EP3774132A1 - Dispositif de chauffage a confinement magnétique pour appareil de fabrication additive sélective - Google Patents

Dispositif de chauffage a confinement magnétique pour appareil de fabrication additive sélective

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EP3774132A1
EP3774132A1 EP19720981.0A EP19720981A EP3774132A1 EP 3774132 A1 EP3774132 A1 EP 3774132A1 EP 19720981 A EP19720981 A EP 19720981A EP 3774132 A1 EP3774132 A1 EP 3774132A1
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EP
European Patent Office
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plasma
powder
heating
generating device
plasma generating
Prior art date
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Pending
Application number
EP19720981.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Gilles WALRAND
Tiberiu Minea
Charles BALLAGE
Daniel LUNDIN
Thomas Petty
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
AddUp SAS
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
AddUp SAS
Universite Paris Saclay
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, AddUp SAS, Universite Paris Saclay filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to the general field of selective additive manufacturing.
  • a general object of the invention is to overcome the disadvantages of the configurations proposed so far.
  • an object of the invention is to propose a solution that allows heating without loading and lifting of powder.
  • Another object is to propose a heating solution (performed before or after a selective melting step) operating at very low pressure, so as to optimize the performance of the powder melting device.
  • Yet another purpose is to provide a solution that can reduce costs and times of preheating or post-treatment by heating in manufacturing cycles.
  • Another object of the invention is to propose a simple construction solution.
  • Another aim is also to provide an effective heating solution, over a wide range of pressures, while remaining at low pressure ( ⁇ 0.1 mbar).
  • a plasma generating device said device being adapted to be arranged and moved above the powder bed, at a distance from the powder bed enabling the plasma to be generated thereon,
  • control unit for controlling the supply and the displacement of the plasma generating device
  • the plasma generating device comprises a magnetic confinement assembly of the plasma.
  • the plasma is confined and located in a restricted area, optimizing the preheating of the powder bed.
  • the energy efficiency of the heating cycle is thus improved, thereby decreasing the duration and cost of a preheating or heating cycle.
  • the magnetron device comprises a magnet arrangement configured to confine electrons in a linear pattern
  • the magnetron type device comprises an ion source slot, the slot being formed through the electrode and opening opposite the powder bed;
  • the plasma generating device is adapted to be displaced with a main displacement component perpendicular to the direction in which it extends;
  • the unit for the power supply of said plasma generating device comprises a continuous high voltage source and / or radiofrequency and / or pulse.
  • the invention proposes an apparatus for manufacturing a three-dimensional object by selective additive manufacturing comprising in an enclosure: a support for the deposition of successive layers of additive manufacturing powder,
  • At least one power source suitable for the selective consolidation of a layer of powder applied by the distribution arrangement
  • This apparatus may include a dispensing arrangement having a squeegee or layering roll, the plasma generating device extending proximate to or movable with said squeegee or roll, or placed on an independent movable device like a robot arm for example.
  • the invention proposes a manufacture of a three-dimensional object by selective additive manufacturing, said method comprising the steps:
  • At least one heating step is carried out before and / or after the consolidation step.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an additive manufacturing apparatus comprising a heating device according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a plasma generating device heating a bed of powder according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a magnetron plasma generation device according to the invention.
  • FIG. 4 is a diagram of the structure of a magnet arrangement of a magnetron device according to the invention
  • FIG. 5 is a 3D block diagram, seen from below, showing the operation of a magnetron cathode device in accordance with the invention
  • FIG. 6 is a diagrammatic sectional view showing an embodiment of a magnetron cathode device in accordance with the invention optionally equipped with a rotating electrode (cathode);
  • FIG. 7 is a 3D representation, seen from below, of a second embodiment of a magnetic confinement plasma generation device generating an ion beam according to the invention (also known as inverted magnetron) );
  • FIG. 8 is a schematic representation of a powder bed heated by means of a heating device according to the invention.
  • the selective additive manufacturing apparatus 1 of FIG. 1 comprises:
  • a support such as a horizontal plate 3 on which are deposited successively the various layers of additive manufacturing powder (metal powder, ceramic powder, etc.) making it possible to manufacture a three-dimensional object (object 2 in the shape of a fir tree in FIG. )
  • additive manufacturing powder metal powder, ceramic powder, etc.
  • this arrangement 4 comprising for example a squeegee 5 or a layering roll for spreading the different successive layers of powder (displacement along the double arrow A),
  • control unit 9 which controls the various components of the apparatus 1 according to pre-stored information (memory M), a mechanism 10 for enabling the support of the plate 3 to be lowered as the layers are deposited (displacement along the double arrow B).
  • the set 8 comprises two sources of consolidation:
  • the assembly 8 may comprise only one source, for example a source of energy located under vacuum or at very low pressure ( ⁇ 0.1 mbar): electron gun, laser source, etc.
  • the assembly 8 may also include several sources of the same type, such as for example several electron guns and / or laser sources, or means for obtaining several beams from the same source.
  • At least one galvanometric mirror 14 makes it possible to orient and move the laser beam coming from the source 12 with respect to the object 2 as a function of the information sent by the imaging unit. control 9.
  • the assembly 8 comprises several sources 12 of the laser type and the displacement of the different laser beams is obtained by moving the different sources 12 of the laser type above the layer of powder to be fused.
  • Deflection and focusing coils 15 and 16 locally deflect and focus the electron beam on the layer areas to be sintered or fused.
  • a heat shield T can be interposed between the source or sources of the assembly 8.
  • the components of the apparatus 1 are arranged within a sealed enclosure 17 connected to at least a vacuum pump 18 which maintains a high vacuum inside said chamber 17 (typically about 10 2/10 -3 mbar or even 10 4/10 -6 mbar).
  • the apparatus further comprises a heating device 19 disposed above the bed of powder and able to move linearly with respect thereto.
  • This heating device 19 can be placed behind the squeegee 5 or the layering roller on the same sliding carriage. It can also be mounted on an independent trolley or on a robot arm. In the latter case (not shown) the pattern described by the magnetic trap of the magnetron cathode can be of any other shape than linear, allowing for example a localized heating.
  • the displacement of said heating device 19, its power supply and its residence time in front of the powder bed that is to be heated or preheated are also controlled by the unit 9.
  • the heating device 19 comprises a plasma generation device 20 that is moved above the metal powder bed (solid or granular surface 21, made up of micro- or nanoparticles). powder).
  • the source 22 allows the application of a high voltage (> 0.2 kV) between the plasma generating device 20 and the surface 21 of the powder bed.
  • the supply thus made by the source 22 can be direct current, low frequency, radio frequency (RF), or pulse.
  • RF radio frequency
  • the plasma generating device 20 generates, under the effect of said source 22, electric discharges between the plasma generating device 20 and the surface 21 and creates a plasma, which provides the heating of the surface 21.
  • the plasma generating device 20 extends substantially parallel to the surface 21. It is moved parallel to said surface 21, perpendicular to the direction in which it extends. Such a configuration allows homogeneous heating on a surface of the powder bed corresponding to the length of the plasma generating device 20 and its displacement distance.
  • the surface 21 of the powder bed is for example connected to ground.
  • the heating can be performed before the consolidation step, thus constituting a preheating step, so as to avoid powder splashes.
  • a heating step can be performed after the consolidation step, thus constituting a post-heating step, so as to anneal the material or limit the quenching effect by the working atmosphere, or to control the evolution of the cooling temperature so as to obtain a particular crystalline structure.
  • this device comprises a magnetic plasma confinement system.
  • FIG. 3 shows a plasma confinement assembly comprising a linear plasma generation magnetron device 23.
  • It comprises an electrode 24, preferably polarized negatively (and playing, in this case, the role of cathode).
  • Magnets can be permanent or electromagnets, or a combination of both.
  • the electrode 24 can be powered (source 22) in direct current (DC), in Radio Frequency (RF) or in high power pulse mode (HiPIMS - High Power Impulse). Magnetron Sputtering, but usually receiving a negative voltage.
  • DC direct current
  • RF Radio Frequency
  • HiPIMS High Power Pule
  • the constituent material of the electrode 24 may be an electrical conductor, an insulator or a semiconductor.
  • a circulation 26 of a cooling fluid (for example water, glycol, etc.) is provided in the electrode 24, powered by an external system.
  • the refrigerant may for example be injected through orifices in one of the walls of the carriage 27, and may for example be circulated between the rows of magnets of the magnet arrangement 25, the fluid thus also being contact with the electrode 24 and cooling thereof.
  • the refrigerant can then be extracted through a second orifice in the carriage 27.
  • Such a magnetron device 23 is mounted inside the enclosure 17 on a carriage 27 disposed above the bed of powder and able to move linearly relative thereto (double arrow in the figure).
  • This carriage 27 is for example that of the layering roller, the magnetron device 23 being disposed behind said roller (with respect to the direction of advance thereof).
  • an example of a magnet arrangement 25 comprises two rows of magnets arranged to form a linear track 28.
  • the magnets of opposite polarities are thus arranged on either side of the track 28.
  • the magnetic field generated by the magnets traps the electrons around the magnetic field lines, on the side of the electrode 24 facing the powder bed, and thus increases the ionization of the gas along a linear pattern 29 along the magnetic field. runway 28, as shown in FIG.
  • This magnetic configuration concentrates the electrons and along the pattern 29, forming a plasma along said pattern 29.
  • an alternating arrangement (north and south to center, or vice versa) is generally made to provide a closed magnetic track 28 as illustrated in FIG.
  • the arrangement of magnets 25 is therefore configured to generate a magnetic field that will concentrate the electrons in a determined area.
  • it is a linear pattern, but the magnets could be arranged to form any other geometric model, such as a circle or a curve.
  • the concentration of electrons in a given zone makes it possible to promote local ionization of the gas in the zone, and the presence of a magnetic trap makes it possible to confine the plasma in a precise zone, even at very low pressure.
  • a low operating pressure implies a lower density of the atmosphere. surrounding and therefore less shock between the electrons emitted by the source 12 and the surrounding gas.
  • the presence of a magnetic field makes it possible to concentrate the electrons in an area and thus to promote the formation of a plasma despite the low density of the surrounding atmosphere.
  • the width of the heated zone is then reduced, which improves the heating accuracy.
  • the decrease in the operating pressure limits the surrounding oxygen level, which limits the formation of oxides and fumes.
  • the molten material is therefore less polluted by fumes and oxides.
  • the denudation phenomenon which consists of a depletion of the metal powders in the zone surrounding the solidified track due to the blowing of these powders by a flow of metal vapor generated by the melting of the powders during the laser heating, is also strongly limited by reducing the surrounding pressure.
  • the metal vapors produced during the melting of the powders are then less dense and the flow of these vapors does not blow the powders.
  • the magnetic field B is configured to trap only the electrons, without altering the behavior of the ions.
  • the mass ratio between the electrons and the ions generates a similar ratio between their respective magnetic gyration radii (Larmor rays).
  • the plasma thus created is confined between the electrode 24 and the free surface 21 of the powder bed.
  • a magnetron device 23 By placing such a magnetron device 23 with the homogeneous part (plasma or ion beam) towards the powder bed, it is possible to effectively transfer energy from the plasma species to the powder and thus to heat it.
  • the energy is transmitted to the powder by several biases simultaneously coexisting in a plasma. These are charged species, electrons and ions, but also neutral energy species, including atomized neutral atoms of the electrode (cathode), non-radiative excited states (metastable), and photons.
  • the surface (powder) receives the two charged species, the charge effects (Coulomb repulsion) are reduced or even eliminated.
  • the denser the plasma the greater the energy transmitted to the surface.
  • the amount of energy in the case of ions but more generally for any type of plasma, can easily be adjusted by the ionic acceleration voltage or the power injected into the plasma. Better control can be achieved by the pulsed operation of the plasma, alternating heating phases (active plasma - ON, in English) and thermal expansion phases (plasma OFF). Changing the ON / OFF period, also known as the duty cycle, makes it easy to adjust the temperature.
  • the magnet arrangement 25 is fixedly mounted relative to the magnetron device 23, the electrode 24 being rotatably mounted along the axis along which it extends.
  • the position and orientation of the magnetic field with respect to the magnetron device 23 does not change during operation, making it possible to control the plasma formation zone.
  • the electrode 24 is rotated. In this way, the part of the electrode 24 which is exposed to the plasma changes regularly, limiting the heating of a particular zone, the plasma being always confined to the magnetic trap generated by the magnet arrangement 25 which has a fixed orientation relative to the magnetron device 23, in particular to the surface 21 of the powder bed, as illustrated in FIG.
  • Variations of magnetron cathodes also make it possible to obtain a linear and homogeneous plasma.
  • the electrode 24 is a plane electrode.
  • the magnetron device may comprise an electrode 24 in which a slot 30 is formed.
  • the slot 30 is arranged opposite the track 28, the track 28 being formed by a cavity extending between the rows of the magnet arrangement 25.
  • An injection port 31 is formed in a wall of the carriage 27, at the bottom of the cavity formed by the track 28 and the slot 30.
  • a gas is injected into the cavity through the injection orifice 31. During the excitation of the cathode 24, the gas is then strongly ionized by the electrons effectively trapped by the magnetic field B generated by the magnet arrangement. 25.
  • the gas injected through the injection orifice 31 is the gas forming the working atmosphere, making it possible to simplify the apparatus.
  • the cavity formed by the track 28 and the slot 30 thus forms an ion source.
  • the magnetic barrier generated by the magnet arrangement increases the electrical resistance of the plasma, thereby generating a potential difference in the Hall effect plasma.
  • a charge movement generated by the magnetic field B and an electric field generated by the excitation of the cathode 24 causes a circulation of electrons along the track 28, facing the slot 30, leading to the homogenization of the plasma.
  • the ions, not magnetized, are projected by the electric field through the slot 30.
  • the slot 30 is ideally located opposite the powder bed, so as to project the plasma jet on the surface 21 to be heated.
  • the plasma generating device 20 is of any other shape than linear and is adapted to be moved with a robot.
  • this plasma generating device 20 By moving this plasma generating device 20 it is possible to scan the surface 21 of the powder bed. Keeping the plasma lit and performing a full scan of the surface 21 of the powder bed, thereby superficially heating the bed of powder.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de chauffage d'un lit de poudre dans un appareil de fabrication additive, caractérisé en ce qu'il comporte : - un dispositif de génération de plasma (20), ledit dispositif étant adapté pour être disposé et déplacé au-dessus du lit de poudre, à une distance du lit de poudre permettant la génération du plasma sur celui-ci, - une unité pour l'alimentation électrique (22) dudit dispositif de génération de plasma, - une unité de contrôle (9) pour commander l'alimentation et le déplacement du dispositif de génération de plasma, et en ce que le dispositif de génération de plasma (20) comporte un ensemble de confinement magnétique du plasma.

Description

DISPOSITIF DE CHAUFFAGE A CONFINEMENT MAGNETIQUE
POUR APPAREIL DE FABRICATION APPITIVE SELECTIVE
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention concerne le domaine général de la fabrication additive sélective.
Plus particulièrement, elle concerne les traitements de chauffage, et notamment de préchauffe, éventuellement de post-traitement in situ par chauffage que l'on met en œuvre sur les lits de poudre avant la fusion sélective.
La fabrication additive sélective consiste à réaliser des objets tridimensionnels par consolidation de zones sélectionnées sur des strates successives de matériau pulvérulent (poudre métallique, poudre de céramique, etc...). Les zones consolidées correspondent à des sections successives de l’objet tridimensionnel. La consolidation se fait par exemple couche par couche, par une fusion sélective totale ou partielle réalisée avec une source de puissance (faisceau laser de forte puissance, faisceau d'électrons, etc.).
Classiquement, pour éviter les projections dues à la répulsion électrostatique de particules de poudre adjacentes qui se chargent sous l'effet du faisceau de la source de puissance, le lit de poudre est préalablement consolidé par une préchauffe. Cette préchauffe assure une montée en température du lit de poudre à des températures qui peuvent être assez conséquentes (environ 750 °C pour les alliages de Titane).
Elle a toutefois un fort coût énergétique.
Elle représente en outre une perte en temps de cycle importante.
Afin d'optimiser les performances des sources de puissance utilisées, il est connu de travailler en enceinte hermétique dans laquelle est réalisé un vide partiel, notamment afin de réduire les transferts d'énergie entre le signal émis par la source de puissance et l'atmosphère environnante de manière à améliorer les transferts d'énergie entre la source de puissance et le lit de poudre. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Un but général de l'invention est de pallier les inconvénients des configurations proposées jusqu'à présent.
Notamment, un but de l'invention est de proposer une solution qui permette une chauffe sans chargement et soulèvement de poudre.
Un autre but est de proposer une solution de chauffage (réalisée avant ou après une étape de fusion sélective) fonctionnant à très basse pression, de manière à optimiser les performances du dispositif de fusion des poudres.
Un autre but encore est de proposer une solution qui permette de réduire les coûts et les temps de préchauffe ou de post-traitement par chauffage dans les cycles de fabrication.
Un autre but de l'invention est de proposer une solution simple de construction.
Un autre but également est de proposer une solution de chauffage efficace, sur une large gamme de pressions, tout en restant à basse pression (< 0,1 mbar).
Ainsi, selon un premier aspect, l'invention propose un dispositif de chauffage d'un lit de poudre dans un appareil de fabrication additive, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un dispositif de génération de plasma, ledit dispositif étant adapté pour être disposé et déplacé au-dessus du lit de poudre, à une distance du lit de poudre permettant la génération du plasma sur celui-ci,
- une unité pour l'alimentation électrique dudit dispositif de génération de plasma,
- une unité de contrôle pour commander l'alimentation et le déplacement du dispositif de génération de plasma,
et en ce que le dispositif de génération de plasma comporte un ensemble de confinement magnétique du plasma. De cette manière, le plasma est confiné et localisé dans une zone restreinte, optimisant le préchauffage du lit de poudre.
Le rendement énergétique du cycle de chauffage est donc amélioré, diminuant de ce fait la durée et le coût d'un cycle de préchauffage ou de chauffage.
Un tel dispositif peut être avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- l'ensemble de confinement de plasma comporte un dispositif de type magnétron adapté pour confiner des particules chargées ;
- le dispositif magnétron comporte un arrangement d'aimants configuré pour confiner des électrons suivant un motif linéique ;
- le dispositif de type magnétron comporte une fente formant source d'ions, la fente étant ménagée à travers l'électrode et débouchant en regard du lit de poudre ;
- un gaz est injecté dans la fente ;
- le dispositif de génération de plasma est adapté pour être déplacé avec une composante principale de déplacement perpendiculaire à la direction selon laquelle il s'étend ;
- l'unité pour l'alimentation électrique dudit dispositif de génération de plasma comprend une source de haute tension continue et/ou radiofréquence et/ou impulsionnelle.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive sélective comportant dans une enceinte : un support pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive,
un arrangement de distribution adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit support ou sur une couche précédemment consolidée,
au moins une source de puissance adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution,
l'appareil comportant un dispositif de chauffage conforme à la présente invention, le dispositif de génération de plasma du dispositif de chauffage étant adapté pour être disposé et déplacé au-dessus du lit de poudre, à une distance du lit de poudre permettant la génération du plasma sur celui-ci, le dispositif de génération de plasma comportant en outre un ensemble de confinement magnétique de plasma.
Cet appareil peut comporter un arrangement de distribution comportant une raclette ou un rouleau de mise en couche, le dispositif de génération de plasma s'étendant à proximité de ladite raclette ou rouleau et étant mobile avec celui-ci, ou placé sur un dispositif mobile indépendant tel un bras robot par exemple.
Selon un troisième aspect, l'invention propose une fabrication d'un objet tridimensionnel par fabrication additive sélective, ladite méthode comportant les étapes :
Dépôt d'une couche de poudre sur un support ou une couche précédemment solidifiée,
Consolidation de la zone préalablement préchauffée, la consolidation étant réalisée au moyen d'une source de puissance,
la méthode comportant en outre une étape de chauffage d'au moins une zone localisée de la couche de poudre au moyen d'un dispositif de chauffage conforme à la présente invention, le chauffage du lit de poudre étant réalisé par un plasma confiné. Une telle méthode peut être avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- au cours de l'étape de chauffage, le dispositif de génération de plasmaconfine les particules chargées dans une localisation précise, de manière à maîtriser la formation des décharges électriques lors de l'alimentation de l'électrode, générant un plasma confiné de manière à maximiser le transfert thermique entre le plasma et le lit de poudre ; au cours de l'étape de chauffage, un gaz est injecté dans le dispositif de génération de plasma pour y être ionisé, le champ magnétique induisant une projection du gaz ionisé de manière à générer un jet de plasma confiné, orienté vers la poudre ;
- au moins une étape de chauffage est réalisée avant et/ou après l'étape de consolidation.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil de fabrication additive comportant un dispositif de chauffage conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ;
- la figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif de génération de plasma chauffant un lit de poudre conforme à l'invention ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un dispositif de génération de plasma à magnétron conforme à l'invention ;
- la figure 4 est un schéma de la structure d'un arrangement d'aimants d'un dispositif à magnétron conforme à l'invention ; - la figure 5 est un schéma de principe en 3D, en vue de dessous, mettant en lumière le fonctionnement d'un dispositif à cathode magnétron conforme à l'invention ;
- la figure 6 est une vue schématique en coupe représentant un mode de réalisation d'un dispositif à cathode magnétron conforme à l'invention équipé en variante d'une électrode (cathode) rotative ;
- la figure 7 est une représentation en 3D, en vue de dessous, d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de génération de plasma à confinement magnétique générant un faisceau d'ions conforme à l'invention (connu aussi comme magnétron inversé) ;
- la figure 8 est une représentation schématique d'un lit de poudre chauffé au moyen d'un dispositif de chauffage selon l'invention.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET
DE RÉALISATION
Généralités
L’appareil 1 de fabrication additive sélective de la figure 1 comprend :
- un support tel qu'un plateau horizontal 3 sur lequel sont déposées successivement les différentes couches de poudre de fabrication additive (poudre métallique, poudre de céramique, etc.) permettant de fabriquer un objet tridimensionnel (objet 2 en forme de sapin sur la figure),
- un réservoir de poudre 7 situé au-dessus du plateau 3,
- un arrangement 4 pour la distribution de ladite poudre métallique sur le plateau, cet arrangement 4 comportant par exemple une raclette 5 ou un rouleau de mise en couche pour étaler les différentes couches successives de poudre (déplacement selon la double flèche A),
- un ensemble 8 de sources d’énergie pour la fusion (totale ou partielle) des couches fines étalées,
- une unité de contrôle 9 qui assure le pilotage des différents composants de l'appareil 1 en fonction d'informations pré-mémorisées (mémoire M), - un mécanisme 10 pour permettre de descendre le support du plateau 3 au fur et à mesure du dépôt des couches (déplacement selon la double flèche B).
Dans l'exemple décrit en référence à la figure 1, l’ensemble 8 comprend deux sources de consolidation :
- un canon à faisceau d’électrons 11 et
- une source 12 de type laser.
En variante, l'ensemble 8 peut ne comprendre qu'une source, par exemple une source d'énergie localisée sous vide ou à très basse pression (< 0.1 mbar) : canon à électrons, source laser, etc...
Toujours en variante, l'ensemble 8 peut aussi comprendre plusieurs sources du même type, comme par exemple plusieurs canons à électrons et/ou sources laser, ou des moyens permettant d'obtenir plusieurs faisceaux à partir d'une même source.
Dans l'exemple décrit en référence à la figure 1, au moins un miroir galvanométrique 14 permet d’orienter et de déplacer le faisceau laser issu de la source 12 par rapport à l’objet 2 en fonction des informations envoyées par l’unité de contrôle 9.
Tout autre système de déviation peut bien entendu être envisagé.
Dans un autre exemple non illustré, l'ensemble 8 comprend plusieurs sources 12 de type laser et le déplacement des différents faisceaux laser est obtenu en déplaçant les différentes sources 12 de type laser au-dessus de la couche de poudre à fusionner. Des bobines 15 et 16 de déflection et de focalisation permettent de défléchir et de focaliser localement le faisceau d'électrons sur les zones de couches à fritter ou fusionner.
Un bouclier thermique T peut être interposé entre la ou les sources de l'ensemble 8.
Les composants de l’appareil 1 sont agencés à l’intérieur d’une enceinte étanche 17 reliée à au moins une pompe à vide 18 qui maintient un vide secondaire à l’intérieur de ladite enceinte 17 (typiquement environ 10 2 / 10 3 mbar, voire 10 4 / 10 6 mbar). L'appareil comprend en outre un dispositif de chauffage 19 disposé au-dessus du lit de poudre et apte à se déplacer linéairement par rapport à celui-ci.
Ce dispositif de chauffage 19 peut être disposé derrière la raclette 5 ou le rouleau de mise en couche sur un même chariot coulissant. Il peut également être monté sur un chariot indépendant ou sur un bras robot. Dans ce dernier cas (non illustré) le motif décrit par le piège magnétique de la cathode magnétron peut être de toute autre forme que linéaire, permettant par exemple un chauffage localisé.
Le déplacement dudit dispositif de chauffage 19, son alimentation et son temps de résidence devant le lit de poudre que l'on souhaite chauffer ou préchauffer sont également contrôlés par l'unité 9.
Chauffage par décharge linéaire confinée magnétiquement
Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le dispositif de chauffage 19 comporte un dispositif de génération de plasma 20 que l'on déplace au- dessus du lit de poudre métallique (surface 21 massive ou granulaire, constituée de micro- ou nano-poudre).
Ce dispositif de génération de plasma 20 est alimenté par une source d'excitation électrique 22 commandée par l'unité de contrôle 9.
La source 22 permet l'application d'une haute tension (> 0,2 kV) entre le dispositif de génération de plasma 20 et la surface 21 du lit de poudre.
L'alimentation ainsi réalisée par la source 22 peut être en courant continu, en basse fréquence, en radio fréquence (RF), ou impulsionnelle.
Le dispositif de génération de plasma 20 génère, sous l'effet de ladite source 22, des décharges électriques entre le dispositif de génération de plasma 20 et la surface 21 et crée un plasma, qui assure le chauffage de la surface 21.
Le dispositif de génération de plasma 20 s'étend de manière sensiblement parallèle à la surface 21. Il est déplacé parallèlement à ladite surface 21, perpendiculairement à la direction selon laquelle elle s'étend. Une telle configuration permet un chauffage homogène sur une surface du lit de poudre correspondant à la longueur du dispositif de génération de plasma 20 et à sa distance de déplacement.
La surface 21 du lit de poudre est par exemple reliée à la masse.
Le chauffage peut être réalisé avant l'étape de consolidation, constituant donc une étape de préchauffage, de manière à éviter les projections de poudres.
Optionnellement, une étape de chauffage peut être réalisée après l'étape de consolidation, constituant donc une étape de post-chauffage, de manière à effectuer un recuit du matériau ou limiter l'effet de trempe par l'atmosphère de travail, ou encore maîtriser l'évolution de la température au refroidissement de manière à obtenir une structure cristalline particulière.
Dispositif à maanétron linéaire
Afin de générer un plasma à basse pression (< 0,1 mbar) et de manière afin d'améliorer les performances du dispositif de génération de plasma 20, ce dispositif comporte un système de confinement magnétique du plasma.
On a représenté sur la figure 3 un ensemble de confinement de plasma comportant un dispositif 23 magnétron de génération de plasma linéique.
Il comporte une électrode 24, de préférence polarisée négativement (et jouant, dans ce cas, le rôle de cathode).
Un arrangement d'aimants 25, disposé en regard d'une première face de l'électrode 24, génère un piège magnétique qui permet le confinement des électrons en regard de l'autre face de l'électrode 24.
Les aimants peuvent être permanents ou des électroaimants, ou encore une combinaison des deux.
Suivant les besoins, l'électrode 24 peut être alimentée (source 22) en courant continu (DC - direct current, en anglais), en Radio Fréquence (RF) ou en mode impulsionnel haute puissance (HiPIMS - High Power Impulse Magnetron Sputtering, en anglais), mais généralement recevant une tension négative.
En fonction de son mode d'alimentation, le matériau constitutif de l'électrode 24 peut être un conducteur électrique, un isolant ou un semi- conducteur.
Dans le cas d'une électrode 24 réalisée en matériau conducteur électrique, tous les modes d'alimentation électrique conviennent.
Dans le cas d'une électrode 24 réalisée en matériau non-conducteur, seulement les modes RF ou impulsionnels conviennent.
Une circulation 26 d'un fluide de refroidissement (par exemple de l'eau, du glycol, etc.) est prévue dans l'électrode 24, alimenté par un système externe.
Le fluide frigorigène peut par exemple être injecté par des orifices ménagés dans une des parois du chariot 27, et peut être par exemple être mis en circulation entre les rangées d'aimants de l'arrangement d'aimants 25, le fluide étant ainsi également en contact avec l'électrode 24 et refroidissant celle-ci.
Le fluide frigorigène peut ensuite être extrait par un second orifice ménagé dans le chariot 27.
Un tel dispositif magnétron 23 est monté à l'intérieur de l'enceinte 17 sur un chariot 27 disposé au-dessus du lit de poudre et apte à se déplacer linéairement par rapport à celui-ci (double flèche sur la figure).
Ce chariot 27 est par exemple celui du rouleau de mise en couche, le dispositif magnétron 23 étant disposé derrière ledit rouleau (par rapport au sens d'avancement de celui-ci).
En référence à la figure 4, un exemple d'arrangement d'aimants 25 comporte deux rangées d'aimants disposés de manière à former une piste 28 linéique. Les aimants de polarités inverses sont ainsi disposés de part et d'autre de la piste 28.
Dans l'exemple illustré, la piste magnétique 28 est fermée.
En référence à la figure 5, l'arrangement d'aimants 25 est couvert par l'électrode 24. i l
Le champ magnétique généré par les aimants piège les électrons autour des lignes de champ magnétique, du côté de l'électrode 24 faisant face au lit de poudre, et augmente ainsi l'ionisation du gaz le long d'un motif 29 linéique situé le long de la piste 28, tel qu'illustré sur la figure 5.
Cette configuration magnétique concentre les électrons et le long du motif 29, formant un plasma le long dudit motif 29.
Afin d'augmenter encore l'efficacité du piège, il est généralement réalisé un arrangement alterné (nord extérieur et sud au centre, ou le contraire) pour réaliser une piste magnétique 28 fermée telle qu'illustrée en figure 4.
Fonctionnement du dispositif à décharge magnétron
L'arrangement d'aimants 25 est donc configuré pour générer un champ magnétique qui va concentrer les électrons dans une zone déterminée. Dans l'exemple décrit, il s'agit d'un motif 29 linéique, mais les aimants pourraient être disposés de manière à former tout autre modèle géométrique, comme un cercle ou une courbe.
Lorsque l'électrode 24 est alimentée, une décharge électrique se produit entre le lit de poudre et l'électrode 24, générant ainsi un plasma.
La concentration des électrons dans une zone déterminée permet de favoriser d'ionisation locale du gaz dans la zone, et la présence d'un piège magnétique permet de confiner le plasma dans une zone précise, même à très basse pression.
Un tel dispositif est adapté à des fonctionnements basse pression, typiquement autour de 1 Pa (10 2 mbar), comme plus largement sur une gamme de pressions allant du microbar (0,1 Pa) au millibar (100 Pa).
Cet ordre de grandeur de pression (aux alentours du Pascal) permet d'améliorer les performances des sources de puissance réalisant la fusion des poudres.
Plus précisément, dans le cas de figure où la source de puissance 12 comporte un générateur de faisceau d'électrons, une pression de fonctionnement basse implique une plus faible densité de l'atmosphère environnante et donc moins de chocs entre les électrons émis par la source 12 et le gaz environnant.
La présence d'un champ magnétique permet de concentrer les électrons dans une zone et donc de favoriser la formation d'un plasma malgré la faible densité de l'atmosphère environnante.
La largeur de la zone chauffée est alors réduite, ce qui améliore la précision du chauffage.
Dans le cas où la source de puissance 12 comporte un laser, la diminution de la pression de fonctionnement limite le taux d'oxygène environnant, ce qui limite la formation d'oxydes et de fumées.
Le matériau fondu est donc moins pollué par les fumées et oxydes.
Le phénomène de dénudation, qui consiste en un épuisement des poudres métalliques dans la zone environnant la piste solidifiée en raison du soufflage de ces poudres par un flux de vapeur métallique généré par la fusion des poudres lors du chauffage par laser, est également fortement limité en réduisant la pression environnante.
Les vapeurs métalliques produites lors de la fusion des poudres sont alors moins denses et le flux de circulation de ces vapeurs ne souffle pas les poudres.
Le champ magnétique B est configuré pour piéger uniquement les électrons, sans altérer le comportement des ions.
Notamment, la valeur du champ magnétique (typiquement quelques 100 Gauss = 0,01 Tesla) configurée en fonction de la différence de masse entre les électrons et les ions permet d'obtenir ce comportement.
En effet, le rapport de masse entre les électrons et les ions engendre un rapport similaire entre leurs rayons de giration magnétique respectifs (rayons de Larmor).
Le plasma ainsi créé est confiné entre l'électrode 24 et la surface libre 21 du lit de poudre.
En plaçant tel dispositif 23 magnétron avec la partie homogène (plasma ou faisceau d'ions) vers le lit de poudre, il est possible de transférer de manière efficace de l'énergie des espèces du plasma à la poudre et ainsi de réaliser son chauffage. L'énergie est transmise à la poudre par plusieurs biais coexistant simultanément dans un plasma. Il s'agit des espèces chargées, électrons et ions, mais également des espèces neutres énergétiques, notamment les atomes neutres pulvérisés de l'électrode (cathode), les états excités non- radiatifs (métastables), et les photons. Comme la surface (poudre) reçoit les deux espèces chargées, les effets de charge (répulsion Coulombienne) sont réduits, voire supprimées.
De plus, tous les photons visibles, infra-rouges et ultraviolets chauffent la matière lorsqu'ils sont absorbés.
Plus le plasma est dense, plus l'énergie transmise à la surface est importante.
La quantité d'énergie, dans le cas des ions mais plus généralement pour tout type de plasma, peut être facilement ajustée par la tension d'accélération ionique ou respectivement la puissance injectée dans le plasma. Un meilleur contrôle peut être réalisé par le fonctionnement impulsionnel du plasma, alternant des phases de chauffage (plasma actif - ON, en anglais) et des phases de détente thermique (plasma OFF). La modification de la période ON/OFF, connue également comme le rapport cyclique, permet aisément l'ajustement de la température.
Dispositif à électrode tournante
La formation d'un plasma entre l'électrode et le lit de poudre provoque, en cas d'une activation prolongée, un échauffement important de l'électrode.
Dans certains modes de réalisation, l'électrode 24 est un rouleau cylindrique creux à l'intérieur duquel est disposé l'arrangement 25 d'aimants, tel qu'illustré sur la figure 6.
L'arrangement d'aimants 25 est monté fixe par rapport au dispositif magnétron 23, l'électrode 24 étant montée à rotation selon l'axe le long duquel il s'étend.
Ainsi, la position et l'orientation du champ magnétique par rapport au dispositif à magnétron 23 ne change pas au cours du fonctionnement, permettant de contrôler la zone de formation du plasma. Au cours du fonctionnement du dispositif à magnétron 23, l'électrode 24 est entraînée en rotation. De cette manière, la partie de l'électrode 24 qui est exposée au plasma change régulièrement, limitant la chauffe d'une zone en particulier, le plasma étant toujours confiné au niveau du piège magnétique généré par l'arrangement d'aimants 25 qui a une orientation fixe par rapport au dispositif à magnétron 23, notamment vers la surface 21 du lit de poudre, comme illustré sur la figure 6.
Dispositif à source d'ions linéique
Des variantes de cathodes magnétron permettent également l’obtention d’un plasma linéique et homogène.
Dans le cas du mode de réalisation de la figure 3, l'électrode 24 est une électrode plane.
Dans une variante illustrée figure 7, le dispositif magnétron peut comporter une électrode 24 dans laquelle une fente 30 est ménagée.
La fente 30 est ménagée en regard de la piste 28, la piste 28 étant formée par une cavité s'étendant entre les rangées de l'arrangement d'aimants 25.
Un orifice d'injection 31 est ménagé dans une paroi du chariot 27, au fond de la cavité formée par la piste 28 et la fente 30.
Un gaz est injecté dans la cavité par l'orifice d'injection 31. Lors de l'excitation de la cathode 24, le gaz est alors fortement ionisé par les électrons efficacement piégés par le champ magnétique B généré par l'arrangement d'aimants 25.
Optionnellement, le gaz injecté par l'orifice d'injection 31 est le gaz composant l'atmosphère de travail, permettant de simplifier l'appareil.
La cavité formée par la piste 28 et la fente 30 forme donc une source d'ions.
La barrière magnétique générée par l'arrangement d'aimants 25 augmente la résistance électrique du plasma, générant ainsi une différence de potentiel dans le plasma par effet Hall.
Un mouvement de charges généré par le champ magnétique B et un champ électrique généré par l'excitation de la cathode 24 provoque une circulation des électrons le long de la piste 28, en regard de la fente 30, conduisant à l'homogénéisation du plasma.
Les ions, non magnétisés, sont projetés par le champ électrique à travers la fente 30.
Certains électrons, plus légers, suivent les ions. Ainsi, un flux confiné de plasma est généré et projeté par la fente 30. La fente 30 est idéalement située en regard du lit de poudre, de manière à projeter le jet de plasma sur la surface 21 à chauffer.
Dans une variante, le dispositif de génération de plasma 20 est de toute autre forme que linéique et il est adapté pour être déplacé avec un robot.
En plaçant le dispositif de génération de plasma 20 devant la surface 21 de poudre, il est possible d'entretenir un plasma de haute densité, homogène et confiné entre ledit dispositif 20 et le lit de poudre, malgré la basse pression de travail .
En déplaçant ce dispositif de génération de plasma 20 il est possible de balayer la surface 21 du lit de poudre. En gardant le plasma allumé et en effectuant un balayage complet de la surface 21 du lit de poudre, chauffant ainsi superficiellement le lit de poudre.
Optionnellement, en fonction de la durée d'allumage du plasma (temps ti, t2 ou t3) et de la position du dispositif de génération de plasma 20 au-dessus du lit de poudre, seulement certaines zones peuvent être chauffées, sur toute la largeur du lit de poudre, tel qu'illustré en figure 8.
En limitant la durée d'allumage du plasma, on peut optimiser la consommation d'énergie tout en réalisant le chauffage voulu .
On transfère ainsi de manière efficace de l’énergie à la poudre, ce qui permet de réaliser son chauffage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de chauffage d'un lit de poudre dans un appareil de fabrication additive,
caractérisé en ce qu'il comporte :
- un dispositif de génération de plasma (20), ledit dispositif étant adapté pour être disposé et déplacé au-dessus du lit de poudre, à une distance du lit de poudre permettant la génération du plasma sur celui-ci,
- une unité pour l'alimentation électrique (22) dudit dispositif de génération de plasma,
- une unité de contrôle (9) pour commander l'alimentation et le déplacement du dispositif de génération de plasma,
et en ce que le dispositif de génération de plasma (20) comporte un ensemble de confinement magnétique du plasma.
2. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, dans lequel l'ensemble de confinement de plasma comporte un dispositif de type magnétron (23) adapté pour confiner des particules chargées.
3. Dispositif de chauffage selon la revendication 2, dans lequel le dispositif magnétron (23) comporte un arrangement d'aimants (25) configuré pour confiner des électrons suivant un motif (29) linéique.
4. Dispositif de chauffage selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de type magnétron (23) comporte une fente (30) formant source d'ions, la fente (30) étant ménagée à travers l'électrode (24) et débouchant en regard du lit de poudre.
5. Dispositif de chauffage selon la revendication 4, dans lequel un gaz est injecté dans la fente (30).
6. Dispositif de chauffage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de génération de plasma (20) est adapté pour être déplacé avec une composante principale de déplacement perpendiculaire à la direction selon laquelle il s'étend.
7. Dispositif de chauffage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'unité (22) pour l'alimentation électrique dudit dispositif de génération de plasma (20) comprend une source de haute tension continue et/ou radiofréquence et/ou impulsionnelle.
8. Appareil pour fabriquer un objet tridimensionnel par fabrication additive sélective comportant dans une enceinte :
- un support (3) pour le dépôt des couches successives de poudre de fabrication additive,
un arrangement de distribution (4) adapté pour appliquer une couche de poudre sur ledit support (3) ou sur une couche précédemment consolidée,
- au moins une source de puissance (8) adaptée à la consolidation sélective d'une couche de poudre appliquée par l'arrangement de distribution (4),
caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de chauffage (19) selon l'une des revendications précédentes, le dispositif de génération de plasma (20) du dispositif de chauffage (19) étant adapté pour être disposé et déplacé au-dessus du lit de poudre, à une distance du lit de poudre permettant la génération du plasma sur celui-ci, le dispositif de génération de plasma (20) comportant en outre un ensemble de confinement magnétique du plasma.
9. Appareil selon la revendication 8, dans lequel l'arrangement de distribution (4) comporte une raclette (5) ou un rouleau de mise en couche, le dispositif de génération de plasma (20) s'étendant à proximité de ladite raclette (5) ou rouleau et étant mobile avec celui- ci ou se déplaçant de manière indépendante.
10. Méthode de fabrication d'un objet tridimensionnel par fabrication additive sélective, ladite méthode comportant les étapes :
• Dépôt d'une couche de poudre sur un support (3) ou une couche précédemment solidifiée,
• Consolidation d'au moins une zone de la couche précédemment déposée, la consolidation étant réalisée au moyen d'une source de puissance (8),
la méthode étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une opération de chauffage d'au moins une zone localisée de la couche de poudre au moyen d'un dispositif de chauffage (19) selon l'une des revendications 1 à 7, le chauffage du lit de poudre étant réalisé par un plasma confiné.
11. Méthode selon la revendication 10, dans laquelle au cours de l'étape de chauffage, le dispositif de génération de plasma (20) confine les particules chargées dans une localisation précise, de manière à maîtriser la formation des décharges électriques lors de l'alimentation de l'électrode (24), générant un plasma confiné de manière à maximiser le transfert thermique entre le plasma et le lit de poudre.
12. Méthode selon l'une des revendications 10 et 11, dans laquelle au cours de l'étape de chauffage, un gaz est injecté dans le dispositif de génération de plasma (20) pour y être ionisé, le champ magnétique induisant une projection du gaz ionisé de manière à générer un jet de plasma confiné, orienté vers la poudre.
13. Méthode selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel au moins une étape de chauffage est réalisée avant et/ou après l'étape de consolidation.
EP19720981.0A 2018-04-06 2019-04-05 Dispositif de chauffage a confinement magnétique pour appareil de fabrication additive sélective Pending EP3774132A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

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