pour la seule fabrication de guides d'ondes isolés sur un plateau test afin de caractériser l'homogénéité du lit de poudre. Par ailleurs, l'invention a été décrite pour des matériaux métalliques, mais elle peut être appliquée à d'autres matériaux suffisamment conducteurs d'ondes ultrasonores aux fréquences d'intérêt, comme certaines céramiques. Enfin, bien que la présente invention a été décrite pour un procédé de fusion de poudre par laser, la méthode est transposable à d'autres sources d'activation de la fusion.

Claims

Revendications
Un procédé de fabrication additive de pièces par fusion sur lit de poudre comprenant des étapes de fabrication couche par couche sur un plateau de construction d'au moins un guide d'ondes ultrasonores simultanément à la fabrication couche par couche d'au moins une pièce dans le lit de poudre, ledit au moins un guide d'ondes ultrasonores étant solidaire du plateau de construction pour assurer une liaison acoustique avec au moins un traducteur se trouvant sous le plateau de construction, et ayant une valeur minimale de la plus petite dimension de la section supérieure au rapport « c/f », « c » désignant la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore dans le matériau contrôlé et « f » la fréquence principale de l'onde ultrasonore, ledit au moins un guide d'ondes étant fabriqué de manière isolée ou solidaire de ladite au moins une pièce, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend simultanément aux étapes de fabrication couche par couche des étapes d'inspection couche par couche afin d'inspecter le lit de poudre par ledit au moins un guide d'ondes isolé de la pièce et/ou d'inspecter ladite au moins une pièce par ledit au moins un guide d'ondes solidaire de ladite au moins une pièce.
Le procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste à fabriquer simultanément une pluralité de pièces et une pluralité de guides d'ondes ultrasonores, et en ce que les guides d'ondes comprennent des guides d'ondes solidaires de certaines pièces et des guides d'ondes isolés de toutes les pièces. Le procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend la fabrication simultanée de supports provisoires pour ladite au moins une pièce, et en ce que au moins un guide d'ondes ultrasonores est intégré à un support provisoire.
Un système de fabrication additive sur lit de poudre comprenant des moyens pour mettre en œuvre le procédé de fabrication additive selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
Le système selon la revendication 4 dans lequel les moyens pour mettre en œuvre le procédé de fabrication comprennent des traducteurs ultrasonores aptes à envoyer et recevoir chacun au moins un faisceau ultrasonore dans au moins un guide d'ondes pour inspecter pendant la fabrication d'au moins une pièce le lit de poudre et/ou ladite au moins une pièce en cours de fabrication.
Le système selon la revendication 5 dans lequel les traducteurs sont disposés sous le plateau de construction de manière à ce que chaque traducteur puisse émettre un faisceau ultrasonore dans un guide d'onde respectif fabriqué en son regard.
Le système selon la revendication 5 ou 6 dans lequel les traducteurs sont des traducteurs piézoélectriques utilisés en mode émission-réception confondues.
Le système selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 dans lequel ledit au moins un guide d'onde est fabriqué couche par couche orthogonalement au plateau de construction. 9. Le système selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 dans lequel ledit au moins un guide d'onde a une géométrie pleine, axiale et sans bifurcation.
10. Le système selon l'une quelconque des revendications 4 à 9 dans lequel ledit au moins un guide d'onde a une section prédéfinie choisie dans le groupe des sections de type base ronde, ovale, carrée, triangulaire ou rectangulaire.
1 1 . Le système selon l'une quelconque des revendications 5 à 10 comprenant de plus des moyens pour analyser des signaux reçus.
12. Un procédé d'inspection pour fabrication additive de pièces sur lit de poudre, le procédé comprenant les étapes de :
- fabriquer simultanément dans le lit de poudre, une couche pour au moins une pièce et au moins un guide d'ondes ultrasonores ;
- émettre en mode émission-réception un faisceau ultrasonore dans ledit au moins un guide d'ondes ;
- analyser le signal reçu ; et
- poursuivre la fabrication sur une couche supplémentaire ou l'interrompre selon le résultat de l'analyse.
13. Le procédé selon la revendication 12 dans lequel l'étape d'analyse du signal reçu consiste à déterminer s'il existe un défaut.
14. Le procédé selon la revendication 13 dans lequel l'étape d'analyse du signal reçu consiste à déterminer s'il existe un défaut dans la pièce et/ou dans le lit de poudre. 15. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14 dans lequel l'étape d'analyse du signal reçu comprend de plus une étape de comparaison du signal reçu avec un signal issu d'une simulation numérique de contrôle ultrasonore.
16. Dispositif d'inspection pour fabrication additive de pièces sur lit de poudre, le dispositif comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 15.
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